基于Proteus的步进电机闭环控制仿真.doc
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1、本科毕业设计论文 题题 目目 基于 Proteus 的步进电机闭环控制仿真 摘要 I 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文) ,是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别 加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日 期: 使用授权说明使用
2、授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论 文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和 电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并 提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其 它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论 文的部分或全部内容。 作者签名: 日 期: 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) II 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作
3、品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定, 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名:日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日 摘要 III 注 意 事 项 1.设计(论文
4、)的内容包括: 1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作) 2)原创性声明 3)中文摘要(300 字左右) 、关键词 4)外文摘要、关键词 5)目次页(附件不统一编入) 6)论文主体部分:引言(或绪论) 、正文、结论 7)参考文献 8)致谢 9)附录(对论文支持必要时) 2.论文字数要求:理工类设计(论文)正文字数不少于 1 万字(不包括图纸、程序清单等) , 文科类论文正文字数不少于 1.2 万字。 3.附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件) 。 4.文字、图表要求: 1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准 请他人代写 2)工程设计类题
5、目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符 合国家技术标准规范。图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用 徒手画 3)毕业论文须用 A4 单面打印,论文 50 页以上的双面打印 4)图表应绘制于无格子的页面上 5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档 5.装订顺序 1)设计(论文) 2)附件:按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订 3)其它 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) IV 摘 要 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置, 因为步进电机不需要 A/D 转换,能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移
6、,所 以被认为是理想的数控机床的执行元件,由于其精确性以及其良好的性能在实 际当中得到了广泛的应用。本文介绍了以 51 系列单片机 AT89S51 为控制核心 所设计的步进电机控制系统,从系统的硬件仿真电路以及软件的设计方面实现 了对步进电机的控制。并且由传感器 FC-SPX302 采集转速数据进而进行关于速 度的闭环控制,经过仿真验证电路证明,该仿真控制系统的随动性能好,抗干 扰能力强,稳定性好。 关键词: 步进电机,闭环,控制 摘要 V ABSTRACT III ABSTRACT Stepper motor is a pulse signal is converted into the c
7、orresponding angular displacement (or linear displacement) of electromagnetic devices, because step motor does not need A/D conversion, digital pulse signal can be directly transformed into angular displacement, so It is considered to be an ideal actuator of CNC machine tools. Because of its good pe
8、rformance and accuracy in practice has been widely applied. This paper introduces to 51 series microcontroller AT89S51 as control core design of stepping motor control system, From the hardware circuit simulation and software design and implementation of stepper motor control. And use the acquisitio
9、n speed data sensor FC-SPX302 to make up a closed-loop of speed control system. Through the circuit simulation prove, dynamic performance with the simulation of the control system, strong anti-interference ability, good stability. KEY WORDS: Stepper motor,Closed loop,Control 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) IV
10、 目 录 V 目目 录录 1 绪论1 1.1 步进电机国内外研究现状 1 1.2 研究主要内容及其意义 2 1.3 步进电机的单片机控制优点 3 2 步进电动机的介绍5 2.1 步进电动机的基本原理 5 2.2 步进电动机分类 5 2.3 步进电机的一些基本参数 5 2.3.1 电机的拍数 5 2.3.2 电机固有步进角 6 2.3.3 步进电机的相数 6 2.4 步进电机结构 6 2.4.1 步进电机的旋转 7 2.5 步进电动机的控制原理 7 2.5.1 换相顺序的控制 8 2.5.2 步进电动机的转向控制 8 2.5.3 步进电动机的速度控制 8 2.5.4 步进电动机的位置控制 8 2
11、.6 步进电动机的特点 9 3 主要芯片介绍.11 3.1 89S5L单片机简介 11 3.1.1 单片机的引脚功能 .11 3.1.2 单片机的主要特性 .11 3.2 L298 简介.12 3.2.1 L298 的原理.12 3.2.2 L298 概述.12 3.3 光电开关 .14 4 硬件设计.15 4.1 总体设计方框图 .15 4.2 系统仿真图 .15 4.3 步进电动机的控制方式选择 .16 4.4 步进电动机的驱动方式选择 .17 西安交通大学城市学院本科毕业生(论文) VI 4.5 键盘电路设计 .17 4.5.1 键盘原理图 .17 4.5.2 键盘功能 .18 4.6
12、显示电路 .18 4.7 测速电路 .19 5 软件设计.21 5.1 PID 控制算法21 5.1.1 位置式 PID 的控制算法 .21 5.1.2 增量式 PID 的控制算法 .22 5.2 主程序 .23 6 实验结果及分析.25 6.1 测量转速与实际转速比较 .25 6.2 结论 .25 总结.27 致谢.29 参考文献.31 附录 A 电路原理图(PROTEL) 33 附录 B 电路仿真图(PROTEUS) .34 附录 C 程序 35 Error! No text of specified style in document. 1 1 绪论 1.1 步进电机国内外研究现状 步进
13、电动机是一种新型增量式电机,是数字控制系统的一种执行元件。它 是利用电脉冲信号进行控制,将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电 动机。它的位移与输入脉冲信号相对应,步矩误差不长期积累,不需用电刷, 电机本体部件少,易于启停、正反转及变速。用步进电机作为驱动装置构成的 控制系统,具有成本低,控制简单,容易维护等优点。步进电动机问世后,广 泛地应用在等各个领域。做为机床控制、电子瞄准、工业自动化、办公自动化 和机器人运动控制中应用的重要执行部件,显示出广阔的发展前景。 步进电动机有多种不同的结构。经过近七十多年的发展,逐渐形成以混合 式和反应式为主的产品格局。混合式步进电动机是在同步电动机或者
14、说是在永 磁感应子式同步电动机的基础上发展起来的。既有反应式步进电动机基于气隙 磁导变化的特征,又有轴向恒定磁场的永磁式步进电动机的特征。其综合了该 两类步进电动机的特点,因而性能更好。具有分辨率高,控制功率小等优点, 是应用最为广泛的步进电动机种类,至今没发现更合适取代它的产品。缺点是 带惯性负载能力差,低频振荡现象严重,高频运行时输出转矩下降。 国外步进电动机研究较早,对步进电机驱动技术的研究一直很活跃,如今 正在研究开发以步进电动机为执行机构的高性能伺服系统。目前,这类电动机 最大的生产国还是日本。日本有很多公司生产,像 JAPAN SERVO,SANYO DENKI 等。它们的产品无论
15、是外观质量,内部性能指标,还是生产手段,都处 于世界先进水平。而在我国,步进电动机的研制最早始于 1958 年。经过五十年 的发展,目前发展趋于平缓,与国外相比,反应式步进电动机还占大量比例, 只是随着近年来大批进口设备大量涌入我国,而这些设备大多数采用了混合式 步进电动机,混合式步进电动机才为人们所熟悉。在国外,特别是工业比较发 达的国家,步进电动机及其驱动技术早已规模化生产,我国与之相比还有相当 大的差距。虽然我国在该类电机的研制和生产上已形成一定规模,但生产规模 较小,未形成商品化和系列化,仅处于按用户要求研制定制阶段,与国外产品 相比尚无竞争能力。从步进电动机驱动技术发展历史来看,步进
16、电动机的相数 不同,有 2 相、3 相、4 相、5 相、9 相等。齿数也不同,使得产品规格品种繁 多,生产格局复杂化,对用户选择不利。然而由于步进电动机和其它电机有着 很大的差别,具有其它电机所没有的特性。因此,它仍然能根据市场的需求, 沿着小型化、高效、低价的方向发展。 步进电动机的使用性能与它的驱动电路有密切的关系,随着电力电子技术 西安交通大学城市学院本科毕业生(论文) 2 及微电子技术及其器件的发展,驱动器的面貌不断改变。最初使用的末级功放 元件是可控硅。可控硅虽然触发简单,但关断困难,总的来说线路较复杂、易 形成误触发、可靠性也差;且不便于调试和维护、抗干扰能力不好。但随着大 功率晶
17、体管的发展目前一般不再采用末级功放元件来驱动控制步进电动机。目 前,功率开关管多采用功率场控晶体管(MOSFET)和全控型器件(IGBT)。功率 集成电路(PIC)将功率器件、前级驱动电路、控制电路及保护电路等都集成在一 起,具有较强的功能和较大的输出功率。用这种器件做成步进电动机驱动器, 具有结构简单、性能稳定及运行可靠等优点。目前已应用于中、小功率步进电 动机的驱动。驱动器控制电路发展的一个重要方面是集成电路专用芯片的采用。 如 F/V 变换器(LM2917),V/W 变换器(SG3525,TL494),微步控制与功率器 件集成在一起的芯片(A3955SB)等,更使步进电机驱动器的研制上了
18、一个新台 阶,使其性能指标有了显著的提高。使步进电动机的控制系统达到了一个新的 水平。其它一些控制技术,如矢量控制,模糊控制,神经网络控制等也获得了 飞速发展和应用。步进电动机今后的发展,依赖于新材料的应用,设计手段的 完善,以及与驱动技术的最佳配合。首先,精确的分析和设计,模型的建立和 完善,是一项重要的基础研究,至今还有很多工作要做,它可以为各类问题的 深入分析提供基础,为优化设计指出方向。其次,电力电子技术、微电子技术 的发展,高性能永磁材料的应用及优化设计技术起到明显的作用自不待说,驱 动技术改进的作用也不容忽视,特别是微步驱动技术的应用和成熟,使步进电 动机的分辨率和特性与相数的关系
19、不大,对步进电动机的设计,今后的发展会 产生很大的影响,也提出了一系列新的研究课题和方向。 1.2 研究主要内容及其意义 随着步进电动机系统在各种数字控制系统中的广泛应用,各种数字控制系 统随步进电动机性能和使用条件的要求也越来越高。这就要求不断研制出高性 能高可靠性高集成化低价位的驱动器和低成本的单片机控制满足需求。众所周 知,国内对这方面的研究一直很活跃,但是可供选用的高性能的步进电动机驱 动器却很少,而且国内的驱动器方面基本都存在着体积大、外形尺寸不规则、 性能指标不稳定及远没有达到系列化等问题,这就给驱动器的选用和安装带来 了极大的不便,另外,随着国内单片机技术的发展,更精度的步进电动
20、机控制 技术也得到很大的发展。国外虽然有通用的各种类型的步进电动机驱动器,但 大都存在价格昂贵,与我国的系统连接不匹配等问题。步进电动机不能直接接 到交直流电源上工作,而必须使用专用的步进电动机驱动器;在驱动电源的设 计方面目前采用更多的是由单片机提供脉冲驱动信号。步进电动机系统的性能, Error! No text of specified style in document. 3 除与电动机自身的性能有关外,也在很大程度上取决于驱动器的性能。步进电 动机在运行时,一般有以下问题:各相绕组都是开关工作,多数电动机绕组都是 连续的交流或直流,而步进动机各相绕组都是脉冲式供电所以绕组电流不是连
21、续的。电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈,所以都有较大的电感。绕组通 电时,电流不能迅速上升至额定值,电流上升率受到限制,绕组断电时,应该 电流截止的相不能立即截止。绕组导通和截止都会产生较大的反电势,而截止 时反电势将对驱动级器件的安全产生有害的影响。电动机运转时在各相绕组中 产生旋转电势,这些电势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。由于旋 转电势基本上与电动机转速成正比,转速越高,电势越大,绕组电流越小,从 而使电机输出转矩也随着转速升高而下降。步进电动机的固有分辨率不高,不 能精密位移。以应用最广的 8 极 50 齿两相混合式步进电动机为例,其步距角为 0.9/1.8,需配合机械减速
22、机构以达到所需要的脉冲当量精度,但是,机械系 统的增加也同时带来了一个误差源。步进电动机在低频运行时的振荡及过冲问 题,严重限制了步进电动机的应用范围。对这个问题的解决办法,除了改善负 载特性及附加机械阻尼外,还可以在驱动电源方面加以改善,如引入电磁阻尼、 采用细分驱动等办法来解决。 在机电一体化中,步进电机是最常用的一种执行电机,它实现了机械中的 角度、位移的数字化控制,从而使机械控制的精度大大提高。现代控制技术中 普遍采用的方式为开环控制和闭环控制,开环控制结构简单成本低但其精度不 是太高;闭环控制可以实现高精度的控制,但其结构复杂投入成本高。步进电 机的出现解决了这一技术难题,它使得开环
23、控制的精度和速度大大提高,由它 组成的步进式伺服控制系统实现了数字化机械生产过程。步进电机可以直接用 数字信号驱动,使用非常方便。一般电动机都是连续转动的,而步进电动机则 有定位和运转两种基本状态,当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动,每 给它一个脉冲信号,它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲 的个数严格成正比,在时间上与输入脉冲同步,因此只要控制输入脉冲的数量、 频率及电动机绕组通电的相序,便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没 有脉冲输入时,在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位 状态。因此非常适合于单片机控制2。 1.3 步进电机的单片机控制优点 控制系
24、统对步进电机的控制通过步进电机驱动器来完成。因此它已经被广 泛地用于自动控制系统中作为执行元件。原来的步进电机控制系统采用分立元 件或者集成电路组成的控制回路,不仅调试安装复杂,要消耗大量元器件,实 西安交通大学城市学院本科毕业生(论文) 4 现起来成本高、费时多,而且一旦定型后,电路就很难改动,因此不得不重新 设计控制器。 单片机是一种微型计算机,它在一个集成芯片中,集成有微处理器 (CPU)、存储器(RAM 和 ROM)、基本的 I/O 接口以及定时/计数部件,即 在一个芯片上实现了一台微型计算机的基本功能3。 步进电机的控制部分以单片机为主的微处理器控制具有如下优点:1.灵活性和 适应性
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