毕业设计机电传动综合实验平台.doc

设计题目： 机电传动综合实验平台 学 院： 机电工程学院 专业年级： 机械设计制造及其自动化 2007级 学 号： 071268155 学生姓名： 林建兴 指导教师、职称： 叶大鹏 副教授 2011年5月20日DC servo motor experiment platform software system developmentCollege：Mechanical and Electrical engineering collegeSpecialty and Grade：Machine Design &Manufacturing and Their Automation, 2007 Number： 071268155 Name ： Jianxing Lin Advisor： Dapeng Ye Associate Professor Submitted time: May 20,2011 目 录摘要IAbstractI1、引言11.1、本设计的目的和意义11.2、步进电动机的研究现状11.3、本设计课题的主要设计内容和关键问题.22、实验平台总体方案设计22.1、总体概述42.2、组成及特点.53、步进电动机简介43.1、分类及产品名称代号43.2、工作原理及选用原则 .54、键盘与显示电路设计94.1、键盘实现的功能及设计104.2、显示实现的功能及设计115、驱动电路设计125.1、驱动电路作用35.2、驱动电路方案及其原理.55.3、驱动电路设计26、控制模块设计. 226.1、转向控制设计.226.2、速度控制设计.226.3、位置控制设计.227.制作及调试 .228.结束语.33参考文献35致谢36附录37摘要本论文主要介绍对机电传动综合实验平台的总体方案设计、硬件电路的制作原理、步进电动机的正反转控制、位置控制以及转速控制的软件编写思路。系统采用双H桥PWM驱动芯片L298和AVR芯片控制步进电动机，通过键盘输入设定参数，运用软件程序控制步进电动机的转向、速度以及位置，并把设定参数在LCD显示出来。本课题对机电一体化系统的设计有一定的指导性，对学生了解步进电动机具有一定的系统性。关键词：步进电动机 L298驱动 键盘输入 转向控制 位置控制 转速控制 LCD显示输出 AbstractThis thesis mainly introduces DC servomotor and the software design, Proteus emulation and hardware circuit making of its speed control, forward/reverse control and position control, as well as the process of integrated system debugging. Through the coordinated debugging of hardware & software, we can finally achieve the goal we have anticipated. In other words, by typing required RPM value, motor rotation and rotation angle, displaying on LCD the actual speed, direction and angles, which are internally conversed from pulse signal reflected back by Grating Encoder Sensor, the system, driven by two-paralleled H-bridge Chip L298, PWM real-time control adopted, forming a Close-loop Control System. In this way, motor commutation can be precisely controlled, and the error range of actual rotate speed and angle can be controlled between negative 5% and 5%. In view of the status of DC servomotor and the influence it exerts on industrial control field, this design is strongly practical and worth popularizing.Key words: Step motor, L298 driver, Key input, Direction control，Position control，Speed control，LCD display output1、 引言1.1、本设计的目的和意义机电传动是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统总称，在现代工业中，为了实现生产过程自动化的要求，机电传动不仅包括拖动生产机械的电动机，而且包括控制电动机的一整套控制系统。因此在近年来,随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断地走向深入。在仪器仪表、家用电器和专用装备的智能化以及过程控制等方面,单片机都扮演着越来越重要的角色。在工业过程实时控制中，转速的检测与控制一般占有很大的比重，它对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响。对于此类应用来讲，一个在较大速度范围内具有高分辨率的快捷而准确的测速系统是必不可少的1。步进电机的优点在于它可以精确的调控速度和移动距离，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。这是一般电机所做不到的。在民用领域，多用于数码产品之中。在普通的数码相机中，步进电机可以用来快速而又精确地移动照相机的防抖模块，使得CCD或者镜片防抖等功能得以实现！还有应用于卡片机的伸缩镜头中,或用于精确对焦等等. 我们研制的机电传动综合实验平台即以单片机作为核心部件,它可完成对电机转速、方向、行程的闭环控制。该实验平台主要是让学生更加容易的掌握用实验方法测定直流和步进电动机的各种运行特性，并根据测得的运行特性评定该被试电动机的有关性能。熟悉各种电机常见的驱动电路及控制方式，掌握各种电动机转速.位置和转向控制方法。让学生对各种电机的了解具有一定的系统性，对机电一体化系统的设计有一定的指导性。1.2、步进电动机的研究现状电机为工业发展不可缺少的一大元素，并扮演着重要的角色。电机的应用不仅在动力应用方面不断扩大，而且在控制领域的使用范围也在不断的扩大。随着控制电机重要性的增加，控制电机的使用量也逐年增加。步进电动机是一种控制电机，不使用反馈回路就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制。步进电动机的原理早已有之，步进电动机与电磁铁和柱塞泵同一时期开发，法国人佛罗曼提出了将电磁铁的吸引力转化为旋转力矩的方法，从驱动电路方面看，步进电动机的发展与晶体管半导体元件的发展密不可分。（步进电机应用技术）步进电动机具有高精度的定位、位置及速度控制、具有较好的定位保持力、动作灵敏、开回路控制不必依赖传感器定位。中低速具备高转矩、小型高功率等特点，使得步进电动机在工业自动化领域得到广泛的应用，特别是在一些要求控制精度高，可靠性也高，而成本要求低的场合，步进电动机代替闭环控制的伺服电机，有非常大的优势。步进电机作为一种控制执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛运用在各种自动化控制系统和精密机械中。单片机的普及与运用，为步进电机的运用开辟了广阔的前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了成本又提高了控制的灵活性、可靠性及多功能性。本设计采用了AVR系列单片机和驱动电路作为步进电动机控制器，对步进电动机的转向、位置、转速进行控制。1.3、本设计课题的主要设计内容和关键问题1）本设计课题的主要设计内容：（1）实验平台硬件选择以与总体方案设计；（2）实验平台中电路板线路的设计以及制作；（3）实验平台步进电机控制程序编写；（4）实验平台直流电机控制程序编写。2）本设计应解决的主要问题：1) 实验平台整体方案设计2) 电路板线路的制作3) 步进电机的步距角的细分控制及位置控制2、实验平台总体方案设计2.1、总体概述2.2、硬件系统组成及特点步进电动机控制系统是由步进电动机，驱动器和控制器这三部分组成，控制器提供了具有一定频率的脉冲串以及启动、方向等控制信号，驱动器则产生具有一定功率的脉冲信号用来驱动步进电动机工作。本设计的步进电机控制系统原理图如下图21所示。单 片 机接口电路按键输入设 定 值单片机AVRL298驱动电路服电机步进电机LCD显示输出图21 步进电动机控制原理框图本设计的硬件系统各相关环节如下所示：1）、系统输入：采用4×4矩阵式按键实现设定值的输入；2）、系统输出：采用LCD1602显示输出，可显示两行数据，每行各16个显示单元；3）、控制芯片：采用AVR单片机芯片，该芯片具有3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；4）、执行元件：采用永磁式直流伺服电动机，额定电压24V，额定转速4000转/分；5）、系统驱动：由L298驱动电路实现，该电路可以直接通过电源来调节输出电压，且可以直接用单片机的IO口提供信号；3、步进电动机简介3.1、分类及部分产品名称代号1）.分类步进电机分为包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩，但动态性能相对较差。永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，它是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。2）.部分产品名称代号表3-1 部分步进电机技术数据电机型号相数类型步距角相电流额定转矩42BYG0092混合式0.9/1.8°1.3A0.25Nm90BYG26012混合式0.75/1.5°4A3.5Nm36BF0033反应式1.5/3°1.5A0.08Nm45BF0083反应式1.5/3°0.2A0.118Nm110BYG25014混合式0.9/1.8°4A12Nm110BYG25024混合式0.9/1.8°5A20Nm110BYG55015混合式0.36/0.72°3A10Nm90BF0065反应式0.36/0.72°3A2.16Nm3.2、工作原理及选用原则 1）.工作原理步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(f)成正比，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。如下所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图3-1 四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：图3-2 步进电机工作时序波形图2）.选用原则步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。（1）.步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。（2）、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。（3）、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。