[毕业设计精品]基于单片机的步进电机运行控制系统.doc
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1、 摘 要步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机,它是基于最基本的电磁感应作用,将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,大型望远镜,卫星天线定位系统等等。随着经济的发展,技术的进步和电子技术的发展,步进电机的应用领域更加广阔,同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。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
2、制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速,因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度,这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率,延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速,从而实现步进电机的调速。在本设计方案中采用AT89C51型单片机控制器驱动步进电机旋转,以带动丝杆传动系统,进而控制液氮液面升降的运动。关键词:步进电机;单片机;控制目 录1 引言12 总体方案设计22.1 硬件方案论证22.2 系统总体设计82.3 系统控制算法的设计103 系统单元电路的设计123.1 驱动电路设计123
3、.2显示电路与键盘的设计133.3 传感器的设计153.4 模数转换单元的设计153.5系统抗干扰设计164 系统的软件设计174.1步进电机驱动子程序流程图174.2 8279键盘/显示流程图194.3主程序流程的设计20总结21参考文献22附录:231 引言步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上,这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良,使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动,使用非常
4、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。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点,因而在数控机床,绘图仪,打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为
5、机电能量转换装置,在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机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。永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度;反应式步进电机一般为三相,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。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
6、: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,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。2 总体方案设计2.1 硬件方案论证2.1.1步进电机的选择因本次设计的要求,步进电机的应选用三相三拍的步进电机。当A 相控制绕组通电,其余两相均不通电,电机内建立以定子A 相极为轴线的磁场.由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点,使转子齿1, 3 的轴线与定子A 相极轴线对齐.若A 相控制绕组断电,B 相控制绕组通电时,转子在反应转矩的作用下,逆时针方向转过30,使转子齿2,4 的轴线与定子B 相极轴线对齐,即转子走了一步, 若再断开B相,使C相控制绕组通电,转子又转过3
7、0 使转子齿1,3 的轴线与定子C相极轴线.如此按A-BC-A 的顺序轮流通电,转子就会一步一步地按逆时针方向转动,其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率,旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序若按A-C-B-A 的顺序通电,则电机按顺时针反方向转动。上述通电方式称为三相单三拍运行,”三相”是指三相步进电动机,”单”是指每次只有一相控制绕组通电,控制绕组每改变一次通电方式称为一拍,三拍是指经过三次改变通电方式为一个循环,我们称每一拍转子转过的角度为步距角.三相单三拍运行时的步距角为30度。微处理器的选择方案一:8031芯片内部无ROM,需要外扩程序存储器,由此造成电路焊接的困难,况且使用803
8、1还需要另外购买其他的芯片,如A/D转换及定时/计数器(PWM)等芯片,从而造成成本较高,性价比低。方案二: 本次设计选用89C5l作为步进电机的控制芯片89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上使用方便等优点,而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由
9、于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案.片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路,CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率,一般多在1.2MHz12MHz之间选取。C1、C2是反馈电容,其值在5pF30pF之间选取,典型值为30pF。本电路选用的电容为30pF,晶振频率为12MHz。图 2-2 时钟产生电路图23为单片机复位电路。单片机在开机时都需要复位,以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。单片机的复位后
10、是靠外部电路实现的,在时钟电路工作后,只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲(2个机器周期)以上的高电平,单片机便可实现初始化状态复位。MCS-51单片机的RST引脚是复位信号的输入端。例如:若MCS-51单片机时钟频率为12MHz,则复位脉冲宽度至少应该为2s。图2-3 复位电路显示器的选择方案一:LED数码管显示器可分为两种显示方式:静态显示和动态显示。LED数码管静态显示,多片七段译码器驱动显示,这不仅增加了成本,还需要占用单片机多个I/O口,也给电路的焊接带来一定的困难,因此不选用这种方案作为显示模块,所以排除此方案。方案二:LED数码管显示器动态显示方式下,将所有位的段选线
11、并联在起,由位选线控制哪位接收字段码。采用动态扫描显示,也就是在显示过中,轮流向各位送出字形码和相应的字位选择,同一时刻只有一位显示,其他各位熄灭。利用显示器的余晖和人眼的视觉暂留现象,只要每一位显示足够短,则人看到的就是无为数码管同时显示。在动态显示方式下电路设计简单,故采用此方式。键盘的选择键盘的连接一般有两种方式,一种是独立式键盘;一种是行列式键盘。独立式键盘就是各个键相互独立,每个键盘接一根输入线,通过检测输入线的电平状态来确定那个键按下。这种键盘的输入线较多,结构复杂,一般适用于按键较少操作速度较高的场合。而行列式键盘是由行和列线交义组成,一般用于按键较多的场合。本次设计一共用9个键
12、因此采用行列式键盘。驱动电路的选择(信号调理电路)因从CPU输出的脉冲信号特别小,固应先经过对脉冲进行分配并经过放大然后再经过光耦驱动来驱动步进进电机。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内,彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端,受光器的引脚为输出端,常见的发光源为发光二极管,受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多,常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等,根据设计的具体情况这里选用光电三极管型。传感器的选择代传感器在原理与结构上千差万
13、别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器现,是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败,在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。1. 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法,有
14、线或是非接触测量;传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制。2. 灵敏度的选择通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽员减少从外界引入的串扰信号。3. 频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有定延迟,希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于
15、受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低。5. 精度精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合,无法选到合适的传感器,则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。模数
16、转换单元模拟量转换成数字量(A/D转换)是计算机与外部环境进行联系的主要方式之一。当计算机用于工程控制、实时数据采集等方面时,现场检测的模拟信号必须通过A/D转换变成数字量,送入计算机处理。在选择A/D转换器时,除了要注意以上提到的A/D转换器的性能指标如:分辨率,转换精度,转换速度,抗干扰能力等;还要注意其输入模拟电压的范围,输出特性等。A/D转换的启动信号是电平信号还是脉冲信号等,掌握这些特性以便A/D与单片机接口。在微机的控制的系统中,往往要检测和处理多个参量,而微机运行速度快,模拟量的变化速度慢,为了简化系统结构,又能用一台微机处理多个参量,采用多种含有逻辑控制多路开关的A/D转换器A
17、DC0809将模拟量转换成数字量。本次设计选用ADC0809芯片。2.2 系统总体设计基本要求 步进电机采用三相步进电机,功率为1W。调速范围为0到1000r/min最高转速时,精度2%要基本上完设计,作到步进电机能正反转、并能在起动时不失步,基本上没有振荡,能完成完整的硬件电路图,软件设计。系统的设计方案方框图图23系统总体构造图2.3 系统控制算法的设计PID是一种工业控制过程中应用较为广泛的一种控制算法,它具有原理简单,易于实现,稳定性好,适用范围广,控制参数易于整定等优点。PID控制不需了解被控对象的数学模型,只要根据经验调整控制器参数 ,便可获得满意的结果。其不足之处是对被控参数的变
18、化比较敏感。但是通过软件编程方法实现PID控制 ,可以灵活地调整参数。 连续PID控制器也称比例积分微分控制器,即过程控制是按误差的比例(P-ProportionAl)、积分(I-IntegrAl)和微分(D-DerivAtive)对系统进行控制。它的控制规律的数学模型如下: 式中,e(t):调节器输入函数,即给定量与输出量的偏u(t):调节器输出函数。 Kp:比例系数; T:积分时间常数; T:微分时间常数。 将式展开,调节器输出函数可分成比例部分、积分部分和微分部分,它们分别是: 比例部分 比例部分的数学表达式是,p在比例部分中,Kp是比例系数,Kp越大,可以使系统的过渡过程越快,迅速消除
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