单片机课程设计步进电机控制系统设计.doc
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1、单片机系统课 程 设 计成绩评定表设计课题 : 步进电机控制系统设计 学院名称 : 电气工程学院 专业班级 : 学生姓名 : 学 号 : 指导教师 : 设计地点 : 设计时间 : 指导教师意见:成绩: 签名: 年 月 日单片机系统课 程 设 计课程设计名称: 步进电机控制系统设计 专 业 班 级 : 学 生 姓 名 : 学 号 : 指 导 教 师 : 课程设计地点: 课程设计时间: 单片机系统 课程设计任务书学生姓名专业班级学号题 目课题性质工程设计课题来源选题指导教师 主要内容(参数)本设计应用单片机AT89C51和脉冲分配器PMM8713,步进电机驱动器,光电隔离器4N25等,构建了步进电
2、机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。通过AT89C51和脉冲分配器PMM8713完成步进电机的各种运行控制方式,实现步进电机在3相6拍的工作方式下的正反转控制和加减速控制。任务要求(进度)第1-2天:熟悉课程设计任务及要求,查阅技术资料,确定设计方案。第3-4天:按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图,元件及元件参数选择要有依据,各单元电路的设计要有详细论述。第5-6天:软件设计,编写程序。第7-8天:实验室调试。第9-10天:撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确,篇幅合理。主要参考资料1王迎旭.单片机原理及及应用.北京:机械工业出版社
3、2张迎新.单片微型计算机原理、及接口技术.北京国防工业出版社 3周向红.51系列单片机应用与实践教程.北京北京航天航空大学出版社4华成英,童诗白. 模拟电子技术基础M. 北京:高等教育出版社,20085张靖武,周灵彬.单片机系统的PROTEUS设计与仿真M. 北京:电子工业出版社,2007 审查意见系(教研室)主任签字: 年 月 日 1.引言41.1课题研究的目的和意义41.2国内外研究概况42.步进电机与驱动电路的介绍42.1步进电机的种类42.2步进电机的特点52.3步进电机的原理52.4步进电机的驱动62.4.1一般步进电机的驱动构成62.4.2驱动器特点72.4.3驱动类型82.4.3
4、.1单电压驱动82.4.3.2双电压驱动83. 单片机的介绍103.1单片机简介103.2单片机的特点113.3 单片机的内部结构113.3.1 CPU123.3.2 存储器123.3.3 I/O口123.3.4总线124.总体设计方案134.1硬件电路设计144.1.1复位电路设计144.1.2报警电路设计154.1.3键盘接口设计154.1.4显示电路设计154.1.5驱动电路设计164.2 系统软件设计164.2.1系统软件主流程图174.2.2系统初始化流程图174.2.3步进电机转动序流程程图185.调试总结195.1操作控制195.2心得体会20参考文献20附录A;原理图20附录B
5、;单片机源程序211.引言1.1课题研究的目的和意义 步进电机是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微电动机。它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速,快速启停、正反转控制及制动等。并且用其组成的开环系统既简单,廉价,又实用。因此在打印机等的办公自动化设备以及各种控制装备等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展,步进电动机的需求量与日俱增,研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。1.2国内外研究概况 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用,例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产,而且都在各行业使用,驱
6、动电路所有半导体器件都是完全国产化的,当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路,还有电合。 国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控,有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床,在驱动设备的主要差距,是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强,先进的控制理论作为软件,写在控制器内部。 在卫星、雷达等应用场合,中国在文化大革命后期,就生产了力矩电机,就生产了环形力矩电机,在高品质的控制场合,有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制,在改革开放初期,国内就已经基本掌握,这与交流电动机的矢量控制相比,难度要低得多。2.步进电机与驱动电路的介绍 2.1步进电机的种类 步进电机分永磁式(PM)、
7、反应式(VR)、和混合式(HB)三种。永磁式步进一般为两相,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。在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进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。2.2步进电机的特点(1)精度高 一般的步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速,快速起停、正反 转控制及制动等,这是步进电动机最突出的优点; (2)过载性好 其转速不受负载大小的
8、影响,不像普通电机,当负载加大时就会出现速度下降的情况,所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合; (3)控制方便 步进电机是以“步”为单位旋转的,数字特征比较明显,这样就给计算机控制带来了很大的方便,反过来,计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场; (4)整机结构简单 传统的机械速度和位置控制结构比较复杂,调整困难,使用步进电机后,使得整机的结构变得简单和紧凑。2.3步进电机的原理 图2.3是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿,每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式,是对称齿上的两个线圈进行反相连接,如图中所示。八个齿构成四对,所以称为四相步
9、进电机。图2.3 它的工作过程是这样的:当有一相绕组被激励时,磁通从正相齿,经过软铁芯的转子,并以最短的路径流向负相齿,而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短,在磁场力的作用下,转子被强迫移动,使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图2.3(A)中A相是被激励,转子上大箭头所指向的那个齿,与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励,如图2.3中的B,转子向反时针转过15。若是D相被激励,如图1.1中的(C,则转子为顺时针转过15。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性:ABCD或ADCB。一种为反时针转动;另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指
10、标之一,不同的应用场合,对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数),可以改变步长的大小。它们之间的相互关系,由下式计算:L360 PN 式中:L为步长;P为相数。2.4步进电机的驱动 2.4.1一般步进电机的驱动构成 步进电动机不像直流电动机、交流电动机一样,它不能直接接到交直流电源上工作,而必须使用专用设备步进电动机驱动器。步进电动机驱动器系统的性能,除与电动机木身的性能有关外,也在很大程度上取决于驱动器的优劣。因此,对步进电动机驱动器的研究几乎是对步进电动机的研究同步进行的。步进电动机驱动器的主要构成如图1.2所示,一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组
11、成,用于功率步进电动机的驱动器还需要有多种保护电路。 图2.4.1步进电机驱动器构成 环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲,并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个CP脉冲,环形分配器的输出转换一次。同时,环形分配器还必须接受控制器的方向信号,从而决定其输出的状态转换是按正序或者反序转换,决定了步进电动机的转向。因此,步进电动机转速的高低、升速或降速、起动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率的高低。 信号放大与处理的作用是将环分输出信号加以放大,变成足够大的信号送入推动级。 信号处理是实现某些转换、合成等功能,产生斩波、抑制等特殊功能的信号,从而产生特殊功能
12、的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组合在一起,形成较高性能的驱动输出。 推动级的作用是将较小的信号加以放大,变成足以推动驱动级的较大的信号。有时推动级还承担电平转换的作用。 保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。 2.4.2驱动器特点 1.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,而步进电动机各相绕组都是脉冲式供电,所以绕组电流不是连续的。 2.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。绕组通电时电流上升率受到限制,因此影响电动机绕组电流的大小。 3.绕组断点时,电感中磁场的储能将维持绕组中已有的
13、电流不能突变,结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快截止,必须设计适当的续流回落。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。 4.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。驱动级线路,既要保证绕组有足够的电流电压及正确的波形,同时要保证功率放大器件的安全运行,另外,还应有较高的效率、较小的功耗、较低的成本。这就必须要设计合理的线路,选用合适的功率器件。 驱动级的功率放大器件有中功率晶体管
14、、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅、可关断可控硅、场效应功率管、双极型晶体管与场效应功率管的复合管以及各种功率模块等。 目前步进电机常用的驱动方式有单电压驱动(包括单电压串电阻驱动)、双电压驱动(包括高低压驱动)、斩波恒流驱动和细分驱动等。以下分别简单介绍前二种驱动方式的工作原理和优缺点。将在后面详细介绍细分驱动方式。 2.4.3驱动类型 2.4.3.1单电压驱动单电压驱动是指在电动机绕组工作过程中,只用一个方向电压对绕组供电。其原理图如图2.4.3.1所示,前面推动级输出信号In作用于三极管的基级,其集电极接电动机的一相绕组,绕组另一端直接与电源电压连接。因此,当三极管导通时,电源电
15、压全部作用在电动机绕组上。归结起来,单电压驱动器有如下特点:线路简单,成本低,低频时响应较好;有共振区,高频时,带载能力迅速下降。图2.4.3.1单电压驱动原理图 2.4.3.2双电压驱动 双电压驱动的基本思想是在较低频段用较低的电压驱动,而在高频段用较高电压驱动,原理线路见图2.4.3.2所示。电源直接接到由大功率管H T和二极管 L D组 成的电源转换开关上。当 H T关断时,低压电源 L U 通过 L D给电路提供驱动电压, 图2.4.3.2单电压串电阻驱动当 H T导通时,高压电源 H U 通过 H T给电路提供驱动电压, L D处于反向截止状态, 低压电源自动停止供电。图2.4.3.
16、2双电压驱动原理图 高低压驱动的原理线路如图2.4.3.3所示,初看起来,与双电压驱动电路似乎差别不大,但实际上工作过程截然不同。图中所示为每相的单元线路。主回路由高压管 H T、电动机绕组、低压管 L T串联而成。 H U 加高压, L U 加低电压,电动机 绕组回路不串电阻。当L I为高电平时,该相导通;当 L I为低电平时,该相截止。高压 管的输入信号H I是由L I信号的前沿信号获得的,H I前沿与 L I同步。但脉冲宽度 要比 L I小得多,高低压驱动可保证在很宽的频段内都能保证相绕组有较大的平均 电流,在截止时又能迅速释放,因此能产生较大的且较稳定的电磁转矩,因此驱动系统可得到较高
17、的响应。图2.4.3.3 高低压驱动原理图3. 单片机的介绍 3.1单片机简介 单片机是续计算机出现之后,并随着电器时代大到来,人们借助电气技术想实现了自动控制机械,自动生 产线甚至自动工厂,但依靠计算机去完成每一个自动的过程,反而有些复杂以及资源的乱费;所以用更方便,更微小,更智能的微型处理器来处理工业现场的测控领域,控制领域,有着重大意义;更何况目前,彩电,冰箱,空调,录像机,VCD,遥 控器,游戏机,电饭煲等无处不见单片机的影子,所以单片机将会更满足我们的生活,会更取代大型的计算机。 现在单片机主要按用途,大体上可分为两大类: 1-通用型单片机 2-专用型单片机。 专用型单片机是指用途比
18、较专一,出厂时程序已经一次性固化好, 不能再修该的单片机。例如电子表里的单片机就是其中的一种。 其生产成本很低。 通用型单片机的用途很广泛,使用不同的接口电路及编制不同的应 用程序就可完成不同的功能。小到家用电器仪器仪表,大到机器设 备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。现在单片机主要包括:中央处理器、存储器、特殊功能寄存器。 3.2单片机的特点单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer),简称单片计算机.就是将CPU,RAM,ROM,定时/计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机.其主要特点如下: 1.片内存储容量较小:原因是受集成度的限制.ROM一般小于8
19、KB,RAM一般小于256B,但可以在外部扩展.通常ROM,RAM可分别扩展至64KB. 2.可靠性高:因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机. 系统软件(如:程序指令,常数,表格)固化在ROM中,不易受病毒破坏. 许多信号的通道均在一个芯片内,故运作时系统稳定可靠. 3.便于扩展:片内具有计算机正常运行所必需的部件,片外有很多供扩展用的(总线,并行和串行的输入/输出)管脚,很容易组成一定规模的计算机应用系统. 4.控制功能强: 具有丰富的控制指令:如:条件分支转移指令,I/O口的逻辑操作指令,位处理指令。 5.实用性好:体积小,功耗低,价格便宜,易于产品化.3.3 单片
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