毕业设计论文基于AT89C51单片机实现对四相四拍步进电机的转速进行开环控制.doc
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1、 陕西理工学院毕业设计目录1 引言311选题背景意义312 研究内容42 步进电机概述52.1步进电机的分类52.2步进电机的工作原理及控制技术62.3 步进电机的主要技术指标82.3.1步进电机的基本参数82.3.2动态指标及术语82.4 步进电机的工作特点92.5 步进电机的控制方法93 系统硬件设计113.1 系统设计方案113.2 系统的组成和对应功能的简述113.2.1单片机简介113.2.2单片机中断143.2.3中断控制的专用寄存器143.2.4 中断响应过程173.3 单片机最小系统设计183.4控制电路的设计193.5驱动电路设计193.6数码管显示电路203.6.1数码管显
2、示方式203.6.2 LED数码管214系统软件设计及调试234.1 软件设计234.2仿真软件proteus特点254.3 ISIS智能原理图输入系统264.4 Proteus 6 Professional 界面简介264.5 操作简介275 调试285.1 Keil软件简介285.2 调试286 结束语32致谢33参考文献34英文翻译资料35中文翻译资料38附录A总体原理图41附录B系统软件程序421 引言11选题背景意义步进电机最早是在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
3、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。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中,我们很容易发现步进电机的踪迹,尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。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
4、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
5、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。步进电机已成为除直流电机和交流电机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置,在人类的生活和生产进入电气化过程中起这关机的作用。可是在人类社会进入电气化时代的今天,传统电动机已不能满足工业自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。发展了一系列新的具有控制功能的电动机系统,其中较有自己的特点,且应用十分广泛的就是步进电机。步进电机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电机在计算机外围设备上取代小型电动机以后,使其设备的性能提高,很快的促进了步进电机的发展。另一方面,微型计算机和数字控制技术的发展,又将作为数控系统执行
6、部件的步进电机推广应用到其他领域,比如电加工机床,小功率机械加工机床,测量仪器,光学和医学仪器以及包装机械等。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开怀控制元件。在非超载的情况稀奇啊,点击的转速,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,即给一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一现行关系的存在加上步进电机只有周期性的误差而无积累误差等特点,使得在速度,位置等控制领域用步进电机控制变得非常简单。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
7、来改变脉冲的频率,延时的长短来具体控制步距角从而改变电机的转速,实现步进电机的调速。在本设计方案中采用AT89C51型单片机内部的定时器改变CP脉冲的频率从而实现对步进电机的转速控制,实现电机调速与正反转的功能。本课题通过单片机对步进电机的转速进行精确控制,满足了现代化工业对步进电机的高要求。12 研究内容在一般的步进电机工作中,其电源均采用单极性直流电,通过对步进电机的各项绕组按恰当的时序方式通电,就可使其执行步进转动。当某一相绕组通电时响应的两个磁极就分别形成绕组通电时的两个磁极就分别形成极产生磁场,并与转子形成磁路。在磁场的作用下,转子将转动一定的角度,使转子齿与定子齿对齐,从而使步进电
8、机向前走一步。转子的角位移大小及输入的脉冲数与频率成正比,并在时间上与输入的脉冲同步。只要能真确的控制输入的电脉冲,频率以及惦记各相绕组通电相序,即可得到所需要的转角,转速及转向,通过单片机很容易实现对步进电机的转速进行控制。本设计采用AT89C51单片机实现对四相四拍步进电机的转速进行开环控制,由单片机产生的脉冲信号经过ULN2083芯片进行驱动,在该步进电机的控制中,电机可以实现正反转,可以加速,减速,其中电机的转速分为七个级别。在显示电路中用单片机的P0口和P2口分别显示电机的正反转和电极的转速级别。2 步进电机概述2.1步进电机的分类步进电机分为三大类:(1)反应式步进电机(VAriA
9、Ble ReluCtAnCe,简称 VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的,转子中没有绕组。它的结构简单,成本距角可以做得很小,但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种。(2)永磁式步进电机(PermAnent MAgnet),简称 PM永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的,转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同,所以一般步进角比较大,它输出转矩大,动态性能好,消耗功率小(相比反应式),但启动运行频率较低,还需要正负脉冲供电。(3)混合式步进电机(HyBrid,简称 HB) 混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比,结构上转子加有永磁体
10、,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的,后来发现如果各相绕组通以脉冲电流,这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单,因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。2.2步进电机的工作原理及控制技术步进电机是一种将点脉冲信号转换为角位移或线位移的执行元件,步进电机的输入是脉冲序列,输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常情况下,它每转一周具有
11、固定的步数;做连续运动时,其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电机能直接接受数字量的控制,所以特别适宜采用微机进行控制。步进电机是一种用电脉冲进行控制 ,将电脉冲信号转换成相位移的电机 ,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比 ,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度 ,脉冲的频率决定了电机运转的速度.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(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的
12、目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机不能直接接到交直流电源上,而必须使用专业设备步进电机控制驱动器,控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号,它为环形分配器提供脉冲序列,环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后,经过功率放大器的放大加到步进电机的各相输入端,以驱动步进电机的转动,环形分配器主要有两大类:一类是用计算机软件设计的方法实行环形分配器的功能,通常称为软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器,通常称为硬件环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大,以达到驱动步进电机的
13、目的,步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。具体控制如下:(1) 换相顺序的控制通电换相这一过程称为脉冲分配。例如,三相步进电机在单三拍的工作方式下,其各相通电顺序为A-B-C-A,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C相的通段。三相双三拍通电顺序为AB-BC-CA-AB,三相六拍的通电顺序为A-AB-B-C-CA-A.(2)步进电机的换向控制如果给定工作方式正序换相通电,步进电机的励磁方式为三相六拍,即AABBBCCCAA。如果按照反相通电换相,即A-AC-C-CB-B-BA-A。则电机就反转。其他方式情况类似。总之步进电机的通电顺序决定了电机的方向控制。(3)步进电
14、机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它就再转一步,两个脉冲的间隔越短,步进电机的转速就越快。调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进行的调速。(4)步进电机的起停控制步进电机由于其电气特性,运转是会有步进感。为了使电机转动平滑,可以减小步进电机的步进角,跳过电机运行的平稳性。在步进电机的停转是,为了防止因惯性我而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使得步进电机的转轴不能自由转动。(5)步进电机的加减速控制在步进电机的控制系统中,通电实验发现,如果信号变化太快,步进电机由于惯性跟不上电信号的变化,这时就会产生堵转和失
15、步现象。所有步进电机的启动时,必须有加速过程,在停止时波形有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线,步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆程。选定的曲线比较符合步进电机升降速的运行规律,能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性好,缩短了升降速的时间,并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中,要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高频率称为“ 启动频率”,于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。点击的启动频率,停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些数据,才能有效地对电机进行加减速控制,加
16、速过程有突然施加的脉冲频率f0.步进电机的最高启动频率(突跳频率)一般为0.1KHz到34KHz,而最高运行频率则可以达到N*102KHz,以超过最高启动频率的频率直接启动,会产生堵转和失步的现象。 一般的应用中,经过大量的实践和反复验证,频率如直接按直线上升或下降,控制效果就可以满足常规的应用要求。用PLC实现步进电机的加减速控制,实践上就是控制发脉冲的频率。加速时,使脉冲频率增高,减速时相反。如果使用定时器来控制点击的速度,加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。速度从V1V2变化,如果是线性增加,则按给定的斜率加减速:如果是突变,则按阶梯加速处理。在此过程中要处理好两个问题:一个是速度转
17、换时间应尽量短。为了缩短速度转换的时间,可以采用建立数据表的方法。结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率,就可以建立一个连续的数据表,通过在不同的阶段调用相应的定时初值,就可以控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的,并不占用中断时间,保证电机的高速运行。另一个是保证控制速度的精确性。要从一个速度准确达到另一个速度,就要建立一个校验机制,以防超过或者达到所需速度。(6)步进电机的换向控制步进电机换向时,一定要在电机减速停止或降到突跳频率范围之内再换向,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束以及下一个方向的第一个脉冲前出发。对于脉冲的设计主要要求其有一
18、定的脉冲宽度,脉冲序列的均匀及高低电平方式。在某一高速下的正,反向切换实质包括了降速-换向-加速三个过程。2.3 步进电机的主要技术指标2.3.1步进电机的基本参数(1)空载启动频率即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。(2)电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8
19、(表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8),这个步距角可以称之为电机 固有步距角, 它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。(3)步进电机的相数是指电机内部的线圈组数,目前常用的有两相,三相,四相,五相步进电机。电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器,则相数将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。(4)保持转矩(HOLDINGTORQUE):是指步进电机通电但没有转动
20、时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力 矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。2.3.2动态指标及术语(1)步距角精度: 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分表示:误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同, 四拍运行时应在5%之内,八拍运行时应在15%以内。(2)失步:电机运转是运转的步数,不等于理论上的步数,称为失步。(3)失调角:转子齿轴
21、线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的。 (4)最大空载起动频率: 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的最大频率。(5)最大空载的运行频率:电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率。 (6)运行矩频特性:电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据。(7)电机的共振点:步进电机均有固定的共振区域,二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角为
22、0.9度),电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多。其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定,电机的静力矩确定而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态流)平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬。2.4 步进电机的工作特点(1)一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。(2)步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材
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