基于单片机的步进电机调速系统毕业设计.doc
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基于单片机的步进电机调速系统毕业设计.doc
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平顶山学院本科毕业论文(设计)基于单片机的步进电机调速系统设计董煜明
平顶山学院本科毕业论文(设计) 基于单片机的步进电机调速系统设计 董煜明
1
PINGDINGSHANUNIVERSITY
毕业设计
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PINGDINGSHANUNIVERSITY
毕业设计
基于单片机的
题目:
步进电机调速系统设计
院(系):
电气信息工程学院
专业年级:
电气工程及其自动化11级
姓名:
学号:
指导教师:
助教
2015年4月28日
原创性声明
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论文作者签名:
日期:
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论文作者签名:
日期:
指导老师签名:
日期:
基于单片机的步进电机调速系统设计
摘要
步进电机是一种数字控制电机,本设计是使用单片机对步进电机调速设计,采用了AT89C51型单片机,并设计了相应的时钟电路,驱动电路等。
实现了步进电机的速度调整以及正转反转的设计目标。
利用单片机对步进电机进行调速设计,具有成本低,性价比高,系统相对简单等优点。
关键词:
步进电机,单片机,调速系统
Steppermotor speedcontrolsystemdesign basedon MCU step
ABSTRACT
Steppingmotorisakindofdigitalcontrolofthemotor,theelectricpulsesignalintoangulardisplacementorlineardisplacement,comparedwithothertypesofmotors,steppermotorwithoutaccumulatederrorandeasytoopenloopcontrol.Thesteppermotorspeedcontrolusingsinglechipcomputer,whichhastheadvantagesoflowcost,highperformancepriceratio,hastheadvantagesofrelativelysimplesystemetc..ThisdesignusestheAT89C51microcontrollertocontrolthesteppermotor,canadjustthespeedofthesteppermotorandthedesigngoalistoreverse.
Keywords:
steppermotor,microcontrollers,speedcontrolsystem
目录
1绪论 1
1.1学术背景及研究意义 1
1.1.1步进电机的基本类型 1
1.1.2步进电机现有控制办法 1
1.1.3当前步进电机控制系统的缺点与未来发展趋势 1
1.1.4国内外研究概况 2
1.1.4研究意义及研究目的 2
1.1.5研究内容 2
1.2论文内容安排 3
2步进电机概述 4
2.1步进电机的特点 4
2.2步进电机的工作原理 4
2.3步进电机的工作方式 4
2.4三相步进电机 5
2.5步进电机技术参数 6
3硬件电路设计 7
3.1系统结构图 7
3.2电路原理图 7
3.3AT89C51型单片机 8
3.4时钟电路 9
3.5显示电路 10
3.6驱动电路 11
4控制系统软件设计 13
4.1步进电机调速概述 13
4.2主程序设计 14
4.4键盘程序设计 14
4.5Proteus仿真 15
5结束语 19
参考文献 20
致谢 21
1绪论
1.1学术背景及研究意义
1.1.1步进电机的基本类型
步进电机在励磁方式上进行分类的话,大致可以分为三类,分别是定子上有绕组、的反应式步进电机,转子用永磁材料制成的永磁式步进电机,以及综合了反应式、永磁式优点的混合式步进电机。
在这三者当中,反应式的步进电机是最简单的,成本低廉是它突出的优势。
但是缺点也很明显,性能一般,可靠性较差。
永磁式步进电机的动态性能好,这是它最主要的优点。
但缺点是精度较差。
混合式步进电机由于综合了反应式和永磁式的优点,所以不但动态性能好而且运行起来也十分稳定,但由于电机结构相对复杂,所以混合式电机的成本较高,造价不菲。
以定子绕组分类,步进电机则能够分为:
二相,三相,四相和五相步进电机。
1.1.2步进电机现有控制办法
现在步进电机有多种控制方法,最为常用的大致有基于单片机控制步进电机、利用plc控制步进电机,以及利用VC++控制步进电机。
其中,利用单片机对步进电机进行调速,具有相对简单,操作方便,性能可靠并且成本低廉的优点,相比于传统的步进电机控制器具有更好的性能。
通过对基于单片机步进电机调速系统的研究,有助于把单片机技术、步进电机技术有机的结合在一起,对于学习实践有着重大的帮助。
1.1.3当前步进电机控制系统的缺点与未来发展趋势
步进电机已经有了近70年的发展,与之前对比,在技术已经获得飞跃式的前进,但依然存在很多不足之处,例如:
步进电机如果使用开环应用系统,会存在一定的失步、震荡、难以满载运行等问题。
而闭环控制方法则难以阻止电机实际运行中的非线性问题,难以实现精确控制。
目前来看,混合式步进电机是发展潜力最好的步进电机,混合式步进电机的发展方向大致有以下几点:
1、向小型化发展2、变圆形电机为方形电机3、综合设计步进电机使之成为一个整体4、向三相、五相电动机发展。
1.1.4国内外研究概况
步进电机的历史可以追溯到1920年的英国,近年来,随着科学技术的不断进步,发达国家普遍采用了性能较好的混合式步进电机。
目前来讲,世界上最大的步进电机生产国当属日本。
我国与发达国家相比,在这方面还存在一定的差距。
我国的步进电机研究始于1958年,最开始只有少数高校对此进行研究,后来,随着技术的发展,以及数字控制机床技术的需要,对于步进电机的研究才逐渐为人们所重视。
目前,由于步进电机的理论已经趋于完善,因此其发展已经较为缓和。
1.1.4研究意义及研究目的
步进电机的应用广泛,尤其在数字控制中地位尤为重要。
用步进电机组成的开环系统相对简单,组装价格也颇为廉价,因此性价比高,随着科学技术的发展,对步进电机的需求必将与日俱增,因此研究基于单片机的步进电机调速设计具有很重大的现实意义。
同时进行本项毕业设计,也有助于把大学中学习过的《电机学》、《单片机原理与应用》中的相关知识有机的结合在一起,通过实践加深对知识的理解,熟悉单片机的原理,了解步进电机的相关结构,
1.1.5研究内容
本设计主要研究基于单片机的步进电机调速设计,设计采用了AT89C51型单片机,并以此为基础,研究相应的驱动电路,时钟电路,最终实现控制步进电机自由的加速减速,以及正转反转。
1.2论文内容安排
本论文具体安排如下:
第一章为绪论,初步交代本论文的学术背景及研究意义研究目的。
以及目前国内外的研究概况,未来研究的发展方向。
第二章为步进电机概述,对步进电机进行简要的分析,介绍步进电机的特点及工作原理工作方式,并对步进电机的基本参数进行说明。
第三章为硬件部分设计,其次对主要元器件进行了选择和介绍,并对时钟电路、显示屏、驱动电路进行了研究。
第四章为软件部分设计,介绍了主程序、显示程序、键盘程序等部分。
并对仿真验证的结果进行测试。
第五章为结束语,对本设计进行了最后的总结,
2步进电机概述
2.1步进电机的特点
步进电机是一种直流电动机,步进电机相对普通电机来说,步进电机是可以实现开环控制的,而且不需要反馈信号。
步进电机的缺点是不适合使用在长时间同方向运转的情况,容易烧坏产品,通常使用时都是短距离频繁动作较佳。
步进电机具有以下这些特点:
(1)使用数字信号进行开环控制,系统简单而又价格低廉
(2)性价比高,可靠性好;
(3)响应性优良,对于正转反转减速的反应都很好:
(4)停止时,可有自锁功能:
(5)不能使用普通交流电源直接驱动
2.2步进电机的工作原理
步进电机能将电脉冲信号转换成相位移或角位移,当步进电机接收到一个电脉冲信号的时候,它就会转动一个固定的角度(称之为“步距角”)步进电机的转动的特点之一就是按照固定角度一步步运行的,因此可以通过控制电脉冲的信号量,来使步进电机转过固定的角度。
而控制脉冲的频率,则能够使步进电机加速或减速,从而对步进电机进行调速。
2.3步进电机的工作方式
(1)单三拍的通电顺序为ABC
(2)双三拍的通电顺序为ABBCCA
(3)六拍的通电顺序为AABBBCCCA
这三种方式存在一定的差别,具体如下表所示:
表2-1步进电机工作方式的比较
工作方式
单三拍
双三拍
六拍
步进周期
T
T
T
每相通电时间
T
2T
3T
走齿周期
3T
3T
6T
相电流
小
较大
最大
高频性能
差
较好
较好
转矩
小
中
大
电磁阻尼
小
较大
较大
振荡
容易
较容易
不容易
功耗
小
大
中
由上表可以得出结论,六拍的工作方式最好,双三拍的较为一般,单三拍的最差。
2.4三相步进电机
本设计中,采用了三相步进电机进行研究,其结构图如下所示:
A相通电B相通电C相通电
图2-2三相式步进电机
三相式步进电机的定子绕组被分为三相,如果以ABC的方式通电,步进电机就会进行正转,如果以CBA的方式通电,则会进行反转。
2.5步进电机技术参数
步进电机的基本参数可以分为以下几项:
(1)步距角:
指控制系统发出一个脉冲信号后,步进电机转动的角度,
(2)步距角精度:
指步进电机实际运行时的步距角与理论值的误差,可以表示为误差/步距角*100%。
(3)失步:
电机实际运转时的步数,与理论值不同,称之为失步。
(4)最大空载起动频率:
指步进电机在不加负载的情况下,就能直接启动的最大的频率。
(5)最大空载的运行频率:
指电机不带负载的情况下,最高的转速频率。
3硬件电路设计
3.1系统结构图
控制系统的硬件电路主要由AT89C51单片机,按键控制电路,显示屏,时钟电路,步进电机驱动电路,步进电机,这几部分组成。
具体结构如图3-1所示。
步进
电机
驱动电路
显示屏
AT89C51
按键控制电路
时钟电路
图3-1系统结构图
3.2电路原理图
根据系统结构图,本人设计了基于单片机控制步进电机的电路原理图,用以控制步进电机的正转反转和加速减速四种调速方案。
具体原理如图3-2所示。
图3-2系统电路原理图
3.3AT89C51型单片机
本次设计选用的是89C51作为步进电机的控制芯片.AT89C51是一种低功耗,高性能,适用于实时处理,实时控制的单片机。
其主要特点有:
(2)能与MCS-51兼容,且具有MCS-51型单片机的功能
(3)集成了4KB的FLASHROM,可满足大部分系统的要求
(4)具有256个字节的RAM和3个16位定时器,能够满足设计中时钟电路的需要
(5)正常工作范围为0~24MHz
综合以上优点,本设计选取了AT89C51型单片机。
单片机的引脚功能设置如下:
1.VCC(40):
电源+5V。
2.VSS(20):
接地,也就是GND。
3.XTAL1(19)和XTAL2(18):
振荡电路。
4.PSEN(29):
片外ROM选通信号。
5.PROG/ALE(30):
EPROM编程脉冲输入端/地址锁存信号输出端。
6.RST(9):
复位信号输入端。
7.EA/VPP(31):
内/外部ROM选择端
8.P0口(39-32):
双向I/O口。
9.P1口(1-8):
准双向通用I/0口.
引脚图如下图所示:
图3-3AT89C51的引脚图
3.4时钟电路
本设计中,为了保证系统各部分同步工作,可以用时钟电路产生的时钟信号来实现,其电路图如下所示,XTAL1,XTAL2为单片机的两个外接引脚。
图3-4时钟电路
3.5显示电路
显示屏LCD与单片机的P1.0-p1.7以及p2.0-p2.2引脚相互连接,用于显示步进电机正转反转的方向,以及转速情况。
具体显示电路如下图所示:
图3-5显示电路
3.6驱动电路
由于单片机本身产生的脉冲信号太小,不足以驱动本设计中的步进电机,因此需要在单片机和步进电机之间添加驱动电路,本设计中,采用了使用L297,L298的经典设计,其设计相对简单,工作性能也较为稳定。
驱动电路具体连线如下图所示:
图3-6驱动电路连线示意图
4控制系统软件设计
4.1步进电机调速概述
软件主要功能是使单片机能根据按下的按钮,实现对步进电机的加减速控制,使控制系统尽快的完成预设的目标,其具体功能如下:
按下正转按键时,步进电机能够顺畅的进行正转运转;按下反转按键时,步进电机能够顺畅的进行反转运转;按下加速按键时,步进电机立即加速运行,按下减速按钮时,步进电机立即减速运转。
如果直接将启动速率调的过大,会由于启动频率大于极限启动频率而造成失步现象。
而如果速度过小,则工作效率太低,因此步进电机的调速过程可以大致用图4-1表示。
从A运行到D,步进电机需要经过加速、恒速、减速阶段。
N恒速
加速减速
升频控制降频控制
ABCD
L
图4-1 步进电机调速过程图
4.2主程序设计
根据前面设计的电路原理图,可以对软件的程序流程图进行设计:
开始
初始化
键盘扫描程序
有按钮按下?
Y否
是
键处理程序
显示程序
图4-2主程序流程图
4.4键盘程序设计
键盘的控制方式大致可以分为程控扫描法、定时扫描法和中断扫描法,本设计采用的是程序扫描法编程。
先判断是否有键按下,没有按键按下就执行其他程序,有键按下就返回键值,并送键值到按键处理函数,最后根据键值执行相应的功能,本设计中总共设计了4个控制按键,分别对步进电机的加速减速,正转反转进行控制。
由单片机的P3.2-p3.5口输入。
4.5Proteus仿真
由于Proteus软件的优良性能,常常用来检验设计是否能够准确正常的运行
对设计开始进行仿真以后,运行情况如下图所示:
图4-3Proteus仿真图
(1)
由图可知,此时步进电机处于正转状态(CW),速度为120转每分钟。
此时,按下加速按钮,运行变为如下情况:
图4-4Proteus仿真图
(2)
从显示屏中可以看到,步进电机速度提升到了125转每分钟,且步进电机依旧处于正转状态(CW),故本设计成功的实现了用单片机控制步进电机加速。
现在,再按下减速按钮:
图4-5Proteus仿真图(3)
从显示屏中可以看到,步进电机速度下降到了120转每分钟,且步进电机依旧处于正转状态(CW),故本设计成功的实现了用单片机控制步进电机减速。
此时按下反转按钮,仿真情况如下图所示:
图4-6Proteus仿真图(4)
从图中可以看到,步进电机的速度没有变化,但是步进电机已经从正转(CW)变为了反转状态(CCW)。
故本设计成功的实现了用单片机控制步进电机反转。
最后,按下正转按钮,情况如下图所示:
图4-7Proteus仿真图(5)
从图中可以看到,步进电机的速度没有变化,但是步进电机从反转(CCW)变为了正转状态(CW)。
故本设计成功的实现了用单片机控制步进电机正转。
结果证明,通过Proteus的仿真,软件实现了预期的效果,达成了用单片机控制步进电机正转、反转、加速、减速的预期目标。
5结束语
通过本人几个月以来的努力,以及老师的监督指导,终于完成了基于AT89C51单片机的步进电机调速系统设计的软硬件设计与研究。
本次毕业设计中,把大学中学习过的《电机学》、《单片机原理与应用》中的相关知识有机的结合在了一起,通过实践加深对知识的理解,熟悉单片机的原理,了解步进电机的相关结构,在系统设计的过程中。
我做了如下几点工作:
1、查阅相关资料。
根据课题,通过在图书馆查阅相关资料,在期刊网站查看相关资讯,有针对性的学习相关知识,并进行深化理解和研究。
2、根据设计的要求,对控制系统的总体设计方案进行了研究。
最终实现了以AT89C51型单片机为控制核心,并依靠与之相应的时钟电路、显示电路、驱动电路等,驱动了步进电机的正常运行。
3、根据设计要求设计了相应的软件,其中有包含主程序设计、键盘程序设计、调速程序设计等内容。
最后使用Proteus建立仿真模型,进行仿真验证得出设计结果。
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致谢
论文的顺利完成,首先我要感谢我的指导老师南亚明老师以及周围同学朋友的帮助,感谢他们提出宝贵的意见和建议,尤其是南老师,他以丰富的阅历和严谨的治学态度在繁忙的工作期间,指导我的论文写作,在毕业设计过程中不断地帮助我进一步完善设计方案,在
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