基于单片机的步进电机调速系统毕业设计说明.docx
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基于单片机的步进电机调速系统毕业设计说明
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:
电气工程与其自动化11级
姓名:
董煜明
学号:
111220102
指导教师:
南亚明助教
2015年4月28日
原创性声明
本人重声明:
本人所呈交的毕业论文,是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。
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除文中已经注明引用的容外,不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。
对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
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论文作者签名:
日期:
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如果发表相关成果,一定征得指导教师同意,且第一署位为学院。
本人离校后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时,第一署位仍然为学院。
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与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
1绪论
1.1学术背景与研究意义
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,以与综合了反应式、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,以与利用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,以与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研究意义与研究目的
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,以与正转反转。
1.2论文容安排
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与研究意义研究目的。
以与目前国外的研究概况,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与工作原理工作方式,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。
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):
/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3-3AT