电机调速控制系统毕业设计.docx
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电机调速控制系统毕业设计
毕业论文（设计）
论文题目：
电机调速控制系统设计
学生姓名：
XXX
学号：
XXXXXXXXXX
所在院系：
电气信息工程学院
专业名称：
自动化
届次：
XXXX
指导教师：
XX
淮南师范学院本科毕业论文（设计）
诚信承诺书
1.本人郑重承诺：
所呈交的毕业论文（设计），题目《
》是本人在指导教师指导下独立完成的，没有弄虚作假，没有抄袭、剽窃别人的内容；
2.毕业论文（设计）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已注释说明来源；
3.毕业论文（设计）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况；
4.本人已被告知并清楚：
学院对毕业论文（设计）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业论文（设计）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果；
5.若在省教育厅、学院组织的毕业论文（设计）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学院按有关规定给予的处理，并承担相应责任。
学生（签名）：
日期：
年月日
电机调速控制系统设计
学生：
XXX（指导老师：
XX）
（淮南师范学院电气信息工程学院）
摘要：
步进电机特点是易于开环精确控制，没有积累误差（精度为100%），所以广泛应用于各种开环控制。
本文首先对步进机进行了分析研究，然后提出了基于单片机的步进电机调速控制系统设计。
通过单片机、液晶显示器、按键、电动机驱动器等构成硬件电路，实现了电动机的正转、反转、加速、减速，同时液晶显示器显示实时速度，通过EEPROM保存实时速度，掉电不丢失。
本设计具有较低的CUP占用率，效率高；避免了失步、振荡等对控制精度影响等优点。
关键词：
单片机AT89C51；液晶显示器；步进电机；电机调速控制
Motorspeedcontrolsystemdesign
Student:
XXXXXX（Instructor:
XXXXX）
（DepartmentofElectricalandInformationEngineering,HuainanNormalUniversity）
Abstract:
Steppermotorcharacteristiciseasytoopenloopcontrolprecision,noaccumulatederror（accuracyof100%）,sowidelyusedinallkindsofopenloopcontrol.Thispaperfirstanalysesthesteppermachineresearch,thenputsforwardthestepmotorspeedcontrolsystemdesignbasedonMCU.Throughthesingle-chipmicrocomputer,liquidcrystaldisplay,buttons,motordrives,etchardwarecircuit,hasrealizedthemotorforward,reverse,acceleration,deceleration,liquidcrystaldisplayshowsreal-timespeedatthesametime,theblockbyEEPROMsavereal-timespeed,nolosewhenpowersupplyoff.ThisdesignhaslowCPUoccupancyrate,highefficiency;Avoidout-of-stepandoscillationinfluenceoncontrolprecision,etc.
Keywords:
SinglechipmicrocomputerAT89C51is;Liquidcrystaldisplay;Steppermotor;Motorspeedcontrol
前言
步进电机一般称为脉冲电机或者阶跃电机，国外一般称为Steppingmotor、Stepperservo或motorPulse，其应用开发有大约80年的历史。
步进电机是一种将电脉冲信号变成线性位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数也成正比。
步进电动机是由定子和转子组成的结构，可以对旋转角度及旋转速度进行精确的操作。
当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一个磁场向量，向量场将驱动转子旋转一个角度，使转子的一对磁极磁场方向相对于定子磁场方向的旋转一个角度。
因此，控制电动机转子实际上是通过一定的规律控制的定子绕组的电流，产生一个旋转磁场。
每一个脉冲电压，转子就转动一个角度，称为一步，角度称为步距角。
根据电压脉冲的分配方式，对步进电机各相绕组轮流通电，当供应连续脉冲，就能实现连续转动，这样电动机旋转。
步进电动机转动一周的步数相同，处于不丢步的运行状态，则其步距误差不会长期积累。
在非超载的情况下，电动机转速、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，而且步进电机只有周期性的误差不累积误差，精度高，步进电机可以在宽频率范围内通过改变脉冲频率来实现快速起停、调速、正反转动控制等，这是步进电机最大的优点。
由于步进电机具有突出的优势，因此已成为机电一体化的一个关键的产品，广泛应用于各种自动化控制系统，随着微电子学和计算机技术快速发展，提高步进电机的成为当前最迫切的需求，以适用于各个国民经济。
比如被广泛应用于数控系统。
现在世界各国都在发展数控技术，数控系统在我国已经取得了很大的发展，发达国家已经能够适合我国发展的数控机床的所有类型的数控系统。
虽然与发达国家相比，中国的整体发展水平的数控技术还相对较低，但已经占据了非常重要的地位，在我国，发挥了巨大的作用。
除了广泛应用于数控系统，近年来由于微型计算机的迅速发展，为步进电机带来了革命性的变化。
优势明显的步进电机被广泛用于许多电子计算机外部设备，如打印机，纸胶带运输机构、卡片阅读器、驱动轮传动、卡片阅读器和内存访问机制等等，步进电机是在军事装备、阀门控制、通信和雷达设备摄像系统、电子时钟、光电组合装置、数控机床、医疗设备和自动绘图机、数字控制系统、机床控制、程序控制系统，和许多航天工业已应用于该系统。
因此，对于步进电机控制研究也尤为重要。
为了提高步进电机的控制性能，对于步进电机的研究处于炙手可热的状态。
1980年代以来，由于微机以强大的功能出现，步进电机控制变得更加灵活。
原步进电机控制系统使用分立元件控制电路，或者集成电路，安装调试复杂，不仅消耗大量的组件，而且一旦定型后，改变控制程序必须重新设计电路，并不利于升级系统改进。
基于微型单片微机控制系统是通过软件来控制步进电机，步进电机可以更好的发挥潜力。
因此微型单片机控制步进电机，已成为一种必然的趋势，也符合数字化的时代要求的发展。
也为了满足的部分地区的高精度定位和运行平稳性的要求，出现了步进电机细分驱动技术，包括基于单片机的斩波恒流驱动、振荡器、环形分配器控制细分驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见的传动方式，除了上述三种步进电机驱动方案，覆盖的传动方案，根据装配或C语言软件开发，通过串行或并行通行的方式实现PC和电动机控制器之间的数据通信，最终由电脑直接实现步进电机的控制方法。
在某些应用程序中，不需要高精度的控制，但需要满足一般的工作要求，要尽量使控制系统满足：
该系统硬件结构简单，成本低，功能相对完整，适应能力强；电动机各种运行状态指示器一目了然，操作方便，系统具有抗干扰能力强、可靠性高的要求。
本文是使用这个设计的思路。
一般步进电机控制器的硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，但价格较贵，功能较为单一，并且设计要求的改变，必须改变硬件电路，比较麻烦。
采用单片机控制的硬件和软件的组合，利用其强大的可编程和计算功能，充分利用单片机的资源，可以灵活控制步进电机，实现不同的模式、步距、换向和速度控制，如果需要变更控制要求，一般只需要更改软件能够适应新环境。
在这种设计中，采用动态扫描显示电路，键盘电路有机结合，就能达到一定的人机交换，抗干扰，为了提高可靠性，具有一定的应用价值[1]。
1绪论
1.1课题研究目的和意义
步进电机是用电脉冲信号进行控制的，可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、启停、正反转、加速减速控制等，具有效率高，抗干扰能力强等优点。
并且其组成的开环系统简单、廉价、易于控制，因此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，研究步进电机控制系统具有十分重要的意义。
本课题的研究目的之一就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性强，可靠性高的步进调速控制系统[2]。
1.2课题研究的内容
在步进电机的正常工作中，采用单极性直流电源，通过对步进电机的每相绕组按适当的时间序列方法的通电，它能使其执行步进旋转。
当一相绕组通电时相应的两个磁极就分别对应形成N-S磁场，并与转子形成磁路。
在磁场作用下，转子就会旋转一个角度，使转子齿与定子齿对齐，因此步进电机又向前进了一步。
转子的角位移的大小和速度与输入的电脉冲和频率是成正比的，并且时间上与输入的脉冲同步。
只要能正确控制输入的电脉冲的数量，频率和电机各相绕组通电的顺序，即可得到想要的转角，转速和旋转方向，通过单片机容易实现步进电机的数字控制。
本设计采用单片机AT89C51的三相步进电机速度控制。
由单片机产生的脉冲信号通过脉冲分配器后分解出相应的六相脉冲,分解后的六相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。
在通过控制脉冲频率的实现步进电机的加速和减速，通过液晶显示器显示实时速度，再通过单片机实现正反转。
2步进电机的概述
2.1步进电机的分类
步进电机有许多不同种类，从广义上讲，步进电机类型可分为机械型、电磁型、结合型这三种类型。
根据结构特点，电磁型步进电机可分为反应型（VR）、永磁型（PM）和混合型（HB）三类；按相数可以分为单相、两相和多相三种。
目前最受青睐的为反应式和混合式步进电动机[3]。
（1）反应步进电机（以下简称VR）活性步进电机转子是由软磁性材料，且转子没有绕组。
它具有结构简单、成本低、步进角非常小，但是动态性能比较差。
反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。
（2）永磁步进电动机（以下简称PM）永磁步进电动机的转子为永磁材料，转子本身就是一个磁源。
转子磁极和定子磁极是相同的，所以一般步距角比较大。
其输出转矩大、动态性能好、能耗小，但开始运行的频率比较低，且正负脉冲为必要的供电电源。
（3）混合式步进电动机（以下简称HB）混合式步进电动机的具有反应式和永磁式步进电机俩个的有点。
混合式与传统的反应式步进电机相比，转子是永磁结构，提供一个软磁性材料的工作点，而只提供给定子磁场变化的磁场不用提供磁性材料工作点的能量耗散，因此电动机效率高，电流小，发热低。
由于永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其阻尼效果更好，让它在运行的过程中更顺畅，低噪声，低频率振动很小。
这个电动机最初是一种低速传动与设计交流同步机，后来发现如果每相绕组连接脉冲电流，电机可以做步进增量运动。
由于开环运行和控制系统比较简单，所以电动机广泛应用于工业领域。
由于本设计的设计更加注重整个系统的有机结合，所以只使用反应式步进电机。
2.2常见的步进电机控制方案
1、基于电子电路的控制
步进电机通过电脉冲信号控制，电脉冲的分配、放大、产生都有有电子器件的实现的。
由于脉冲控制信号驱动能力通常是非常微弱的，所以必须有一个功率放大器驱动电路。
步进电机控制电路、功率放大器驱动电路组成一个有机整体，构成步进电机驱动系统。
控制电路设计简单，功能强大，可实现一般的步进电机细分任务。
该系统由三部分组成：
功率放大器驱动电路、脉冲信号分配、电路脉冲信号产生电路。
系统结构如图1所示：
图1 基于电子电路控制系统
这个解决方案可以作为开环控制、闭环控制。
当为开环时，其稳定性好、低成本、简单的设计，但未能实现高精度细分。
采用闭环控制，可实现高精度细分，实现无级调速。
闭环控制是直接或间接地检测转子的速度和位置，然后通过反馈和适当的处理，自动给定脉冲链，使步进电机按控制信号的要求运行，所以只要控制正确，步进电机就不会出现失步现象。
该方案通过大规模集成电路来控制脉冲输出数和脉冲频率，功能较为单一，如果你需要更改控制方案，必须需要重新设计，所以灵活性不高[4]。
2、基于PLC的控制
PLC也被称为可编程序控制器，是一种微型计算机。
PLC作为新一代的工业控制器，它具有良好的通用性、硬件配套齐全、实用性强、容易编程和可靠性高的优点，广泛应用于各种工业自动控制系统。
步进电机控制系统包括PLC、功率驱动电路和环形分配器。
控制系统采用PLC来生成控制脉冲。
通过PLC编程生成一定数量的方波脉冲，控制伺服控制的进给量和步进电机的转角，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的旋转速度，从而控制伺服进给速率。
环形脉冲分配器将控制PLC输出脉冲根据步进电机的通电顺序分配给相应的绕组。
PLC控制步进电机可以使用硬件环形分配器、软件环形分配器。
使用软件环形分配器需要PLC资源更多，特别是当步进电机相绕组数大于4，就该考虑大型的生成线了。
使用硬件环形分配器，虽然硬件结构有点复杂，但是可以节省很多的资源，市场有各种各样的特殊芯片可以被选择。
步进电机功率驱动电路将PLC输出控制脉冲放大，从而提高驱动能力，驱动步进电机。
采用软件来生成控制步进电机的环形脉冲信号和定时器来产生脉冲信号，所以你可以节省专用的步进电机驱动，减少硬件成本。
但一般的PLC扫描周期为几毫秒到几十毫秒，相应的频率可以达到几百赫兹，因此，受到PLC的工作方式和扫描周期的影响，步进电机不能工作在高频率的场合，不能实现高速度控制。
并且在高速度的环境下，受扫描周期的影响，相应的控制精度降低[5]。
3、基于单片机的控制
采用单片机来控制步进电机，实现了软件和硬件相结合的控制方法。
使用软件代替环形分配器,实现步进电机的最佳控制。
系统通过单片机接口线直接连接驱动电路来控制步进电机各相。
由于单片机的强大功能，也可以设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，将实现步进电机反转、正转、档位、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法，调用中断服务程序,完成对步进电机的最优控制，在及时的显示的正向和反向速度等状态。
环形分配器的功能通过单片机系统和软件编程结合的方法，实现脉冲的分配。
该方案具有以下优点:
（1）单片机软件编程可以使复杂的控制过程达到自动控制和精确控制，避免失步和振荡影响的控制精度；
（2）使用软件代替环形分配器，基于单片机通过相同的电路实现了多相步进电机控制和驱动，可以大大提高了接口电路的灵活性和通用性；
（3）单片机的强大功能让键盘电路、复位电路、显示电路等外围电路的有机组合，大大提高系统的交互性。
基于上述优点，本设计将使用单片机控制方案[6]。
2.3步进电机驱动技术
上个世纪就出现了步进电机，它的组成、工作原理和现在的反应式步进电机没有本质区别，也依赖于气隙间的磁导差异产生电磁转矩。
1980年代以后，由于廉价的微机具有多功能的特点，步进电机控制变得更加灵活。
步进电机驱动技术是指使用步进电机驱动器的驱动级来实现步进电机各相绕组的通电和断电，也用于控制绕组电压和电流的技术。
到目前为止,步进电动机驱动技术通常分为单电压、单电压串联电阻，高和低电压驱动，斩波频率恒流驱动，升压驱动器和细分驱动等。
单电压驱动改变电路的时间常数为了提高电机的高频特性。
驱动模式已经广泛应用六十年代初的国外，它的优点是结构简单，成本低，缺点是串接电阻会产生大量的能量损失，尤其是在高频率的工作室是更严重，所以它只适合小功率或性能指标要求不高的步进电机驱动。
单电压串联电阻驱动是在单电压的驱动技术上为电枢绕组电路串入电阻，改善电路的时间常数来提高电机的高频特性。
它可以提高步进电机的高频响应，降低电动机的共振，同时也带来了巨大的损失，工作效率低的缺点。
这样的驱动是主要用于小功率或启动和运行频率要求不高的地方。
高、低电压驱动是指无论电机的工作频率是多少，最先的导通相使用高压电源提高电流上升沿斜率，并使用低电压维持在前沿过后，即采用增加绕组电流绕组电流注入为了提高输出，而不是通过改善电路的时间常数，使转矩频率性能提高。
但用这种方式驱动电动机，其绕组电流波形在高压工作结束和低工作开始连接出的凹形，而电机输出转矩将下降。
这种方式在实际应用相对常见。
为了弥补高、低电压电路的电流波形的下凹,提高输出扭矩，七零年代开发了斩波电路，该电路由于斩波技术，使绕组电流额定值成锯齿波，通过绕组的有效电流增加，所以发动机的输出转矩增加，而不需要外接电阻，降低了整个系统的功率消耗、效率高，因此广泛使用恒流斩波电路，本文正式应用恒流斩波驱动控制技术来实现。
为了提高恒流驱动模式的低频率特性，设计一个低速低电压驱动、高速高压驱动电路，使其成为一个有脉冲频率控制的输出电压可变的开关稳压器的驱动电源。
当在低速运行时，电子控制器调整功率开关管的导通角，使输出电压很低，普通电机不会像在恒流斩波驱动在低速工作状态下容易出现过冲或共振现象，避免明显的振荡。
当运行速度变得更快，平均电压逐渐增加，以提供足够的电流对绕组。
调频调节电路性能优于恒压和恒流电路，但实际运行中需要对于不同参数的电机，调整输出电压和输入频率的特性。
细分驱动是指在每个脉冲切换时，并不是将绕组中所有的电流切除或通入，只有改变对应绕组中的部分电流、电机的合成磁势是只有部分的间隔转动角。
细分驱动，其电流不是方波电流，而是像台阶一样通入或者切除的，其次，削弱或消除步进电机的低频振荡，防止步进电机产生共振。
它是步进电机的驱动和控制技术的一个飞跃[7]。
3系统硬件设计
3.1系统的方案简述与设计要求
本设计采用单片机AT89C51来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了电机驱动芯片L298及其外围电路构成了整个系统的驱动部分，再加上作为执行部件的步进电机来构成了一个基本的步进电机控制系统。
系统的具体功能和要求如下：
1、单片机最小系统的设计；
2、设计兼有三项六拍的脉冲分配器；
3、实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速控制；
4、液晶显示器显示出步进电机实时速度，且显示出步进电机当前的运行状态；
5、实现步进电机的转速调节，且转速调节至少要有5个档位；
6、设计一个键盘扫描电路；
3.2系统的组成及其对应功能简述
整个系统的组成包括单片机最小系统，电机驱动模块，串口下载模块，数码管显示模块，电机驱动电流检测模块，独立按键等模块组成。
具体框图如图2所示：
图2系统总体框图
单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比，步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺序有关。
同时单片机系统还负责处理来自电机驱动电流检测模块检测到的电流值。
与此同时，单片机将会把电机转速，电机的转动方向，以及电流检测模块检测到的电机驱动的电流通过数码管显示出来。
电机驱动模块将单片机发给步进电机的信号功率放大，而驱动电机工作。
串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。
数码管显示模块就主要是显示电机转速，电机转向，和通过电机的电流等系统的实时信息。
本节主要是在第一部分和第二部分的基础上引出了本论文将要采用的设计方案，并详细的清楚的一条条列出了设计要实现的基本设计要求。
然后是基于我的设计方案，比较简单的但有条理的描述了系统的各个部分的组成以及其对应的基本功能。
通过这一章的内容，我们能对本设计有一个简单的总体的把握，既是能清楚的知道本题目的设计内容，设计方法，以及最终的预期目标。
3.2.1AT89C51简介
AT89C51是一种拥有4k字节闪存（FLASHFPEROM——可编程和只读存储器）的高性能，低电压的8位微处理器，一般称为单片机。
AT89C2051单片机是一个带2k字节闪存可删除可编程的只读存储器（ROM）。
单片机可以擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
本装置采用的爱特梅尔公司的高密度非易失性存储器制造技术和行业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于多功能8位CPU和闪存有机的组合在单个芯片中，单片机AT89C51的是一种高效的微控制器，它是一个精简版本的AT89C2051。
AT89C51为许多嵌入式控制系统提供了一个高灵活性和廉价的方案。
2、引脚功能说明
图3AT89C51
该设计使用到的单片机芯片对应管脚名称位置等如图3的引脚功能图详细说明。
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3.0RXD（串行输入口）；
P3.1TXD（串行输出口）；
P3.2/INT0（外部中断0）；
P3.3/INT1（外部中断1）；
P3.4T0（计时器0外部输入）；
P3.5T1（计时器1外部输入）；
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）；
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）；
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
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