开题报告-基于单片机的步进电动机驱动控制器设计

毕业设计开题报告学生姓名：学号：学院：计算机与控制工程学院专业：电气工程及其自动化设计/论文题目：基于单片机的步进电动机驱动控制器设计指导教师:2015年4月2日毕业设计开题报告1．选题依据：1．1步进电机控制系统研究背景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］。步进电动机是数字控制系统中的一种执行元件，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度，步进电动机区别于其他控制电动机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电动机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电动机的转速由脉冲信号频率决定，因此非常适合单片机控制［2］。原来的步进电动机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，实现起来成本高，费时多，而且一旦成型后，电路就很难改动，因此不得不完全重新设计控制器。所以，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求［3］。1.2本课题国内外研究现状和发展趋势中国在文化大革命中已经在各行各业中使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的。我国数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电机控制系统，为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，我国改革开放初期研究步进电机细分驱动技术，细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分［4］。步进电机是国外发明的，而且国外对步进电机的研究一直很活跃。目前，国外对步进电机的控制和驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小驱动器的体积，明显提高了整机的性能。比较典型的芯片有两类：一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减速过程，同时完成计长走步、正反转等。对于开环使用的步进电机，实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率而不失步或过冲［5］。采用这类专用集成电路可驱动3～5相电路，可选择励磁方式，转速精确，设定的转速范围宽、加减速的过渡时间及上升陡度可根据负载选定，此外还有单步运转和不同的停止方式［6］。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本、效率、噪音、加速度等一系列因素来比较，比较不划算；在小功率的场合还使用步进电机，例如一些工业器材工业生产装备、打印机、复印件、速印机以及银行自动柜员机［7］。1.3步进电机控制的发展趋势随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用，并且其控制系统也将随之发展，尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机下一阶段的发展趋势［8］。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。近年来，控制技术、计算机技术及微电子技术的迅速发展有力地推动了步进电机控制技术的进步，提高了步进电机的高性能控制的设计方法与具体实现技术，反映步进电机控制技术的最新发展［9］。单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低；缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动［10］。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点［11］。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。1.4单片机的发展概况现状单片微计算机自20世纪70年代问世以来已对人类社会产生了巨大的影响。尤其是美国INTEL公司生产的MCS-51单片机基本内核为核心的各种扩展型，增强型的新型单片机不断推出，所以在今后若干年内，MCS-51系列以及世界其他各大公司生产的与其兼容的各种增强型，扩展型的单片机［12］。仍是我国单片机应用领域的主流机型。目前在工业控制、智能仪器仪表、办公室自动化、家用电器等诸多领域，到处都可见单片机的踪影，单片机技术开发应用水平已成为一个国家工业化发展水平的标志之一。现在步进电机已被广泛使用，但步进电机不能像直流电机，交流电机在常规下使用，它必须有双环型脉冲信号，功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此设计步进电机具有现实意义和实用价值［13］。本论文主要研究步进电机的启停，以及基于单片机的步进电机速度、方向、和加减速的控制、位置控制等方案。利用单片机能实现工业自动化、提高生产效率、安全、以及降低劳动强度。本文所选的步进电机是思想步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。步进电机是一种种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，他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［14］。可以通过控制脉冲个数来控制电机转动的速度和加速度，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来调节步进电机的速度，并且通过数码管显示其转速的级别。另外通过但偶安吉实现他的正反转，步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度100%）的特点，广泛应用与各种控制步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构［15］。参考文献[1]徐煜明.步进电机速度控制的研究与实现[J].工矿自动化.2007(02)：2~5[2]史敬灼,王宗培.步进电动机驱动控制技术的发展[J].微特电机.2007(07)：1~3[3]邓燕妮,章烈剽.基于单片机的步进电机细分技术[J].电子元器件应用.2007(07)：1~2[4]RobinsonJ.DynamicAnalysisofMagneticSteppingMotors.IEEETransomIndustrialElectronics&ControlInstrument.1999：3~8[5]陈志聪.步进电机驱动控制技术及其应用设计研究[D].厦门大学2008：3~4[6]DuXu,Yongpingjiang.AMethodandImplementactionofFullyDigitizedContinuousMicrostepforStepMotor.IEMDC’97.1999：4~9[7]李海波.单片机对步进电机三相六拍指数规律升降速的并行控制[D].北京化工大学2003：3~5[8]赵晗.步进电机集成式驱动器的设计[D].哈尔滨工业大学2006：2~3[9]李建.基于微控制器步进电机驱动控制系统[D].华南理工大学2012：5~10[10]AlbertCLeenhouts.SmoothStepMotorMotionWithHalfDriver.AnnualSymposiumonIMCSD.1995：3~9[11]王俊丰.基于步进电机的驱动系统输出特性研究[D].天津大学2012：4~6[12]P.JohnClarkson.Closed—LoopControlofSteppingMotorSystem.IEEETransactionsonIndustryApplication.1994：9~12[13]Middleton,etal.Electronmagneticdampingforsteppermotorswithchopperdrivers.IEEETransactiononindustryelectronics.1986：6~9[14]朱海君,张硕成,乔卫民,梁义海.步进电机控制系统的设计及其应用[J].核技术.2005(06)：3~5[15]丁伟雄,杨定安,宋晓光.步进电机的控制原理及其单片机控制实现[J].煤矿机械.2005(06)：4~7毕业设计开题报告２．设计方案：2.1研究或解决的问题针对步进电动机的结构和工作原理，设计的步进电动机控制器，该控制器以单片机89C51为核心，实现脉冲信号的产生，通过软件代替步进电动机的环形分配器，并配合设计功率放大驱动电路，实现对步进电动机的转子旋转角度的控制。系统采用开环控制，通过单片机程序实现步进电动机步距的细分，控制系统要求能够控制步进电动机正转、反转，同时，能够实现步进电动机的转速在10r/min～30r/min之间变化。2.2拟采用的研究手段根据步进电动机的转速控制方法，设计步进电动机的控制系统，该系统包括步进电动机本体、基于功率器件IGBT功率场效应管的功率放大驱动电路、基于单片机89C51的控制器；其中，单片机实现脉冲信号的产生，通过软件代替步进电动机的环形分配器，并配合设计功率放大驱动电路，实现对步进电动机的转子旋转角度的控制和步距角的细分的功能。用按键设定步进电机的启停、转速、转向,改变转速、转向都可以在动态运行中进行，转速数值及转向都在LED数码管中动态显示。单片机利用外部中断来检测光耦中断口和键盘/显示器接口芯片8279中断口。系统框图如下：AT89C514位八段LED数码管4x4按键电源1电源2光耦位置检测键盘/数码管驱动芯片8279环形分配器PPM8713信号隔离与功率放大步进电机复位电路设计原理图分析（1）步进电机步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。①四相步进电机的工作原理该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。②步进电机的静态指标及术语相数：产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB→BC→CD→DA→AB,四相八拍运行方式即A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。leizi8882010步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。Θ=360度（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角为50齿角电机为例。四相运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度，八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度。定位转矩：电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。静转矩：电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。③四相步进电机的脉冲分配规律目前，对步进电机的控制主要