王超毕业设计论文--基于单片机控制的步进电机调速系统的设计

河南工程学院毕业设计（论文）基于单片机控制的步进电机调速系统的设计学生姓名 26506106 系（部） 电气信息工程系 专 业 电气自动化 指导教师 2007 年 06 月 02 日毕业设计（论文）任务书题目名称 基于单片机控制的步进电机调速系统的设计学生姓名 所学专业 班级 0631 班指导教师姓名 所学专业 职称一、设计（论文）主要内容及进度二、主要技术指标(或研究目标 )三、进度计划四、重要参考文献教研室主任签字： 年 月 日毕业设计（论文）开题报告题目名称 基于单片机控制的步进电机调速系统的设计学生姓名 专业 班级一、选题的依据和意义随着信息化产业的高速发展,步进电动机功能日趋完善,电动机已经成为机械自动化的基础,步进电机已经应用于数字控制系统中,另外在工业自动化生产线中,印刷设备等中亦有应用.二、国内外研究综述21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，机电技术的成果会更多的用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算定位进度高、分解性能高、灵活性高的机械系统中出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，从生产方面看，可编程控制器和其它工业控制机械技术构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。伴随着机械系统的发展，可编程控制器成为自动化控制网络和计算机网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。三、设计（或研究）的内容介绍了用 AT89C51 型单片机内部定时器改变 CPU 脉冲频率从而实现对步进电机转速的控制,.包括步电机的特点,硬件电路的设计及改造等要注意的一些问题.四、毕业设计（论文）所用的方法1、 图书馆专业书籍查询2、 互联网搜索五、主要参考文献与资料获得情况1 张洪润,蓝清华. 单片机应用技术教程M ，北京: 清华大学出版社,1997.2 秦曾煌. 电工学M . 北京 :高等教育出版社,1999.3 常斗南,等. 可编程序控制器原理、应用、实验M . 北京 :机械工业出版社,1998.4 于海生,等. 微型计算机控制技术M . 北京: 清华大学出版社,1999.5 王福瑞,等. 单片机微机测控系统设计大全M . 北京:北京航空航天大学出版社,1998. 6 陈理壁. 步进电机及其应用M . 上海: 上海科学技术出版社,1989.7 刘保延,等. 步进电机及其驱动控制系统M . 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.8 季维发,过润秋,严武升等. 机电一体化技术M .北京: 电子工业出版社,1995.9 郭敬枢,庄继东,孔峰. 微机控制技术M . 重庆: 重庆大学出版社,1994. 10刘国荣. 单片微型计算机技术M . 北京: 机械工业出版社,1996.六、指导教师审批意见年 月 日河南工程学院毕业（设计）论文中期进展情况检查表系部： 检查日期： 学生姓名 专业班级 指导教师（设计）论文题目目前已完成任务 是否符合任务书要求进度尚须完成的任务 能否按期完成任务存在的问题存在的问题和解决办法拟采取的办法指导教师意见指导教师对学生劳动纪律、设计（论文）进展等方面的评语系部负责人签字河南工程学院毕业设计（论文）中期检查汇总表（系部）系部： 填表日期： 年 月 日 第 页专 业班 级学 生姓 名检 查日 期检 查地 点 检 查 内 容 备 注系部负责人签字： 毕业设计（论文）的评价意见指导教师评语：分数： 签名： 年 月 日评阅人评语：分数： 签名： 年 月 日答辩小组评语：答辩小组成员签字：分数： 签名： 年 月 日答辩委员会意见（同意给优、良、中、及格、不及格等次）分数： 签名： 年 月 日河南工程学院毕业设计（论文）答辩记录表学 号 姓 名 班 级系 别 专 业 答辩时间设计（论文）题目参加答辩教师姓名教师提问情况记录学生回答情况记录综合评定记录人： 年 月 日河南工程学院优秀毕业设计（论文）推荐表教学部门（盖章）： 填表日期： 年 月 日姓名 性别 出生年月 所在专业学生情况姓名 性别 专业技术职务 所在单位指导教师情 况毕业设计（论文）题目主要涉及研究方向选题依据及背景实验、实践或实习基础主要研读书目指导教师评语指导教师签字：年 月 日教学部门意见（教学部门公章）年 月 日届毕业设计（论文）工作总结（教研室填写）系部 专业工作小结：签字：年 月 日摘 要步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的 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，即给电 机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性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的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步 进电机来控制变的非常的简单。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的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来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而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进行控制，实现电机调速与正反 转的功能。关键词： 步进电机 单片机 调速系统AbstractStep-by-step electric motor is the ring opening gating element changing electricity pulse signal into angular displacement or line displacement. Under the situation of must overload, the electric motor rotation rate , discontinuous location depend on pulse signal frequency and pulse number only , make free from being loaded with the effect changing ,but be that being added a pulse signal , the electric motor by electric motor is to have rotated a step spur angle. This gleam of the sexual relationships existence, adds step-by-step electric motor characteristics such as only having the cyclicity error but there being no accumulative error.Feasible simplicity controlling a field using step-by-step electric motor to come to control changeable extraordinary in speed , location etc.Step-by-step electric motor speed regulation general be change import step-by-step electric motor pulse frequency come true step-by-step electric motor speed regulation, because of step-by-step electric motor every be given to a pulse right away rotate one fixed angle, such right away not bad pass under the control of step-by-step electric motor a pulse arrive at next pulse period come to change pulse frequency,Come to control the speed regulation , realizing step-by-step electric motor thereby to come to change the electric motor rotation rate step-by-step angle concretely the deferred length. Frequency adopt the internal timer of AT89C51 type monolithic machine to change CP pulse in the design plan in realizes the speed regulation controlling , realizing an electric motor and the function that the positive and negative rotates being in progress to step-by-step electric motor rotation rate thereby.Key words：Step-by-step Electric Motor Monolithic Machine Speed Regulation System目 录前言1第一章 步进电机概述2第一节 步进电机的特点2第二节 步进电机的工作原理2第三节 步进电机的技术参数3第四节 步进电机详细调速原理4第二章 硬件电路的设计5第一节 单片机的选择5第三章 软件的设计7第一节 显示子程序的设计7第二节 键盘子程序的设计8第三节 驱动程序流程的设计9第四节 正反转程序流程的设计10一、 正反转程序流程图10二、 转速快慢程序流程图11三、 定时中断流程图12第四章 实验结果与分析13第一节 有关参数的计算与分析13第二节 理论与实际的分析14第五章 总结15参考文献16致谢17河南工程学院毕业设计（或论文）1前 言把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。 步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR） 、永磁式步进电机（PM） 、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。河南工程学院毕业设计（或论文）2第一章 步进电机概述第一节 步进电机的特点1、步进电机控制容易，成本低，失去会引起控制误差，转速有限。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料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4、步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：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，启动频率应更低。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，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速） 。第二节 步进电机的工作原理步进电机是一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，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(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。河南工程学院毕业设计（或论文）3第三节 步进电机的技术参数步进电机的基本参数如下：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，步进电机的步距角为两相整步是 1.8 度 三相是 0.6 度 现在的步进电机都有细分的驱动器，细分数又决定的步距角例如两相的步进电机驱动器为 5 细分步距角为 1.8/5=0.363、 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、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、保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，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 5N.M 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 5N.m 的步进电机。河南工程学院毕业设计（或论文）4第四节 步进电机详细调速原理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，当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动，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。通过延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电的调速。具体的延时时间可以通过软件来实现。这就需要采用单片机对步进电机进行加减速控制,实际上就是改变输出脉冲的时间间隔,单片机控制步进电机加减法运转可实现的方法有软件和硬件两种 ,软件方法指的是依靠延时程序来改变脉冲输出的频率,其中延时的长短是动态的,软件法在电机控制中, 要不停地产生控制脉冲, 占用了大量的 CPU 时间 ,使单片机无法同时进行其他工作;硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现的,在每次进入定时中断后,改变定时常数,从而升速时使脉冲频率逐渐增大,减速时使脉冲频率逐渐减小,这种方法占用 CPU 时间较少,在各种单片机中都能实现,是一种比较实用的调速方法。河南工程学院毕业设计（或论文）5第二章 硬件电路的设计第一节 单片机的选择 本次设计以 CPU 选用 89C5l 作为步进电机的控制芯片89C51 的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l 系列单片机的所有功能。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1、单片机的引脚功能:1）VCC（40）：电源+5V。2）VSS（20）：接地，也就是 GND。3）XTL1（19）和 XTL2（18）：振荡电路。单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在 XTL2 上加外部时钟信号（详细的内容将在以后的课程中专门介绍） 。4）PSEN（29）：片外 ROM 选通信号，低电平有效。5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM 编程脉冲输入端。6）RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。 7）EA/VPP（31）：内/外部 ROM 选择 端 8）P0 口（39-32）：双向 I/O 口。9P1 口（1-8）：准双向通用 I/0 口。9）P2 口（21-28）：准双向 I/0 口。原理图如 2-1 所示。河南工程学院毕业设计（或论文）6图 2-1 AT89C51 的引脚图 系统原理图如下所示。图 2-2 系统原理框图河南工程学院毕业设计（或论文）7第三章 软件的设计第一节 显示子程序的设计显示子程序如图 3-1 所示。图 3-1 显示程序流程图河南工程学院毕业设计（或论文）8第二节 键盘子程序的设计键盘程序流程图如图 3-2 所示图 3-2 键盘程序流程图河南工程学院毕业设计（或论文）9第三节 驱动程序流程的设计主程序流程图如图 3-3 所示。图 3-3 主程序流程图返回河南工程学院毕业设计（或论文）10第四节 正反转程序流程的设计一、 正反转程序流程图图 3-4 正反转程序流程图河南工程学院毕业设计（或论文）11二、 转速快慢程序流程图3-5 转速快慢程序流程图河南工程学院毕业设计（或论文）12三、 定时中断流程图图 3-6 中断子程序流程图河南工程学院毕业设计（或论文）13第四章 实验结果与分析第一节 有关参数的计算与分析在单相三拍方式控制中，假如 A 相电源通电，B、C 两相都不通电，在磁场作用下，使转子齿和 A 相的定子齿对齐。若此时为初始状态，并设与 A 相磁极对齐的齿为 0 号齿，由于 B 相齿与 A 相齿相差 120 度。且 不为整数。所以此转子不能和 B 号12039齿对齐，只有 13 号小齿靠近 B 相磁极的中心线，与中心线相差 3 度，如果此时变为 B相通电，万里 A、C