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.doc

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 摘摘 要要 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。 关关键词键词： ： 步进电机 单片机 调速系统 abstract step-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 目目 录录 前前 言言 1 第一章第一章 步进电机概步进电机概 述述 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 第二章第二章 硬件电路的设硬件电路的设 计计 5 第一节 单片机的选 择 5 第三章第三章 软件的设软件的设 计计 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 第四章第四章 实验结果与分实验结果与分 析析 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 第五章第五章 总总 结结 15 参考文参考文 献献 16 致致 谢谢 17 河南工程学院毕业设计（或论文） 1 前前 言言 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=0.36 3、 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 1201 13 93 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 两相不通电，则 b 相磁极迫使与 13 号齿对齐，整个齿就转了 3 度， 称为一步。步进电机就是以这种方式作为动力而转动。 在单相三拍 a-b-c-a 通电一周，转子转动了 9 度。固步距角可用公式 5-1 表示： r s nz q 360 其中为步距角，n 为运行的拍数，为转子的齿数。其中，s q r z* c nmc 为控制的相绕阻，c 在三拍中为 1，在六拍中为 2。c m 步距角的速度的控制是通过改变脉冲的时间间隔来控制的。如果步进电机每转 20 圈要 2 秒。则每进一步所在的时间为：计算公式如 6-2 所示： s ms nz ms t r 833 40*1*3 100 20 2000 可见只要输出一个脉冲后延时再输脉冲就可以达到自定的速度。本次设计 833 s 在求的转速范围为 0 到，最高转速时的精度为 2%。功率为 1w。 1000 min r 得：步进脉冲之间的延迟时间为。12 tt 1 0t = 延迟时间在 0 到。精度是由步进电机 2 t ss500 8 . 499 40*1*3 1000 60000 500 s 的性能决定的。 河南工程学院毕业设计（或论文） 14 第二节理论与实际的分析 从的公式看到,改变步进电动机步距的大小有三种方式: 360 s r q nz 1) 改变步进电动机的相数。步进电动机的相数越多、步距角就越小。 2) 与步进电动机的定、转齿数有关。 3) 与定子控制绕组的通电方式有关。要改变步进电机步距角的大小也只能通过这三种 方式。设计中步进电机为三相，功率为 1w。因步进电机的转子上没有绕阻而是由 40 个 小齿均匀地分布在圆周上。定子的齿也是固定不变的，通电方式是选取用三相单三拍 方式。可见步进电机的一但选定，其步距角就不能再改变了。要改变转束也就只能通 过脉冲之间的延时来改变。但对步进电动机的步距角的控制,可以实现对步进电动机的 转速精度控制。 但实际上步进电机在用行时是带有一定量的负载，当运转时会存在许多误差，同 时因为负载的存在可能引起失步和震荡。这就使步进电机不能按预定的规律运行，从 而是很难达到转速精度的要求。为准确测量电机的转速稳定度,须选用高精度测量仪器。 光电编码器因光电式数字输出而更具抗干扰性强和处理简便的优势。光电编码器的分 分辨率是决定着反馈的准确性与反馈的精度。也对步进电机的延时长短起到一定的作 用。可见实际与理论是有一定的差别的。 河南工程学院毕业设计（或论文） 15 第五章 总 结 蓦然回首，为期两个多月的毕业设计就要结束了，在这漫长而又短暂之中，通过 自己不断地学习，不断地努力与拼搏、不断地对新知识的追求与索取、不断地自我发 现、感到自己的知识结构水平提出高了许多，对知识的掌握程度也加深了许多，对知 识之间的相互联系也有了更深的了解；通过不断地提高自己的认识水平与能力、不断 地学习新方法、新思想、新的思维方式、不断地改变自己的人生观和方法论、感到自 己不但成长且成熟了许多；通过不断地把课本知识应用于实际，不断地把查阅到的资 料与文献中有用的东西应用于实现，不断地把所学的理论与方法应用于设计之中，从 而提高了自己理论联系实际的能力。 在整个毕业论文设计的过程中我学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我 明白了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途 径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚 持下去就可以找到思路去解决问题的。在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别 人的意见，这样做起事情来就可以事倍功半。 论文的顺利完成，首先我要感谢我的指导老师雷万忠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。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老 师，是你们的悉心教导使我有了良好