调研报告-步进电动机单片机调速控制电路设计.doc

大连交通大学信息工程学院2011届本科生毕业设计（论文）实习（调研）报告调研报告1 课题来源及意义在电气时代的今天，电动机作为最主要的动力源，一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。据有关部门统计的资料显示，现在有90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能60%用于电动机。电动机与人们的生活息息相关，密不可分。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件，具有快速启停、精确以及直接接受数字量的特点，因而得到了广泛的应用。如在绘图机、打印机及光学仪器中，都采用步进电机来定位绘图笔印字头或光学镜头，特别是工业过程式控制的位置控制系统中，由于它的精确以及不用位移传感器即可达到精确定位，随着计算机控制技术的不断发展,应用会越来越广泛。对电动机控制可分为简单控制和复杂控制两种。简单控制是指对电动机进行启动、制动、正反转和顺序控制。复杂控制是指对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制。电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、自动控制技术、微机应用技术等的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十年内发生了天翻地覆的变化。其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统的应用，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。单片机介于工业控制计算机和可编程控制器之间，它有较强的控制功能、低廉的成本。人们在选择电动机的控制器时，常常是在先满足功能的需要的同时，优先选择成本低的控制器。因此，单片机往往成为优先选择的目标。从最近的统计数字可以看出，世界上每年要有25亿片各种单片机投入使用。单片机是目前世界上使用量最大的微处理器。单片机取代模拟电路作为电动机的控制器有如下特点：电路简单；可以实现复杂控制；灵活性和适应性好；无零点漂移，控制精度高；可提供人机界面，多机联网工作。2 步进电动机的发展历程 步进电机最早在1920年由英国人开发，1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上。步进电动机的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关，产品按结构划分有磁阻式、永磁式和混合型等多种形式。近年来，伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步，发达国家已普遍使用性能优越的混合式步进电机，最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1.80.9（全步半步）；还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。驱动技术采用恒相电流与细分驱动相结合，使步进电机在中、小功率控制系统内的精度提高，并逐步向高速大功率应用领域渗透。步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量还是生产手段，都是世界上最好的。我国对步进电动机的研究从1958年开始，1970年代以前受苏联的影响，以三相磁阻式步进电动机为主，如1960年代末为快走丝数控线切割机床研制的BF1840-75，一直延续生产到现在。1970年代受到国内研制生产数控机床和其他数控设备的推动，并受到当时日本数控机床系统的影响开始发展磁阻式步进电动机的系列产品，以定子6个极、转子40齿的三相磁阻式电动机为主，还有定子10个极、转子100齿的五相磁阻式电动机和四相电动机等。1980年代开始发展混合式步进电动机，以定子8极、转子50齿的二相(四相)混合式步进电动机为主。1987年开始自行设计定子10极、转子50齿的五相混合式步进电动机，同时还发展了一些不同于国外的非典型产品，如定子8极、转子60齿的二相(四相)混合式步进电动机。这是为了与磁阻式步进电动机的步距角相一致，转子200齿的五相混合式步进电动机，转子100齿的九相(三相)混合式步进电动机，主要特点是具有高分辨率和可变步矩角。经过多年的发展，我国步进电机形成一种品种规格繁多的局面，其中最主要的产品系列，一是1970年代形成的磁阻式步进电动机系列产品在低端应用仍有较多的市场，继续生产；二是混合式步进电机的系列产品，包括引进技术和生产设备，按照国外的设计生产的二相和五相混合式步进电机，以及国内自行开发生产的混合式步进电动机，仍然拥有各自不同的应用领域，短期内很难统一到几个限定的规格品种上。步进电机几十年的发展经验总结是：磁阻式适用于平稳运行以及转速大于1 000 r/min的用途；永磁式成本低，主要用在价格低廉的消费性产品中；永磁感应子式更适合于低速大转矩用途。3 步进电动机的前景展望步进电动机经过几十年的发展，已成为除直流电动机和交流电动机以外的应用最广泛的第三类电动机在开环高分辨率的定位系统中，至今还没有发现更合适取代它的产品，特别是在一些功率相当小的系统中，步进电机更具有无可替代的主流地位。预计未来步进电机的研究还会持续深入下去，研究方向之一是电机与驱动的一体化，使步进电机体积更小巧、性能更优越，性价比更高，在大量的民用设备中批量化使用，如家庭机器人、民用智能化设备等；研究方向之二是在功率或机座号相对较大的步进电动机中，与属于BIDCM（稀土永磁无刷直流电机）的交流伺服电动机系统会合，具体来说可能会借鉴交流伺服系统的控制技术，但保留了部分步进电动机的特点，形成一种新的“步进伺服电动机”或“伺服步进电动机”，在克服低频振荡、高频过载能力小、快速性不足和效率低等方面取得突破性进展，从而在现代军事、精密机械加工、航空航天等领域的应用越来越深入。4 研究内容和目标采用系列单片机实现对步进电动机调速系统的自动控制，利用计算机软件与单片机的串行口通信，达到上位机控制下位机实现步进电动机的启动、停止、正转、反转、加速、减速和状态显示的目的，使步进电动机控制更加灵活。通过查阅资料，研究出以单片机为核心的实用控制电路，并进行调试。可以用显示电路进行对步进电动机工作状态的显示，而且要有完善的保护、互锁功能。5 设计方案的可行性分析本次课题在以前单片机的C语言等书中有所涉及，而且网络和图书馆资源丰富，可以方便查到相关方面的文献、期刊、书籍和论文等，同时学院为我们提供的电脑机房，给予了我们很好的实验环境。因此，从主客观方面我认为这一方案是可行的。6 进度计划为了更好的完成课题，通过查阅资料，特做如下安排：第1周：根据题目，查找课题相关资料文献，初步从整体上了解课题，并撰写进度计划与考核表。第2周：学习相关资料，初步撰写一篇与课题相关的调研报告。第3周：继续学习相关资料，开始翻译相关的外文文献。第4周：继续学习相关资料，了解课题内容及思路。 第5周：阅读国内外有步进电动机调速单片机控制的资料，掌握步进电动机控制系统的组成、原理等，并在此基础上掌握工程设计方法。第6周：对自己要展开的设计方案进行初步设计和论证。第7周：对步进电动机调速单片机控制进行电路设计，包括系统电路图，还有器件资料。第8周：进行系统的软件设计，程序流程图，程序设计。第9周：进行调试，看操作控制，并且总结设计中遇到的问题及解决方法。第10周：继续上述总结工作，并逐步完善。第11周：继续进行软件的分析，撰写毕业论文提纲，规划论文内容，并开始着手写毕业论文初稿。 第12周：整理材料，文件图标等，完成毕业论文的撰写并交给指导教师审查。第13周：论文修改，打印，装订成册，并提交。复习各种资料，准备答辩。第14周：答辩，毕业论文成绩评定。7 参考文献1 王宗培.任雷.混合式步进电动机的研究J.电工技术杂志.1998.11(3):12-222 陈敏祥.五相混合式步进电动机驱动新技术J.电机与控制学报.1998.22(6):1-93 华蕊.步进电机细分驱动技术综述J.佛山科学技术学院学报(自然科学版).1999.14(2):13-254 周明安.朱光忠.宋晓华.肖俊建.步进电机驱动技术发展及现状J.机电工程技术.2005.24(2):135-2445 易长松.新型三相混合式步进电机驱动器J.机电一体化.2001.22(9):21-666 赵永瑞.李刚.三相混合式步进电机系统J.机电一体化.2000.21(6):33-877 林蔚天.焦斌.应用集成芯片UC3845构成高频开关电源J.上海工程技术大学学报.2001.12(2):1-148 叶斌.电力电子应用技术及装置M.机械工业出版社.1999.9 孙育才.MCS-51系列单片机型计算机及其应用M.东南大学出版社.199810 刘凤君.正弦波逆变器M.科学出版社.200211 胡汉才.单片机原理及其接口技术M.清华大学出版社.199612 林成武.步进电机微步驱动分