步进电机控制开题报告.doc

北京化工大学2007级毕业生学位论文开题报告论文题目：步进电机调速系统软硬件设计系 别：_ 机电学院_专业方向：_机械工程与自动化_ 班 级：_ 机械0701_学生姓名：_ 曹嘉玮_ _ 指导教师：_何雪涛_ 开题日期： 2011年2月14日 考核成绩审核小组成员以及职称姓 名职 称1. 课题来源和论文名称课题来源：北京化工大学毕业设计自选课题课题名称: 步进电机调速系统软硬件设计2.本课题主要研究内容步进电机是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机，它的作用是将脉冲电信号转换为相应的角位移或线位移。步进电机可以实现信号转变，可以运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中，因此步进电机是数字控制系统和自动控制系统中应用最广泛的执行元件，在数控机床、机器人控制、绘图仪、石英钟表等工业和生活场合都有应用。目前，步进电机最普遍的控制调速方法是利用可编程控制器（PLC）来实现的，其控制方法简单易懂，操作方便，可靠性高，应用范围十分广泛。在本课题研究过程中，将采用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调速控制，实现步进电机调速功能。3.选题背景 文献综述：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电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件，具有快速启动和停止的能力。当负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值时，它就可能在一瞬间实现启动和停止。它的步矩角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件（如温度、气压、冲击和振动等）的影响，仅与脉冲频率有关。它每转1 周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。正是因为步进电机具备上述优点，它已经被广泛地用于自动控制系统中作为执行元件。 步进电机在结构上是由定子和转子组成,可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当定子上绕组通电时,可产生激励磁场,并与转子形成回路。如果转子和定子之间的齿没有对齐,由于磁力线力图走磁阻最小的线路,从而带动转子旋转一角度,使转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子绕组矢量磁场旋转一个角度,转子也随着该磁场旋转一个角度。因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距角,称为一步。根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,在供给连续脉冲时,就能一步一步地连续转动,从而使电机旋转。每转一周的步数相同,在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。常用的步进电机分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等类型,不同的步进电机在控制方式上基本是一样的。其中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。在实际应用中,反应式步进电机比较常用。本人在毕业设计时也将采用反应式步进电动机。 在现今应用步进电机的领域，其驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：(1)控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-A,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A，B，C相的通断。(2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。(3)控制步进电机的速度控制步进电机的运行速度，实际上是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期，有以下2种方法：1)采用软件延时，即调用软件延时子程序使CPU 空运转，不进行任何操作，但需占用CPU的时间，效率较低；2）采用硬件定时器，通过设定时间常数装入定时器接口芯片进行定时，到达相应时间则进入中断子程序，不需占用CPU时间，效率较高。步进电机是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件，随着数字电子技术的发展应用会更加广泛，目前各个领域都在对步进电机的工作原理，控制系统和转速控制等方面进行研究，这个研究是一个无止境的工程，需要在产品开发实践中，不断积累经验，并与理论相结合，才能使步进电机的控制达到最佳的状态。4拟解决的主要问题 （1）控制方式的确定：比较各种步进电机控制方案的利弊，选择出最适合该课题的方案 （2）驱动方式的确定：选择适当的步进电机、脉冲分配并挑选出合适的驱动电路 （3）基本方案的确定：确定课题的主要研究方向、过程以及进度 （4）硬件电路的设计：画出符合本课题的硬件图,学会使用Proteus来画硬件图。（5）软件的设计： 选择合适的语言和程序来编写控制电路的软件部分来达到预期目的5论文设计方案简述 本设计采用51单片机AT89C51（晶振频率为12MHZ）对国产20BY-0型步进电机（内阻33欧，步距角18度，额定电压12V）进行控制。通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过特定芯片驱动步进电机。（1）以下是硬件部分设计思路:第一部分：显示电路部分在本课题中，为了方便控制步进电机，拟定用八段LED显示器来显示步进电机要运行的步数。为了节省单片机I/O口，LED将会采用动态显示。第二部分：按键输入控制部分按键输入部分一共有四个按键,其功能分别为：停止/运行、加速运行、减速运行和翻转。这四个键直接与单片机的中断口相连接，其目的是单片机可以随时去处理相应的操作，然后对步进电机执行相应的运动。第三部分：步进电机的励磁控制本设计所采用的是国产20BY-0型步进电机，它使用+5V直流电源，步距角为18度。电机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，驱动方式为二相激磁方式。电机示意图和各线圈通电顺序相顺序ABCD01100101102001131001相顺序从0到1称为一步，电机轴将转过18度，0123-0则称为通电一周，转轴将转过72度，若循环进行这种通电一周的操作，电机便连续的转动起来，而进行相反的通电顺序如3210将使电机同速反转。通电一周的周期越短，即驱动频率越高，则电机转速越快，但步进电机的转速也不可能太快，因为它每走一步需要一定的时间，若信号频率过高，可能导致电机失步，甚至只在原步颤动。第四部分：步进电机的驱动电路步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过CPU也就是本课题中所应用的AT89C51单片机直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为单片机的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机转动；另一种是通过CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行发大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。本课题应用相对简单的开环控制系统，故选择放大信号后直接驱动电机。（2）软件部分设计思路:根据51单片机的设计原则,我初步拟定了大致流程图。NOYesYesYesYes停止定时计数器，电机停止修改定时器初值，电机转速减少修改定时器初值，电机转速增加开启定时计数器，电机启动按下S4按下S3按下S2按下S1等待按键选择显示转速系统初始化开始6本论文的进度安排 第1周第2周 查阅、收集相关文献资料，了解该领域目前研究现状，进行系统需求确定以及分析与设计。 第3周 完成中文文献综述并作开题报告。 第4周第6周 中期检查：完成所有文献整理，翻译并做综述 第7周第8周 完成硬件部分设计，学习用Proteus画硬件图 第9周第10周 完成软件部分设计，软件流程图，编程 第11周第12周 撰写设计说明书 第12周结束 准备论文答辩7.参考文献【1】李国厚. 步进电机驱动与控制系统的设计. 煤矿机械2009（2）：115-116 【2】赵俊生. 基于PLC的步进电机调速和正反转控制系统. 商场现代化，2010（7）：9-10 【3】马宏伟，生成德. 8098单片机在步进电机控制中的应用. 西安矿业学院学报，1994（12）：356-359 【4】张小华，徐炳吉. 基于单片机和串口通信的步进电机控制研究. 2010（6） 【5】李晓贞，王福志，王忠举，张晓辉，朱志伟。 基于单片机的步进电机调速研究. 农业装备与车辆工程，2008（5）：22-24 【6】Iasi, Romania. Microstepping Mode for Stepper Motor Control，2007 IEEE. 【7】Faisal Fadul and Louis Arnold. Low-cost controller for multi-axes stepper motors, Industrial Metrology 2 (1992) 133-140. 【8】P. PAPOFF and D. RICCI。A PROGRAMMABLE POSITIONING STEPPER-MOTOR CONTROLLER WITH A MULTIBUS/IEEE 796 COMPATIBLE INTERFACE，Talanro, 1984,117-121. 【9】Faisal Fadul and K. Weidenboerner. Low-cost MSI controller for stepper motors，Computers in Industry 17 (1991) 63-66 【10】R.A. Worsley. Distributed processing applied to Stepper-motor control, ELECTRONICS & POWER MARCH 1982【11】Faisal Fadu