微机原理课设 河海大学机电工程学院

微机原理课程设计任务书 课程设计题目 步进电机的驱动与测速课程设计意义 本课程设计是 微机原理及应用 课程的实践环节 主要目的在于提高学生的实际动手能力 为单片机的进一步应用打下基础 也为后面的毕业设计做充分的预演 本课程设计的任务是初步培养学生的应用单片机的基本能力 进行简单的应用电路设计和汇编语言程序设计与调试的训练 先修课程 微机原理及应用 使用仪器 微机仿真器 步进电机实验板 课程设计内容 要求学生在了解步进电机工作原理的基础上 利用单片机设计单片机最小系统所需外围电路 步进电机的软件脉冲分配器 步进电机驱动电路 电机转速的测量以及显示电路 利用三端稳压集成芯片设计系统所需要的电源电路 画出系统电路原理图 要求手画 不允许打印 在硬件设计的基础上 利用MCS 51汇编语言编写步进电机的正反转驱动程序 测速程序 转速显示程序 然后上机调试 达到正确控制步进电机转速 测量转速并显示的目的 课程设计要求 课程设计说明书内容1 阐述步进电机工作原理以及本系统各电路模块的设计原理及功能分析 2 设计系统程序流程 画出系统软件工作流程图 3 各程序模块的说明 包括步进电机的正反转驱动程序 测速计算程序 显示程序等 4 调试结果分析 存在的问题说明 5 附 程序清单 完整的电路原理图 注 课程设计说明书要求 手写 16K纸 单面书写 15 20页 参考资料 1 单片机原理与应用 徐泳龙等 机械工业出版社 20042 单片微型机原理 应用与实验 张友德等 复旦大学出版社 20003 单片机技术实验指导书 4 机械设备电气与数字控制 黄义源 中央广播电视大学出版社 设计说明书封面 微机原理课程设计说明书专业年级 机自200 级学号 姓名 指导教师 年月日 电路原理图 显示部分电路采用三位数码管 共阴极 显示 显示方式为静态显示 即在串行口上扩展多片串行输入并行输出的移位寄存器74LS164作为静态显示器接口 数码管引脚如图所示 测出引脚与74LS164的连接关系 写出段码 显示程序先送个位 最后送百位 LED数码管显示接口一 LED数码管1 结构COM 显示器位选线a dp 显示器段选线 发光管驱动额定电流 10 40mA 静态取下限 2 静态显示及其段码静态显示 利用8位锁存功能的I O口线驱动一个数码管 多个数码管同时显示 需增加I O口线 段码形成 在COM送入低电平或高电平 然后控制个各笔段引脚电平 即可形成相应段码 例10 1 利用P1口并行输出控制八段数码管 设小数点暗 采用共阳顺序 共阴顺序 共阴逆序确定0 9的显示程序为 解 1 共阳顺序显示硬件结构如图 2 共阳顺序 共阴顺序 共阴逆序的段码如下 共阳顺序段码 C0H F9H A4H B0H 99H 92H 82H F8H 80H 90H共阴顺序段码 3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 7FH 6FH Dp a 共阴逆序段码 FCH 60H DAH F2H 66H B6H BEH E0H FEH F6H a Dp 3 并行输出 循环显示0 9秒的显示程序 DIR MOVR0 0MOVDPTR TABLOOP MOVA R0MOVCA A DPTRMOVP1 ALCALLDELAYINCR0CJNER0 0AH LOOPAJMPDIRTAB DBC0H F9H A4HDBB0H 99H 92HDB82H F8H 80H 90H 串行口方式0驱动数码管串行口与并行口转换控制串入并出移位寄存器74LS164图 a 2 利用74LS164驱动共阴数码管 例7 2 利用8031串行口控制八段数码管 设小数点暗 采用共阴逆序 设计循环显示0 9秒的程序 解 1 硬件结构图 共阴逆序 小数点暗 数据对应关系 D0 Q7 D7 Q0 因此 当Q0连接段a Q7连接段Dp时 为逆序 反之 Q0 Dp Q7 a时 为顺序 START MOVSCON 00HMOVR0 00HCLRES 禁止中断MOVDPTR TABLELOOP MOVA R0MOVCA A DPTRCLRTIMOVSBUF ALCALLDELAYINCR0CJNER0 10 LOOPMOVR0 00HAJMPLOOPTABLE DB0FCH 60H 0DAH 0F2H 66HDB0B6H 0BEH 0E0H 0FEH 0F6HDELAY 1秒延时程序 略 RET 2 控制流程 程序 数码管段码 共阴极 步进电机分类 按输出转矩分 快速步进电机 功率步进电机 按励磁相数分 三相 四相 五相 六相 八相等 按工作原理分 反应式 永磁式 混合式 永磁反应式 2 步进电机的结构 步进电机由转子和定子两部分组成 定子上有绕组分为若干相 每相磁极上有极齿 左图为三相定子 AA BB CC A B C三相每相两极 每极上五个齿 1 定子 五个极齿 2 步进电机的结构 定子上线圈的绕法 下一页 上一页 返回 2 步进电机的结构 2 转子 转子上有均匀分布的齿 没有绕组 转子齿间夹角为9o 左图为一转子示意图 以四十齿为例来说明步进电机的原理 下一页 上一页 返回 3 步进电机的实物图 3 步进电机的实物图 3 步进电机的实物图 3 步进电机的实物图 3 步进电机的实物图 3 步进电机的实物图 3 步进电机的实物图 3 步进电机的实物图 3 步进电机的实物图 3 步进电机的实物图 步进电机的工作原理 数字式脉冲信号控制定子磁极上的绕组 按一定的顺序通电 在定子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转 步进电机的转子上无绕组 且均匀分布若干个齿 定子上有激磁绕组 当输给激磁绕组一个电脉冲时 转子就转过一个相应的角度 称为步距角 步进电机的优点 1 可直接实现数字控制 2 控制性能好 3 无接触式元件 4 误差不长期积累 5 反应式步进电机在一相绕组通电时 具有自锁能力 永磁式步进电机在不通电的情况下 也能保持转矩 4 工作原理 三拍通电激磁 步距角 3o 一般 m 绕组相数 Z 转子齿数 单拍k 1 双拍k 2 六拍通电激磁 步距角 1 5o 下一页 上一页 返回 4 工作原理 定子绕组通断电顺序 转子转向 定子绕组通断电转换频率 转子转速 定子绕组通断电次数 转子转角 通断电方式 下一页 上一页 5 主要控制特性 下一页 上一页 最高启动频率 5 主要控制特性 空载时 步进电机由静止突然启动 并不失步的进入稳速运行 所允许的启动频率的最高值为最高启动频率 启动频率大于此值时步进电机不能正常工作 最高启动频率与步进电机的惯性负载有关 3 最高工作频率 步进电机工作频率连续上升时 电动机不失步运行的最高频率称为最高工作频率 它的值也和负载有关 很显然 在同样负载下 最高工作频率远大于己于启动频率 5 主要控制特性 在连续运行状态下 步进电机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降 这两者的关系称为矩频特性 4 矩频特性 三 步进伺服驱动电路 下一页 上一页 三 步进伺服驱动电路 一 脉冲分配 按一定的规律将进给脉冲分配给步进电机定子绕组的各相 实现方法 1 硬件 集成脉冲分配器 TTL B013 BY014BY015 BY016 CMOS CH250 下一页 上一页 三 步进伺服驱动电路 一 脉冲分配 2 软件 移位法 查表法 返回 下一页 上一页 二 步进电机驱动电源 1 对驱动电源的要求 实际上 步进电机是感性负载 绕组中电流不能突变 而是按指数规律上升或下降 从而使整个通电周期内 绕组电流平均值下降 电机输出转矩下降 理想驱动电源使电机绕组电流尽量接近矩形波 而当电机运行频率很高时 电流峰值显著小于额定励磁电流 从而导致电机转矩进一步下降 严重时不能启动 下一页 上一页 上升时电流时间常数Ti L R L 步进电机绕组平均电感量 R 通电回路电阻 包括 绕组内阻 功率放大器输出级内阻 串联电阻 下降时电流时间常数Td L RDRD 放大回路电阻 为了提高步进电机动态特性 必须改善电流波形 使前后沿陡度增大 方法有 下一页 上一页 1 电阻法 从Ti L R知 为 可 R 故可在进电机绕组回路中串联一个电阻Ro此时 Ti L r R0 特点 线路简单 但Ro 10 上消耗一定功率 发热量大 也降低了放大器的效率 只适于小功率步进电机 下一页 上一页 2 电压法 电感绕组通电状态时 绕组上电流为Im E r 1 e t Ti E 电源电压电流增长率为dIm dt Im E r 1 e t Ti 可见 增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度 特点 线路复杂 需采用双电源 但效率较高 效果好 适于中小型功率步进电机 下一页 上一页 返回 下一页 上一页 2 单电压型驱动电源 电容C 在接通瞬间短接R电流由E L C T1故C称加速电容 电阻Rc 在电流达到恒定后还起限流作用 此时电流由E Lt Ro T1 返回 下一页 上一页 输入脉冲消失后 T1截止 L两端将产生一感应电压 V L di dt 由于T1关断时间dt很短 故感应电压U很大 将击穿晶体管 为此增加二极管D续流 续流电流 L Ro D L 2 单电压型驱动电源 本次课程设计采用这种电路 而T2在高压控制电路下导通时间t1较短 100 600 s 绕组在高压EH下电流迅速增大至额定值 此时低压EL无效 3 高低压双压型驱动电源 输入脉冲信号为 0 时 T1 T2均截止 IL 0 输入信号为 1 时 T1导通 t1之后 T2截止 低压供压 维持绕组所需的额定电流Ie 下一页 上一页 4 恒流斩波型 在绕组回路中串接电流检测电路 当绕组电流下降至一定下限时 由检测电路发生信号 控制高压管再度接通 使绕组电流回升 当电流增至某一上限时 再次断开高压源 下一页 上一页 返回 下一页 上一页 5 细分驱动电源 下一页 上一页 下一页 上一页 返回 下一页 上一页 步进电机功率驱动器 下一页 上一页 返回 下一页 上一页 步进电机功率驱动器 返回 三 步进伺服驱动电路 下一页 上一页 硬件原理图 实验指导书给出的电路 显示电路 驱动电路软件总体思路 电机的转动 速度计算 显示等主程序 完成初始化 电机转动中断服务程序 T1定时中断 1 2秒读一次TL0 T0计脉冲数 计算速度 转换为单BCD码 显示 框图 主程序框图 T1中断程序框图 重申课程设计要求 1 交一份15 20页的手写的说明书 装在材料袋中 写好学号 姓名 2 编程上机调试 并通过面试 课程设计的成绩构成 平时考勤及检查 上机面试 设计说明书课程设计说明书内容1 阐述步进电机工作原理以及本系统各电路模块的设计原理及功能分析 2 设计系统程序流程 画出系统软件工作流程图 3 各程序模块的说明 包括步进电机的正反转驱动程序 测速计算程序