步进电机控制器设计研究-开题报告

开题报告毕业设计（论文）开题报告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述文献综述1课题研究背景及意义步进电机是机电一体化的关键产品，单片机驱动步进电机被广泛应用在各种自动化控制系统中。由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性1。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号后，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动机，一般步进电机的精度为步进角的3%-5%，且不积累，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种开环控制。步进电机的最大优点是不需要反馈控制，另外还有电路简单、容易与微型计算机连接、停止时有保持转矩、维护方便等优点2。2课题概述步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相位移的电机，其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比，每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电机运转的速度。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3。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毕业设计（论文）开题报告来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。2.1步进电机分类根据内部结构的不同，常见的步进电机可以分为永磁式（PM）、反应式（VR）、混合式（HB）等4。永磁式步进电机一般为二相，转矩和体积较小，布局一般为7.5或15反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为1.5，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家20世纪80年代已经淘汰；混合式步进电机指混合了永磁式和反应式的优点，它分为二相和五相，二相步距角一般为1.8，而五相步距角一般为0.72，这种步进电机的应用最为广泛。2.2步进电机技术指标步进电机的技术指标分为静态指标和动态指标5。（1）步进电机的静态指标相数点击内部的线圈组数。目前常用的有二相、三相、四相和五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8，三相为0.75/1.5，五相为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，用户只需要在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。步距角表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机将转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如28BYJ48A型电机的值为7.5，这个步距角可称为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个步距角所需脉冲数。以四相电机为例，有四相四拍运行方式，即AB-BC-CD-DA-AB；四相八拍运行方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。定位转矩电机在不通电状态下，转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成）。保持转矩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力矩。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，所以保持转矩就成了毕业设计（论文）开题报告衡量步进电机最重要参数之一。（2）步进电机的动态指标步进角精度步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差，用百分比表示：误差/100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。失步电机运行时运转的步数不等于理论的步数，称为失步。失调角转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度。电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。最大空载启动频率电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接启动的最大频率。最大空载运行频率电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。运行矩频特性电机在某种测试条件下，输出力矩与频率关系的曲线称为矩频特性。它是电机诸多动态曲线下最重要的，也是电机选择的根本依据。电机的共振点步进电机均有固定的共振区域，其共振区一般在50r/min80r/min或在180r/min左右。电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然。为使电机输出电矩大、不失步且整个系统的噪声降低，一般工作点均应偏移共振区较多。因此，在使用步进电机时应避开此共振区。2.3步进电机工作原理步进电机是纯粹的数字控制电动机。当步进电机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,通过控制脉冲个数可以控制角位移量,从而达到精确定位的目的,同时,通过控制脉冲频率来控制电机的转动速度与加速度,从而达到调速的目的6。步进电机的驱动电路根据控制信号工作。在步进电机的单片机控制中,控制信号由单片机产生。其基本控制作用如下：1)控制换相顺序步进电机的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。通常我们把通电换相毕业设计（论文）开题报告这一过程称为脉冲分配。例如，四相步进电机的四相八拍工作方式,其各相通电的顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA(正转)或DA-D-CD-C-BC-B-BA-A(反转),通电控制脉冲必须严格这一顺序分别控制A、B、C、D相的通电和断电。2)控制步进电机的转向如果按给定的工作方式正序通电换相,步进电机就正转;如果按反序通电换相,则步进电机就反转。3)控制步进电机的速度如果给定步进电机一个控制脉冲,它就转一步,再发一个控制脉冲,它就会再转一步。两个脉冲的间隔时间越短,步进电机就转得越快。因此,脉冲的频率决定了步进电机的转速。调整单片机发出脉冲的频率,就可以对步进电机进行调速7。3国内外研究现状步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机8。步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。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齿和一些毕业设计（论文）开题报告转子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。到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。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、SANYODENKI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，都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近2亿台。因此，当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：发展趋势之一，是继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。发展趋势之二，是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高3040。发展趋势之三，对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。发展趋势之四，向五相和三相电动机方向发展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。毕业设计（论文）开题报告参考文献1郭天祥.新概念51单片机C语言教程入门、提高、开发、拓展全攻略M.北京:电子工业出版社,2009,p:438-4502王庆利，袁建敏.单片机设计案例实践教程M.北京:北京邮电大学出版社，2008，p:35-583杨宁，胡学军.单片机与控制技术M.北京:北京航空航天大学出版社，2005.1，p:79-964何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计配置与接口技术M.北京:人民邮电出版社,1990.1，p:147-1735朱力恒.电子技术仿真实验教程M.北京:电子工业出版社，2003.7,p:122-1646赵建领.51系列单片机开发宝典M.北京:电子工业出版社，2007.4,p:56-607刘爱萍.基于C8051F005单片机的两相混合式直线步进电机驱动系统的设计:硕士学位论文.内蒙古:内蒙古农业大学，2007.58章烈剽.基于单片机的高精度步进电机控制研究：硕士学位论文.湖北:武汉理工大学，2007.49孙建，张国玉，刘大勇.基于C8051单片机的步进电机控制系统J.仪器仪表用户,2009，210黄楚芳,陈鸿.步进电机加减速控制器的设计J.山西电子技术,2009，111潘海燕，姚朝霞.基于L297的两相步进电机驱动器J.机电工程,2007，412王诣，尤丽华.基于AT89S51单片机的步进电机控制系统的研究J,机电一体化,2008.7，p:86-88毕业设计（论文）开题报告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）1研究内容收集有关单片机、Protel制图、步进电机等方面的文献资料，以实践为基础，不断尝试和创新，设计一个单片机驱动步进电机的系统，同时设计串口下载电路和电机驱动电路，软件程序由串口电路直接烧录到单片机，通过按键设置，步进电机能够实现启动、正转、反转、加速、减速和停止功能。2研究方案参阅书籍资料，以实际设计为主，焊接电路板，实现研究内容。步进电机控制系统主要由单片机STC89C51、电机驱动芯片L298N、串口电路、电源和时钟电路等几个单元组成。借助于STC89C51中内置的看门狗,可使系统在失控时恢复正常运行。整个系统外围元件少，具有结构简单、成本低廉、可靠性高、使用方便、通用性强等特点。该系统中单片机采用支持串口下载的STC89C51，它具有功耗低、抗干扰能力强等特点。最显著的是其具有在系统可编程（ISP）特性，ISP的好处是：省去购买通用编程器，单片机在用户系统上即可下载/烧录用户程序，而无须将单片机从安装好的系统上拆下，再用编程器将程序代码烧录进单片机内部。有些程序尚未定型，可以一边测试一边晚上。由于可以将程序直接下载进单片机看运行结果故也可以不用仿真器。STC89C51单片机工作电压为3.6V-2.4V，P0、P2、P3口可以承受5V输入，P1口只能接3.3V系统。STC89C52单片机的功耗低、抗干扰性强，其功耗正常工作模式下为4mA-7mA，空闲模式下为2mA。本设计采用的是28BYJ48A型带减速的小功率四相单极性步进电机。它使用+12V直流电源，步距角为5.6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。2.1步进电机驱动电路毕业设计（论文）开题报告由于51单片机I/O口引脚的驱动能力很弱，无法直接驱动步进电机运转，所以设计步进电机驱动电路。步进电机驱动电路选用L298N为驱动芯片，L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。2.2步进电机控制器串口电路本系统选用有ISP特性的STC89C51芯片，可通过串口下载程序，省去了通用编程器。由于51单片机的I/O引脚是TTL电平，而PC机的串口是RS-232电平，所以需要进行电平转换。电平转换电路采用标准的串口电平转换电路，也就是通过一个MAX232芯片来实现，电路连接也是MAX232的标准电路连接方式。2.3步进电机控制器设计结构框图步进电机的控制系统主要由单片机STC89C51、电机驱动