基于单片机的小型直流及步进电机控制方式研究（很全）毕.doc

陕西理工学院毕业设计 基于单片机的小型直流及步进电机控制方式研究基于单片机的小型直流及步进电机控制方式研究 摘 要 本文是对小型直流电机和步进电机控制方式的研究 主要实现对直流电机和步进电机的控制 本 毕业设计主要是利用 PWM 来实现直流电机的正转 反转 加速 减速 暂停等操作 以及利用相位脉冲实现步 进电机的正转 反转 加速 减速 暂停 步数加 步数减等操作 并实现电路的仿真 为实现系统的微机控 制 在设计中 采用了 AT89C51 单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分 配以各种显示 驱动 按键 模块 实现对电动机转速参数的显示和设置 对于直流电机 采用带中断的独立式按键作为命令的输入 单片 机在程序控制下 不断给驱动芯片发送 PWM 波形完成电机正反转控制 在设计中 采用 PWM 调速方式 通过改 变 PWM 的占空比从而改变电动机的电枢电压 进而实现对电动机的调速 对于步进电机 采用带中断的独立式 按键作为命令的输入 单片机在程序控制下 不断给驱动芯片发送相位脉冲完成电机正反转控制 在设计中 采用脉冲调速方式 通过改变输入步进电机的脉冲频率从而改变步进电机的旋转速度 进而实现对电动机的调 速 在硬件上实现了直流电机和步进电机转速的调节以及正反转的控制同时在 LCD 上实时显示 整个硬件系统 工作稳定 关关 键键 词词 单片机 直流电机 步进电机 调速 陕西理工学院毕业设计 The study which based on SCM on the control mode of DC and stepping motor Abstract This paper is the study of small DC motor and stepping motor s control mode main realization of a dc motor and the step motor s control Graduation design is mainly using PWM to let dc motor turning inversion accelerate slowing down and stop operation And realize the step motor turning inversion speed up slow down pause the step and reduce operation by the phase pulse And realize the circuit simulation To realize the microcomputer control system in design the AT89C51 single chip microcomputer as the whole control system of the core part of control circuit match with all kinds of display drive key module which realize the motor speed of display and settings Parameters For dc motor using belt interrupt of independent type key as a command input microcomputer which under control in the program constantly to drive chip to send the PWM complete motor positive and negative control In the design using PWM speed adjustment way thePWM is accounted for empty to change the motor than armature voltage and achieve the speed of motor For step motor using belt interrupt of independent type key as a command input microcomputer which under control in the program constantly to drive chip send phase pulse complete motor positive and negative control In the design using speed pulse way through change input step motor pulse frequency which changes the step motor rotate speed and achieve the speed of motor In the hardware to dc motor and stepping motor realize speed regulation and positive Dc motor Stepping motor speed 陕西理工学院毕业设计 目 录 引言 1 第 1 章 步进电机和直流电机的概述 4 1 1 步进电机概述 4 1 1 1 步进电机的特点 4 1 1 2 步进电机的工作原理 4 1 1 3 步进电机的技术参数 4 1 1 4 步进电机的分类 6 1 1 5 步进电机详细调速原理 8 1 2 直流电机的概述 8 1 2 1 直流电机类型 8 1 2 2 直流电机结构 8 1 2 3 直流电机工作原理 9 1 2 4 直流电机主要技术参数 9 1 2 5 直流电机 PWM 调速原理 9 第 2 章 方案论证 12 2 1 步进电机方案论证 12 2 1 1 控制方式的确定 12 2 1 2 驱动方式的确定 13 2 1 3 驱动电路的选择 14 2 1 4 基本方案的确定 14 2 2 直流电机方案论证 15 2 2 1 键盘方案论证 15 2 2 2 电机驱动方案论证 15 2 2 3 PWM 实现方案论证 16 2 2 4 驱动电路的选择 16 2 2 5 基本方案的确定 17 第 3 章 硬件电路的设计 18 3 1 步进电机硬件电路的设计 18 3 1 1 单片机的选择 18 3 1 2 步进电机的选择 19 3 1 3 控制电路 21 陕西理工学院毕业设计 3 1 4 驱动电路 22 3 1 5 显示电路 24 3 1 6 总体硬件电路图 26 3 2 直流电机硬件电路的设计 26 3 2 1 控制电路 27 3 2 2 驱动电路 28 3 2 3 显示电路 30 3 2 4 总体硬件电路图 31 第 4 章 系统软件的设计 32 4 1 步进电机的软件设计 32 4 1 1 主程序的设计 32 4 1 2 定时中断子程序的设计 33 4 1 3 外部中断子程序的设计 34 4 2 直流电机的软件设计 36 4 2 1 主程序的设计 36 4 2 2 定时中断子程序的设计 37 4 2 3 外部中断子程序的设计 38 第 5 章 实验结果与分析 39 5 1 直流电机 39 5 2 步进电机 40 总 结 43 致 谢 44 参考文献 45 附 录 A 英语科技文献原文及其翻译稿 46 附 录 B 电路总图 57 附 录 C 元器件清单表 59 附 录 D 源程序 60 陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 82 页 引言引言 随着单片机技术的不断发展 单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛 自六十年代初 期以来 步进电机的应用得到很大的提高 人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器 打印 机 绘图仪 磁盘光盘驱动器 各种自动控制阀 各种工具 还有机器人等机械装置 此外作 为执行元件 步进电机是机电一体化的关键产品之一 被广泛应用在各种自动化控制系统中 随着微电子和计算机技术的发展 它的需要量与日俱增 在各个国民经济领域都有应用 1 电机的介绍 1 概述 电动机是把电能转换成机械能的设备 在机械 冶金 石油 煤炭 化学 航空 交通 农业以及其他各种工业中 电动机被广泛地应用着 随着工业自动化程度不断提高 需要采用 各种各样的控制电机作为自动化系统的元件 人造卫星的自动控制系统中 电机也是不可缺少 的 此外在国防 文教 医疗及日常生活中 现代化的家电工业中 电动机也愈来愈广泛地应用 起来 电动机已实施出口产品质量许可制度 未取得出口质量许可证的产品不准出口 2 结构及各部分的作用 一般电动机主要由两部分组成 固定部分称为定子 旋转部分称为转子 另外还有端盖 风扇 罩壳 机座 接线盒等 定子的作用是用来产生磁场和作电动机的机械支撑 电动机的定子由定子铁心 定子绕组 和机座三部分组成 定子绕组镶嵌在定子铁心中 通过电流时产生感应电动势 实现电能量转 换 机座的作用主要是固定和支撑定子铁心 电动机运行时 因内部损耗而发生的热量通过铁 心传给机座 再由机座表面散发到周围空气中 为了增加散热面积 一般电动机在机座外表面 设计为散热片状 电动机的转子由转子铁心 转子绕组和转轴组成 转子铁心也是作为电动机磁路的一部分 转子绕组的作用是感应电动势 通过电流而产生电磁转矩 转轴是支撑转子的重量 传递转矩 输出机械功率的主要部件 3 原理 电动机的工作原理是建立在电磁感应定律 全电流定律 电路定律和电磁力定律等基础上 的 图是三相交流异步电动机转子转动的原理图 图中只示出两根导条 当磁极沿顺时针方向 旋转 磁极的磁力线切割转子导条 导条中就感应出电动势 电动势的方向由右手定则来确定 因为运动是相对的 假如磁极不动 转子导条沿逆时针方向旋转 则导条中同样也能感应出电 动势来 在电动势的作用下 闭合的导条中就产生电流 该电流与旋转磁极的磁场相互作用 而使转子导条受到电磁力 F 电磁力的方向可用左手定则确定 由电磁力进而产生电磁转矩 转子就转动起来 4 分类 按其功能可分为驱动电动机和控制电动机 按电能种类分为直流电动机和交流电动机 从 陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 82 页 电动机的转速与电网电源频率之间的关系来分类可分为同步电动机与异步电动机 按电源相数 来分类可分为单相电动机和三相电动机 按防护型式可分为开启式 防护式 封闭式 隔爆式 防水式 潜水式 按安装结构型式可分为卧式 立式 带底脚 带凸缘等 按绝缘等级可分为 E 级 B 级 F 级 H 级等 2 电机的研究现状 1 直流电机 无刷直流电机 BLDCM 是一种发展迅速的新型电机 与传统直流电机相比 它利用电子 换相代替机械换相 使得结构变得简单 运行更加可靠 维护方便等优点 又具备运行效率高 噪声低 无励磁损耗以及调速性能好等优点 而且体积小 效率高 在当今国民经济各部门 军工行业 航天 家用电器等方面都得到了广泛的应用 随着新型大功率器件的发展 性能更 好的永磁材料 以及价格的降低和先进控制技术的应用 直流无刷电动机将会有更大的发展 2 步进电机 步进电机最早是在 1920 年由英国人所开发 1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进 电机上 这对于数字化的控制变得更为容易 以后经过不断改良 使得今日步进电机已广泛运 用在需要高定位精度 高分解性能 高响应性 信赖性等灵活控制性高的机械系统中 在生产 过程中要求自动化 省人力 效率高的机器中 我们很容易发现步进电机的踪迹 尤其以重视 速度 位置控制 需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多 步进电机 作为执行元件 是机电一体化的关键产品之一 广泛应用在各种自动化控制系统中 随着微电 子和计算机技术的发展 步进电机的需求量与日俱增 在各个国民经济领域都有应用 3 伺服电机 随着现代工业生产方式日益自动化发展的需 要 对作为其中要组成部分的现代电伺 服系统提出 了越来越高的性能和技术要求 而正弦波永磁同 步电动机因其卓越的性能已 日 渐成为 电伺服系统执行电动机的 主流 因此加强研究和发展以新型 高性能伺服电动机作为 执行元件的PMSM伺服系统来满足精密数控机床 特种机器人等负载驱动的要求 具有重要的理论 意义和实用价值 3 电机的发展趋势 中小型电机今后的发展趋势是 产品向多用途 多品种和多适应性方向发展 机电一体化 电机发展空间较大 高效节能电机将成为开发重点 可靠性高 寿命长 噪声低 重量轻和外 形美观的电机被市场看好 至于微电机 则是产品向高性能 轻薄短小化 永磁化 无铁心化 无刷化 机电一体化 智能化和组合化方向发展 当前 中小型电机可靠性差 重量重 体积大及噪声大 生产过程中废次品 返修品的损 失高达 10 浪费严重等问题 制约了企业的发展 因此 全面采用国际标准 引进先进的设 计软件 结构及工艺 发展专用派生系列 提高产品的可靠性 贯彻强制性的安全标准 是今 后的工作重点 陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 82 页 从国际市场上看 电机是机电产品的重要组成部分 世界贸易额约为 35 亿美元 年 中小 型电机行业单机出口产品主要为交流电动机 交流发电机及直流电机 常年出口企业约 40 家左 右 出口的地区及国家多达 60 多个 以东南亚居多 其次欧洲及美国 日本 加拿大等国 据 海关统计显示 中小型电机出口量为 1996 年 377 万千瓦 1997 年 453 万千瓦 1998 年 672 万 千瓦 出口产量分别占当年全国产量的 7 9 和 13 出口金额分别占世界贸易额的 3 4 和 5 份额很小 由于工业发达国家对原材料 工时耗用多而获利小的普通型电机产品不愿制造 纷纷转向 发展中国家加工或购买 因此国际上对电机需求呈上升趋势 以美国为例 美国既是电机生产 大国 也是电机进口大国 只要我们能生产出符合美国 日本等国的节能 高效和优质的中小 型电机 进入美国 日本 潜力很大 对于欧洲和澳大利亚 加拿大等国 也是如此 陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 82 页 第第 1 1 章章 步进电机和直流电机的概述步进电机和直流电机的概述 1 11 1 步进电机概述步进电机概述 1 1 11 1 1 步进电机的特点步进电机的特点 1 一般步进电机的精度为步进角的 3 5 且不累积 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 1 1 21 1 2 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 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 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 1 1 31 1 3 步进电机的技术参数步进电机的技术参数 1 步进电机的基本参数 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 陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 82 页 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 如 86BYG250A 型电机给出的值为 0 9 1 8 表示半步工作时为 0 9 整步 工作时为 1 8 这个步距角可以称之为 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 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 拍数 完成一个磁场周期性变化所需脉冲用 n 表示 或指电机转过一个齿距角所需脉冲数 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 5 静转矩 电机在额定静态作业下 电机不做旋转运动时 电机转轴的锁定力矩 此力矩 是衡量电机体积的标准 与驱动电压及驱动电源等无关 虽然静态转矩与电磁激磁匝数成 正比 与定子和转子间的气隙有关 但过分采用减小气隙 增加励磁匝数来提高静转矩是 不可取的 这样会造成电机的发热及机械噪音 6 保持转矩 HOLDING TORQUE 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 2N m 的步进电机 在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N m 的步进电机 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 82 页 2 步进电机动态指标及术语 1 步距角精度 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差 用百分表示 误差 步距角 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 2 失步 电机运转时运转的步数 不等于理论上的步数 称之为失步 3 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 4 最大空载起动频率 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 能够直接起动的最大 频率 5 最大空载的运行频率 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 6 运行矩频特性 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩特性 这是电 机诸多动态曲线中最重要的 也是电机选择的根本依据 如图 1 1 1所示 图 1 1 1 力矩频率曲线 7 电机的共振点 步进电机均有固定的共振区域 二 四相感应子式步进电机的共振区一般在 180 250pps 之间 步距角 1 8 度 或在 400pps 左右 步距角为 0 9 度 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 不失步和整个系统的噪音降低 一般工作点均应偏移共振区较多 其它特性还有惯频特性 起动频率特性等 电机一旦选定 电机的静力矩确定而动态力 矩却不然 电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流 而非静态流 平均电流越大 电机 输出力矩越大 即电机的频率特性越硬 如图 1 1 2所示 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 82 页 图 1 1 2 力矩频率特性曲线 其中 曲线 3 电流最大 或电压最高 曲线 1 电流最小 或电压最低 曲线与负载的交点为 负载的最大速度点 要使平均电流大 尽可能提高驱动电压 使采用小电感大电流的电机 1 1 41 1 4 步进电机的分类步进电机的分类 1 步进电机分为三大类 1 反应式步进电机 VAriABle ReluCtAnCe 简称 VR 反应式步进电机的转子是由软磁材 料制成的 转子中没有绕组 它的结构简单 成本距角可以做得很小 但动态性能较差 反应 式步进电机有单段式和多段式两种类型 2 永磁式步进电机 PermAnent MAgnet 简称 PM 永磁式步进电机的转子是用永磁材料 制成的 转子本身就是一个磁源 转子的极数和定子的极数相同 所以一般步进角比较大 它 输出转矩大 动态性能好 消耗功率小 相比反应式 但启动运行频率较低 还需要正负脉 冲供电 3 混合式步进电机 HyBrid 简称 HB 混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优 点 混合式与传统的反应式相比 结构上转子加有永磁体 以提供软磁材料的工作点 而定子 激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能 因此该电机效率高 电流小 发热 低 因永磁体的存在 该电机具有较强的反电势 其自身阻尼作用比较好 使其在运转过程中 比较平稳 噪声低 低频振动小 这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的 后来发现如果各相绕组通以脉冲电流 这种电动机也能做步进增量运动 由于能够开环运行以 及控制系统比较简单 因此这种电机在工业领域中得到广泛应用 2 步进电机的内外结构 步进电机转子均匀分布着很多小齿 定子齿有三个励磁绕阻 其几何轴线依次分别与转子 齿轴线错开 0 1 3 2 3 相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 表示 即 A 与齿 1 相对齐 B 与齿 2 向右错开 1 3 C 与齿 3 向右错开 2 3 A 与齿 5 相对齐 A 就是 A 齿 5 就是齿 1 下面是定转子的展开如图 1 1 3 所示 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 82 页 图 1 1 3 定子展开图 电动机定子铁心和一般电机一样由硅钢片叠成 铁心内孔表面有开口槽 转子装有一个轴 向磁化永磁体用以产生一个单向磁场 永磁体产生的磁通 在每一个气隙圆周上都是单方向通 过气隙的 这时作用在气隙中的磁势是同极性的 称为单极磁势 而转子包括两段 一段经永 磁体磁化成 N 极 另一段磁化为 S 极 每段转子齿以一个齿距间隔均匀分布 但两段转子的齿 相互错开 1 2 个转子齿距 A N 极段截面图 B S 极段截面图如图 1 1 4 所示 A N 极段截面图 B S 极段截面图 图 1 1 4 三相混合式步进电机截面图 1 1 51 1 5 步进电机详细调速原理步进电机详细调速原理 步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的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 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 82 页 1 21 2 直流电机的概述直流电机的概述 1 2 11 2 1 直流电机类型直流电机类型 直流电机可按其结构 工作原理和用途等进行分类 其中根据直流电机的用途可分为以下 几种 直流发电机 将机械能转化为直流电能 直流电动机 将直流电能转化为机械能 直流测速发电机 将机械信号转换为电信号 直流伺服电动机 将控制信号转换为机械信号 下面以直流电动机作为研究对象 1 2 21 2 2 直流电机结构直流电机结构 直流电机由定子和转子两部分组成 在定子上装有磁极 电磁式直流电机磁极由绕在定子 上的磁绕提供 其转子由硅钢片叠压而成 转子外圆有槽 槽内嵌有电枢绕组 绕组通过换 向器和电刷引出 直流电机结构如图 1 2 1 所示 图 1 2 1 直流电动机结构 1 2 31 2 3 直流电机工作原理直流电机工作原理 直流电机电路模型如图 1 2 3 所示 磁极 N S 间装着一个可以转动的铁磁圆柱体 圆柱体 的表面上固定着一个线圈 abcd 当线圈中流过电流时 线圈受到电磁力作用 从而产生旋转 根据左手定则可知 当流过线圈中电流改变方向时 线圈的受方向也将改变 因此通过改变线 圈电路的方向实现改变电机的方向 直流电动机电路模型如图 1 2 2 所示 图 1 2 2 直流电动机电路模型 A B a b c d N S 图图1 1 1 1 直直流流电电机机工工作作 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 82 页 1 2 41 2 4 直流电机主要技术参数直流电机主要技术参数 直流电机的主要额定值有 额定功率 Pn 在额定电流和电压下 电机的负载能力 额定电压 Ue 长期运行的最高电压 额定电流 Ie 长期运行的最大电流 额定转速 n 单位时间内的电机转动快慢 以 r min 为单位 励磁电流 If 施加到电极线圈上的电流 1 2 51 2 5 直流电机直流电机 PWMPWM 调速原理调速原理 1 直流电机转速 图 1 2 3 直流电机的数学模型 直流电机的数学模型如图 1 2 3 所示 由图可见电机的电枢电动势 Ea 的正方向与电枢电流 Ia 的方向相反 Ea 为反电动势 电磁转矩 T 的正方向与转速 n 的方向相同 是拖动转矩 轴上 的机械负载转矩 T2 及空载转矩 T0 均与 n 相反 是制动转矩 根据基尔霍夫第二定律 得到电枢电压电动势平衡方程式 U Ea Ia Ra Rc 1 1 在 1 1 中 Ra 为电枢回路电阻 电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和 Rc 是外接在电枢回路中的调节电阻 由此可得到直流电机的转速公式为 n Ua IR Ce 1 2 在 1 2 中 Ce 为电动势常数 是磁通量 由 1 1 和 1 2 得 n Ea Ce 1 3 由 1 3 可以看出 对于一个已经制造好的电机 当励磁电压和负载转矩恒定时 它的转速 由回在电枢两端的电压 Ea 决定 电枢电压越高 电机转速就越快 电枢电压降低到 0V 时 电 机就停止转动 改变电枢电压的极性 电机就反转 2 PWM 电机调速原理 对于直流电机来说 如果加在电枢两端的电压如图 1 2 4 所示的脉动电流压 要求脉动电 ra Ea n T0 T2 I U T1 Rc 说明 U 电压 Ea 电枢电动势 n 转速 I 电枢电流 ra 电枢回路电阻 Rc 外在电枢电阻 T1 T2 负载转矩 T0 空载转矩 磁通量 陕西理工学院毕业设计 第 11 页 共 82 页 压的周期远小于电机的惯性常数 可以看出 在 T 不变的情况下 改变 T1 和 T2 宽度 得到 的电压将发生变化 下面对这一变化进一步推导 图 1 2 4 施加在电枢两端的脉动电压 设电机接全电压 U 时 其转速最大为 Vmax 若施加到电枢两端的脉动电压占空比为 D t1 T 则电枢的平均电压为 U 平 U D 1 4 由 1 4 得到 n Ea Ce 1 5 U D Ce 1 6 由 1 5 和 1 6 得到 KD 1 7 在假设电枢内阻转小的情况下式中 K U Ce 是常数 图 1 2 5 为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图 图 1 2 5 占空比与电机转速的关系 图 1 2 5 占空比与转速的关系图 由图看出转速与占空比 D 并不是完全速的线性关系 图中实线 原因是电枢本身有电阻 不过一般直流电机的内阻较小 可以近视为线性关系 由此可见 改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速 这就是直流电机 PWM 调速原 理 最大值Vmax 平均值Vd 最小值Vmin t1t2 T 图图1 1 3 3 P PW WM M调调速速原原理理图图 陕西理工学院毕业设计 第 12 页 共 82 页 陕西理工学院毕业设计 第 13 页 共 82 页 第第 2 2 章章 方案论证方案论证 2 12 1 步进电机方案论证步进电机方案论证 为实现任务书上的要求本次步进电机的设计共分为主控模块 显示模块 驱动模块 按键模块 主控模块完成各种逻辑控制 显示模块完成电机的状态及运行参数的显示 按 键模块完成对电机的控制 逻辑框图如图 2 1 1 所示 主控芯片 显示模块 驱动芯片步进电机 按键模块 图 2 1 1 逻辑框图 2 12 1 1 1 控制方式的确定控制方式的确定 步进电机控制虽然是一个比较精确的 步进电机开环控制系统具有成本低 简单 控 制方便等优点 在采用单片机的步进电机开环系统中 控制系统的 CP 脉冲的频率或者换向 周期实际上就是控制步进电机的运行速度 系统可用两种办法实现步进电机的速度控制 一种是延时 一种是定时 延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序 待延时结束 后再次执行换向 这样周而复始就可发出一定频率的 CP 脉冲或换向周期 延时子程序的延 时时间与换向程序所用的时间和 就是 CP 脉冲的周期 该方法简单 占用资源少 全部由 软件实现 调用不同的子程序可以实现不同速度的运行 但占用 CPU 时间长 不能在运行 时处理其他工作 因此只适合较简单的控制过程 定时方法是利用单片机系统中的定时器 定时功能产生任意周期的定时信号 从而可方便的控制系统输出 CP 脉冲的周期 当定时器 启动后 定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数 当定时器溢出时 定时器 产生中断 系统转去执行定时中断子程序 将电机换向子程序放在定时中断服务程序中 定时中断一次 电机换向一次 从而实现电机的速度控制 由于从定时器装载完重新启动 开始至定时器申请中断止 有一定的时间间隔 造成定时时间增加 为了减少这种定时误 差 实现精确定时 要对重装的计数初值作适当的调整 调整的重装初值主要考虑两个因 素一是中断响应所需的时间 二是重装初值指令所占用的时间 包括在重装初值前中断服 陕西理工学院毕业设计 第 14 页 共 82 页 务程序重的其他指令因 综合这两个因素后 重装计数初值的修正量取 8 个机器周期 即 要使定时时间缩短 8 个机器周期 用定时中断方式来控制电动机变速时 实际上是不断改 变定时器装载值的大小 在控制过程中 采用离散办法来逼近理想的升降速曲线 为了减 少每步计算装载值的时间 系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的 ROM 中 系统在运行中用查表法查出所需的装载值 这样可大幅度减少占用 CPU 的时间 提高系统的响应速度愿大多数步进电机运动控制系统都运行在开环状态下 因为成本较低 并可提供运动控制技术固有的位置控制 无须反馈 1 脉冲序列的生成如图 2 1 2 所示 图 2 1 2 脉冲序列的生成 2 脉冲幅值 由数字元件电平决定 TTL 0 5V CMOS 0 10V 接通和断开时间可用定时的办法控制 要求 确保步进到位 3 方向控制 步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关 四相单四拍 通电顺序为 正转 A B C D A 反转 A D C B A 改变通电顺序可以改变步进电机的转向 4 脉冲分配 实现脉冲分配 也就是通电换相控制 的方法有两种 软件法和硬件法 本次设计采 用软件法 软件法是完全用软件的方式 按照给定的通电换相顺序 通过单片机的 IO 向 驱动电路发出控制脉冲 下面以四相单四拍为例 正序为 A B C D A 反序为 A D C B A 2 1 22 1 2 驱动方式的确定驱动方式的确定 并于步进电机的驱动一般有两种方法 一种是通过 CPU 直接来驱动 这种方法一般不 宜采用 因为 CPU 的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动 另一种是通 陕西理工学院毕业设计 第 15 页 共 82 页 过 CPU 来间接驱动 就是把从 CPU 输出的信号进行放大 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 固本次设计应采用 CPU 间接驱动步进电 机 用编码器还的测速发电机作为转速测量工具 因为选择了闭环控制 就必须有反馈元件 反馈元件一般有两种 一种是采用同轴的测速发电机 把步进电机的转速反馈回来 然后 通过显示器显示出来并对步进电机进行调节 另一种是通过光同轴的电编码器把步进电机 的转速反馈回来对步进电机进行调节 两者相比 后者的设计比较简单 价格便宜 安全 可靠 污染少 固一般采用后者 用光电骗码器作为反馈元件 2 1 32 1 3 驱动电路的选择驱动电路的选择 由于采用 CPU 间接驱动步进电机 可采用的常用芯片是 ULN2003 和 L298 L298 可以驱 动两个两相的步进电机或一个四相步进电机 但驱动步进电机时需要 L297 配合使用 而 ULN2003 是一个多输入多输出的驱动芯片且不需要其它芯片来配合使用 故本次设计选用 ULN2003 作为步进电机的驱动芯片 2 1 42 1 4 基本方案的确定基本方案的确定 因本次设计的要求 选用四相单四拍步进电机 单片机选用 89C51 作为控制器 选取 用 LCD1602 以显示电机转速和步数 选用 ULN2003 作为步进电机的驱动芯片 系统原理框 图如图 2 1 3 所示 P0 口 AT89C51 单片机 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 P1 口 P2 6 P1 口 ULN2003步进电机 LCD 液晶显示器 加速控制端 减速控制端 正转控制端 反转控制端 暂停控制端 步数减控制端 步数减控制端 端 图 2 1 3 系统原理框图 陕西理工学院毕业设计 第 16 页 共 82 页 2 22 2 直流电机方案论证直流电机方案论证 为实现任务书上的要求本次直流电机的设计共分为主控模块 显示模块 驱动模块 按键模块 主控模块完成各种逻辑控制 显示模块完成电机的状态及运行参数的显示 按 键模块完成对电机的控制 逻辑框图若图 2 2 1 所示 主控芯片 显示模块 驱动芯片直流电机 按键模块 图 2 2 1 逻辑框图 2 2 12 2 1 键盘方案论证键盘方案论证 方案一 采用 4 4 键盘 可直接输入设定值 显示部分使用 4 位数码管 优点是显示 亮度大 缺点是功耗大 不符合智能化趋势而且不美观 方案二 使用 5 个按键 进行逐位设置 显示部分是使用支持中文显示的 LCD 优点 是美观大方 有利于人与系统的交互 及显示内容的扩展 缺点是成本高 抗干扰能力较 差 为了系统容易扩展 操作以及美观 本设计完全采用方案二 2 2 22 2 2 电机驱动方案论证电机驱动方案论证 方案一 采用专用小型直流电机驱动芯片 这个方案的优点是驱动电路简单 几乎不 添加其它外围元件就可以实现稳定的控制 使得驱动电路功耗相对较小 而且目前市场上 此类芯片种类齐全 价格也比较便宜 方案二 采用继电器对电动机的开或关进行控制 通过开关的切换对电机的速度进行 调整 这个方案的优点是电路较为简单 缺点是继电器的响应时间慢 机械结构易损坏 寿命较短 可靠性不高 方案三 采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路 用单片机控制达林顿管使之工作在占 空比可调的开关状态 精确调整电动机转速 这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下 效率非常高 H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制 电子开关的速度很快 陕西理工学院毕业设计 第 17 页 共 82 页 稳定性也极佳 是一种广泛采用的 PWM 调速技术 通过比较和对市场因素的考虑 本设计采用方案一 使系统的设计核心在单片机的控 制上 2 2 32 2 3 PWMPWM 实现方案论证实现方案论证 PWM 信号的产生通常有两种方法 一种是硬件的方法 另一种是软件的方法 方案一 基于 NE555 SG3525 等一系列的脉宽调速系统 此种方式采用 NE555 作为 控制电路的核心 用于产生控制信号 NE555 产生的信号要通过功率放大才能驱动后级电 路 NE555 SG3525 构成的控制电路较为复杂 且智能化 自动化水平较低 在工业生产 中不利于推广和应用 方案二 基于单片机类由软件来实现 PWM 在 PWM 调速系统中占空比 D 是一个重 要参数在电源电压不变的情况下 电枢端电压的平均值取决于占空比 D 的大小 改变 d U D 的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的 改变占空比 D 的值有三种方法 A 定宽调频法 保持不变 只改变 t 这样使周期 或频率 也随之改变 图 2 2 2 1 t B 调宽调频法 保持 t 不变 只改变 这样使周期 或频率 也随之改变 图 2 2 2 1 t C 定频调宽法 保持周期 T 或频率 不变 同时改变和 t 图 2 2 2 1 t 图 2 2 2 电枢电压占空比图 前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期 或频率 当控制脉冲的频率与系统的固 有频率接近时 将会引起振荡 因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机 电枢两端电压 利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整 此 种方式可简化硬件电路 操作性强等优点 所以选方案二 采用定频调宽法 2 2 42 2 4 驱动电路的选择驱动电路的选择 由于采用 CPU 间接驱动直流电机 可采用的常用芯片是 ULN2003 和 L298 ULN2003 是 一个多输入多输出的驱动芯片 可控制直流电机的正反转 而 L298 不仅可以可控制直流电 机的正反转 还可以通过控制使能端 ENA 来调控电机的占空比 从而来调速故本次设计选 用 L298 作为直流电机的驱动芯片 陕西理工学院毕业设计 第 18 页 共 82 页 2 2 52 2 5 基本方案的确定基本方案的确定 因本次设计的要求 单片机选用 89C51 作为控制器 选取用 LCD1602 以显示电机转速 选用 L298 作为步进电机的驱动芯片 系统原理框图如图 2 2 3 所示 AT89C51 直流电机 驱动模块 直流 电机 AT89C51 直流电机 驱动模块 直流 电机 AT89C51 直流电机 驱动模块 直流 电机 加速控制端 减速控制端 正转控制端 反转控制端 停止控制端 LCD 液晶显示 P0口 P2口 P1口 单片机 图 2 2 3 系统原理框 陕西理工学院毕业设计 第 19 页 共 82 页 第第 3 3 章章 硬件电路的设计硬件电路的设计 3 13 1 步进电机硬件电路的设计步进电机硬件电路的设计 本设计的硬件电路只要包括最小系统 控制电路 驱动电路 显示电路四大部分 最 小系统只要是为了使单片机正常工作 控制电路只要由开关和按键组成 由操作者根据相 应的工作需要进行操作 显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速 驱动电路主要 是对单片机输出的脉冲进行功率放大 从而驱动电机转动 3 13 1 1 1 单片机的选择单片机的选择 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 FPEROM FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory 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 9 P1 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 4 1 所示 2 主要特性 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命 1000 写 擦循环数据保留时间 全 静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 两个 16 陕西理工学院毕业设计 第 20 页 共 82 页 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡 器和时钟电路 3 1 23 1 2 步进电机的选择步进电机的选择 因本次设计的要求 步进电机的应选用四相单四拍的步进电机 关于步进电机的具体 说明如下 反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动 的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的四相反应式步进电动机为例说明其工作 原理 图 3 1 1 是一台三相反应式步进电动机的原理图定子铁芯为凸极式共有三对六个磁极 每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组转子用软磁性材料制成也是凸极结构只有四个齿齿 宽等于定子的极靴宽下面通过几种基本的控制方式来说明其工作原理 图 3 1 1 三相反应式步进电动机的原理图 1 三相单三拍通电方式 当 A 相控制绕组通电 其余两相均不通电 电机内建立以定子 A 相极为轴线的磁场 由 于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点 使转子齿 1 3 的轴线与定子 A 相极轴线对齐 如 图 3 1 2 A 所示 若 A 相控制绕组断电 B 相控制绕组通电时 转子在反应转矩的作用下 逆时针方向转过 30 使转子齿 2 4 的轴线与定子 B 相极轴线对齐 即转子走了一步 如图 3 1 2 B 所示 若再断开 B 相 使 C 相控制绕组通电 转子又转过 30 使转子齿 1 3