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步进 电动机 运动 控制系统

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本科生毕业论文 设计 册 学院 职业技术学院 专业 电气工程及其自动化 班级 2012 届 学生 张士暖 指导教师 邸敏艳 河北师范大学本科毕业论文 设计 任务书 编 号 2012119 论文 设计 题目 步进电动机驱动的运动控制系统设计 学 院 职业技术学院 专业 电气工程及其自动化 班级 2008 级 学生姓名 张士暖 学号 2008013226 指导教师 邸敏艳 职称 副教授 1 论文 设计 研究目标及主要任务 研究目标 本设计想要完成的是步进电动机带动叶片旋转 即模拟风扇转动 且能实现风扇的 正反转及加减速运动 主要任务 通过对步进电动机的学习 掌握步进电动机的驱动控制方法 利用单片机驱动步进电 机去控制运动控制系统按预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动 2 论文 设计 的主要内容 首先了解步进电动机驱动控制方法 根据设计任务进行方案选择 然后根据已选方案确定控制电 路 根据控制要求确定各元件型号 硬件完成以后 编写应用程序 调试程序 最终能完成预定目标 3 论文 设计 的基础条件及研究路线 基础条件 具有一定的步进电动机专业知识基础和单片机应用基础 图书馆和校园网可提供 多种文献资料的查阅平台 并具备相应的计算机软件支持 研究路线 通过查阅资料 对步进电动机的驱动控制方法进行全面的认识和了解 确定系统的 设计方案 根据实际的设计需要选择合适的器件 进行系统的硬件和软件设计 最后进行系统的仿 真 4 主要参考文献 1 芮延年 机电一体系统综合设计及应用实例 北京 中国电力出版社 2011 202 213 2 高卫东 辛友顺 韩彦征 51 单片机原理与实践 北京 北京航空航天大学出版社 2008 25 50 3 袁中凡 李彬彬 机电一体化技术 第二版 北京 电子工业出版社 2010 170 178 4 董景新 赵长德 机电一体化系统设计 北京 机械工业出版社 2007 166 192 5 Isao Takahashi Toshihiko Noghchi A new response and high efficiency control strategy of a motor IEEE Trans on Ind Appl 1986 22 5 818 830 5 计划进度 阶段起止日期 1根据选题 查阅资料 确定方案2012 1 4 2012 1 15 2在教师指导下 撰写论文开题报告2012 2 15 2012 3 11 3根据任务书 通过查阅相关资料开始撰写论文2012 3 11 2012 4 8 4初稿完成 学校检查2012 4 9 2012 5 1 5修改初稿 完成论文2012 5 1 2012 5 12 6论文评审2012 5 13 2012 5 24 指 导 教师 年 月 日 教研室主任 年 月 日 河北师范大学本科生毕业论文 设计 开题报告书 职业技术 学院 电气工程及其自动化 专业 2012 届 学生 姓名 张士暖 论文 设 计 题目 步进电动机驱动的运动控制系统设计 指导 教师 邸敏艳 专业 职称 副教授所属教研室 电气 技术 研究方向电机控制 课题论证 步进电机广泛应用与工业自动控制 数控机床 组合机床 机器人 计算机外围设备 照相 机 大型望远镜 卫星天线定位系统等等 随着经济的发展 技术的进步和电子技术的发展 步 进电机的应用领域更加广阔 同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求 步进电动机运动控制系统是一种开环控制系统 它的组成包括运动控制软件 脉冲分配器 驱动电路 步进电动机以及传动装置等 计算机中运动控制软件通过程序编译 产生运动指令 它包括脉冲信号和转向信号 脉冲分配器根据运动要求转换为合适的脉冲序列 然后经过功率驱动器进行功率放大 依次 加到步进电机的各相绕组上 最终让步进电机旋转起来 脉冲分配器的作用是接收运动指令 转 换为合适的脉冲序列 然后经过驱动电路加到步进电机相绕组上 使步进电机按一定方式工作 实现脉冲分配方法有三种 一是采用计算机软件 利用查表或计算方法分配 二是采用小规模集 成电路搭接而成 三是采用专用脉冲分配器 步进电动机接受数字脉冲转换为模拟的输出轴运动 易于和数字电路接口 但是 一般数 字信号能量太弱 不能直接驱动步进电机 所以必须有专门的驱动电路来驱动电机 常见的驱动 电路有单极性驱动电路 一般适用于反应式电机 双极性电路 适用于混合式和永磁式电机 斩 波恒流驱动电路 是一种比较完善的电路 细分电路 通过控制各相绕组中电流的大小和比例 使步矩角减小到原来的几分之一至几十分之一 提高了电动机的分辨率 又能平滑步进运动 减 小甚至消除震荡 单片机是集成度很高的芯片 它是把计算机的主要部分 即运算器 控制器 存储器和I O 接口 以及定时器 计数器 中断系统都集成在一个芯片上的单片微型计算机 单片机还具有体 积小 功耗小 成本低 价格低廉以及控制功能强等特点 所以使得它在社会生产 生活的各个 领域不断扩展 单片机可以与步进电动机结合起来进行精确的速度及位置控制 因此 本文所 研究的是 AT89c51 单片机控制的步进电动机运动控制系统设计 方案设计 本文的主要设计任务就是 利用单片机控制步进电动机运动控制系统 主要思想是 采用 AT89C51 单片机 作为整个系统的控制核心 步进电机的驱动芯片采用ULN2003 将单片机输出 的控制脉冲进行放大 进而控制电机各相绕组通断 并利用LED 数码管显示电机的各种运行状态 且数码管显示采用静态显示 也可以利用按键控制电机的正反转以及加减速 由于所使用的按键 电路较少 所以采用独立式键盘来设计按键电路 具体方案是 首先进行步进电机与单片机型号的选择 然后确定总体设计方案 进行其他 器件的选择 画出硬件电路图 根据硬件电路编程 完成各模块调试 软硬件结合调试并进一步 优化系统最终完成系统仿真 进度计划 2012 1 4 2012 1 15 根据选题 查阅资料 确定方案 2012 2 15 2012 3 11 在教师指导下 撰写论文开题报告 2012 3 11 2012 4 8 根据任务书 通过查阅相关资料开始撰写论文 2012 4 9 2012 5 1 初稿完成 学校检查 2012 5 1 2012 5 12 修改初稿 完成论文 2012 5 13 2012 5 24 论文评审 指导教师意见 指导教师签名 年 月 日 教研室意见 教研室主任签名 年 月 日 河北师范大学本科生毕业论文 设计 文献综述 包括国内外研究现状 发展趋势 存在问题 参考文献依据 对文献资料进行概括 分析 步进电机作为执行元件 是机电一体化的关键产品之一 广泛应用于各种自动化控制系统中 随着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中都有应用 国内外研究现状和发展趋势 我国对步进电动机的研制及应用起步不算太晚 早在 1958年 我国的一些科研院所就研制成 功了反应式步进电动机 并开始应用到数控机床中 进入上世纪六十年代中期 结构新颖的步进 电动机相继问世 为了降低电机功耗以及提高效率 人们发明了永磁式和混合式步进电动机 到 上世纪七十年代 步进电动机的生产进入了全盛时期 其产量每年都已11 的指数递增 到目 前为止 步进电动机已被广泛应用于数控机床 自动生产线 自动化仪表 计算机外围设备 绘 图仪 电子手表等多方面 国外在大功率的工业设备驱动上 目前基本不使用大扭矩步进电动机 国外在小功率的场合 还使用步进电机 例如一些工业材料 工业生产设备 打印机 复印件 速印机 银行自动柜员 机 国内外围绕步进电机驱动电路做了大量的研究与开发 国外对步进电机的研究一直很活跃 目前 国外对步进电机的控制和驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片 结果是大大缩小 驱动器的体积 明显提高了整机的性能 步进电动机运动控制系统是一种开环控制系统 它的组成包括运动控制软件 脉冲分配器 驱动电路 步进电动机以及传动装置等 计算机中运动控制软件通过程序编译 产生运动指令 它包括脉冲信号和转向信号 步进电动机接受数字脉冲转换为模拟的输出轴运动 易于和数字电路接口 但是 一般数 字信号能量太弱 不能直接驱动步进电机 所以必须有专门的驱动电路来驱动电机 常见的驱动 电路有单极性驱动电路 一般适用于反应式电机 双极性电路 适用于混合式和永磁式电机 斩 波恒流驱动电路 是一种比较完善的电路 细分电路 通过控制各相绕组中电流的大小和比例 使步矩角减小到原来的几分之一至几十分之一 提高了电动机的分辨率 又能平滑步进运动 减 小甚至消除震荡 存在问题 虽然步进电机已被广泛的应用 但步进电机并不能像普通的直流电机 交流电机在常规下使 用 它必须由双环形脉冲信号 功率驱动电路等组成控制系统方可使用 因此用好步进电机却非 易事 它涉及到机械 电机 电子及计算机等许多专业知识 参考文献依据和对文献资料的概括 分析 本文所借鉴的参考文献均是电机领域和单片机领域内的文章或书籍 都具有非常大的参考价 值与依据 同时也是本文立题的源头所在 本文所参考的文献大致可以分为三类 第一类是有关步进电动机方面 第二类是有关单片机 方面 第三类是有关 机电一体化系统设计 方面 以上三方面均是本文所需借鉴的地方 因此以上 文献均对本文的撰写起到积极的推动作用 从董景新 赵长德编写的 机电一体化系统设计 这本书中我掌握了步进电动机的 工作原理 对步进电动机运动控制系统 有了充分的认识 根据书中几 种步进电动机驱动电路工作原理选择出 了适用于本设计的驱动芯片 从高卫东 辛友顺 韩彦征编写的 51 单片机原理与实践 这本书中我掌握了单片机的工作 原理 对单片机编程有了充分的认识 为后面的仿真设计做好准备工作 芮延年编写的 机电一体系统综合设计及应用实例 这本书中列举了单片机控制的步进电动 机运动控制系统这个实例 通过对这个系统仔细研究 最终选择出各个元器件 完成了系统的设 计 河北师范大学本科生毕业论文 设计 翻译文章 列出参阅的外文文献资料的篇目 对其中与研究课题相关的重要文献进行翻译 注明原文的 出处并附原文 附在后面 步进电机运动控制系统设计 论文关键词 步进电机 调速系统 单片机 论文摘要 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件 在非超载的情况下 电机 的转速 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而不受负载变化的影响 即给电机加一 个脉冲信号 电机则转过一个步距角 这一线性关系的存在 加上步进电机只有周期性的误差而 无累积误差等特点 使得在速度 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单 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 从而实现步进电机的调速 在本设计方案中采用 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 转速进行控制 实现电机调速与正反转的功能 前言 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 步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件 步进电机可以直接用数字信 号驱动 使用非常方便 一般电动机都是连续转动的 而步进电动机则有定位和运转两种基本状 态 当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动 每给它一个脉冲信号 它就转过一定的角度 步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比 在时间上与输入脉冲同步 因此只要控制 输入脉冲的数量 频率及电动机绕组通电的相序 便可获得所需的转角 转速及转动方向 在没 有脉冲输入时 在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态 因此非常适 合于单片机控制 步进电机还具有快速启动 精确步进和定位等特点 因而在数控机床 绘图仪 打印机以及光学仪器中得到广泛的应用 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 步进电机可以作为一种控制用的特种电机 利用其没有积累误差 精度为100 的特 点 广泛应用于各种开环控制 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机 VR 永磁式步进电机 PM 混合式步进 电机 HB 和单相式步进电机等 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 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 控制的测定 因本次设计的要求 选用三相三拍步进电机 单片机选用 89C51作为控制器 选取用 8279 来驱动显示和键盘 选用 8713作为步进电机的驱动芯片并通过光电耦合来驱动步进电机 然后 由于步进电机同轴的光电编码器作为反馈元件 并把反馈回的信号经CPU 处理后再由显示器显 示出来 但由键盘输入的速度数值了得通过显示器来显示 固本次设计要两排显示 一排来显示 给定的转速一排来显示实际的转速 微控制器的选择 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 Flash 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 Translated from Zaborov A N Karpov P S Kol tsov I M Stepper Motor Motion Control System Design Russia 2000 0 4 原文 Stepper Motor Motion Control System Design Paper Keywords stepping motor speed control system microcontroller Paper Abstract The stepper motor is the electric pulse signal into angular displacement or linear displacement of the open loop control components In the non overload case the motor speed and stop location depends only on pulse frequency and pulse number without the load change that is to add an electrical pulse signal a step motor is turned away from the corner The existence of this linear relationship coupled with only a periodic error of stepper motors without the accumulated error and so on Made in terms of speed position and other control areas to control the stepper motor used become very simple Stepper motor speed control in general is to change the input frequency of stepper motor pulses to achieve the stepper motor speed because the stepper motor to a pulse on each rotation a fixed angle so that you can by controlling the stepper motor a pulse to the next a pulse time interval to change the pulse frequency the length of delay to specific controls to change the angle stepper motor speed in order to achieve speed control stepper motor In this design the use of AT89C51 microcontroller based timer to change the internal pulse frequency of CP in order to achieve the speed of stepper motor control motor speed and the realization of positive inversion functions Preface Stepper motors in 1920 was first developed by the British Late 1950 invention of the transistor is gradually applied to stepper motor which controls for the digital easier Through continuous improvement in the future makes today s stepper motors have been widely used in require high positioning accuracy high decomposition performance high responsiveness reliability and other flexible and highly controlled mechanical systems Required in the production process automation save manpower resources efficient machines we can easily find traces of stepper motors in particular to focus attention on the speed position control operation of the Directive requires precise movements and flexible stepper motor controlled by occasion the most Stepper motor as the actuator is a mechanical and electrical integration one of the key products widely used in a variety of automatic control systems With the development of microelectronics and computer technology increasing demand for stepper motors has applications in various economic fields Stepping motors is an actuator that can turn electrical impulses signal into angular displacement or line of displacement Stepper motor can be driven directly from a digital signal use very convenient General motors are continuous rotation while the stepper motors there are two kinds of location and operation of the basic state when a pulse input when the stepper motor rotating step by step each to give it a pulse signal it turned a certain angle Stepper motor angular displacement volume and the number of strictly proportional to the input pulse in time with the input pulse synchronization as long as the control input the number of pulses frequency and electrical power windings of the phase sequence can get the corner speed and direction of rotation In the absence of pulse input in the windings inspired by the power rotor air gap magnetic field can maintain its original location in a targeted state Therefore very suitable for microcomputer control Stepper motor also has a quick start precise stepping and positioning characteristics and thus in NC machine tools plotters printers and optical instruments are widely used In addition to stepping motor has become a DC motor and AC motor other than the third type of motor Conventional electric motors as electrical and mechanical energy conversion device in human production and life of the electrification process plays a key role Stepper motor can be used as a control using special motors using its no accumulation of error accuracy of 100 of the features is widely used in a variety of open loop control Now more commonly used in stepper motor including reactive stepping motor VR permanent magnet stepper motor PM hybrid stepper motors HB and single phase stepper motor and so on stepper motor works Stepper motor is an electric impulse control will be converted to electrical pulse signal phase shift of the motor the mechanical displacement and speed of motor windings respectively the input pulse and pulse frequency is proportional to the number of each step pulse signal can into the motor rotating a fixed angle the number of pulses determines the total rotation angle pulse frequency determines the speed of motor operation When the stepper driver receives a pulse signal it will drive a stepper motor to set the direction of rotation according to a fixed angle known as step angle which is based on a fixed point of the rotation step by step operation By controlling the pulse number to control the amount of angular displacement so as to achieve accurate positioning purposes the same time by controlling the pulse frequency to control the motor rotation speed and acceleration so as to achieve the purpose of speed Details of stepper motor speed control principle Stepper motor speed control in general is to change the input frequency of stepper motor pulses to achieve the stepper motor speed because the stepper motor to a pulse on each rotation a fixed point of view so that you can by controlling the stepper motor a pulse to the next a pulse time interval to change the pulse frequency the length of delay to specific controls to change the angle stepper motor speed in order to achieve step speed power A specific delay time can be achieved through software This requires use of SCM acceleration and deceleration of the stepper motor control in fact to change the output pulse time interval microcontroller controlled stepper motor enables operation of addition and subtraction methods are two kinds of software and hardware and software methods that is attributable mainly to delay proceedings to change the pulse output frequency in which the length of delay is dynamic the software method in motor control we must constantly produce control pulses taking up a lot of CPU time so that SCM can not be at the same time other work hardware approach is to rely on the internal microcontroller timer to achieve in each time into the timer interrupt the change from time to time constants and thus speed up time to pulse frequency gradually increased when slowing down to make pulse frequency gradually decreases This method take up CPU time less can be achieved in a variety of MCU is a more practical method of speed control Determination of Control A result of this the design requirements selection of three phase three beat stepping motor use 89C51 microcontroller as a controller Select the used 8279 to drive the display and keyboard Use 8713 as the stepper motor driver chip through the optical coupling to drive a stepper motor And then because of stepper motor coaxial optical encoder as a feedback component and to the signal fed back by the CPU processing then displayed by the monitor However the speed value from the keyboard input through the display to show the terrible the strengths of two rows of sub design to show a row to show a row of a given speed to show the actual speed Microcontroller Selection The design for CPU use 89C5l as a stepper motor control chip 89C51 s structure is simple and can be implemented on the programmer type of electrical erasable flash reaches tens of thousands or more times The advantages of ease of use and is fully compatible with all the features of MCS5l series of microcontrollers AT89C51 is a kind of 4K bytes of flash erasable programmable read only memory FPEROM Flash Programmable And Erasable Read Only Memory of the low voltage high performance CMOS8 bit microprocessors commonly known as microcontrollers The device uses high density non volatile memory ATMEL manufacturing technology manufacturing and industry standard MCS 51 instruction set and output pins are compatible Owing to the multi function 8 bit CPU and flash memory combined in a single chip ATMEL The AT89C51 is a highly effective micro controllers embedded control systems for many provides a high degree of flexibility and low cost programs 本科生毕业论文设计 题目步进电动机驱动的运动控制系统设计 作者姓名 张士暖 指导教师 邸敏艳 所在学院 职业技术学院 专业 系 电气工程及其自动化 班级 届 2012 届 完成日期 2012 年 5 月 12 日 目录 中文摘要 关键词 I 英文摘要 关键词 II 第 1 章 绪论 1 1 1 运动控制系统的概述 1 1 2 电机运动控制系统概述 1 1 3 计算机控制系统的发展概述 1 1 4 本文主要内容 2 第 2 章 步进电动机 3 2 1 步进电动机简述 3 2 2 步进电动机的分类及其工作原理 3 2 2 1 反应式步进电动机 4 2 2 2 永磁式步进电机 5 2 2 3 混合式步进电机 5 第 3 章 单片机 7 3 1 概述 7 3 2 单片机引脚功能 7 3 3 单片机应用系统 8 第 4 章 单片机控制的步进电动机运动控制系统设计 10 4 1 控制系统要求 10 4 2 系统原理 10 4 3 系统的硬件组成 11 4 3 1 步进电机的选择 11 4 3 2 单片机的选择 12 4 3 3 步进电机与单片机的连接形式 12 4 3 4 按键部分 14 4 3 5 显示部分 14 4 4 系统的软件设计 15 4 4 1 按键模块 16 4 4 2 延时子程序 16 4 4 3 加速减速模块 17 4 4 4 步进电机正转反转模块 17 4 5 系统仿真 18 4 5 1 程序的编译 18 4 5 2 程序的调试 18 结论 20 致谢 21 参考文献 22 附录 1 23 附录 2 23 步进电动机驱动的运动控制系统设计 职业技术学院电气工程及其自动化专业 指导教师 邸敏艳 作 者 张士暖 摘摘要要 步进电动机是一种执行元件 它能将电脉冲信号转化为角位移或线位移 它 具有结构简单 控制方便 工作可靠等一系列优点 经常应用在一些简易数控系统中 单片机的集成度很高 它 将计算机的主要部分都集中在一块芯片上 具有体积小 价格低廉 使用方便灵活等优点 可以方便的组成各种智能化的控制设备和仪器 单片机可以与步进电动机结合起来进行精确的速度及位置控制 在学习了步进电动 机和单片机的工作原理的基础上 提出了 以 AT89C51 单片机为核心的步进电机的运 动控制系统 系统设计了步进电机的驱动电路 显示电路和按键控制电路等硬件系统 并结合单片机的软件编程 通过按键实现了对步进电动机运动的控制 步进电动机 转轴带动叶片旋转 模拟风扇反向 正向 减速 加速等转动 关关键键词词 步进电动机 单片机 运动控制系统 驱动电路 按键电路 显示电路 Abstract Stepping motors is an actuator that can turn electrical impulses signal into angular displacement or line of displacement It has a series of advantages for example simple in structure convenient in control reliable and so on often used in some simple numerical control system Single chip computer is the main part of the focus on a single chip circuit chip small volume low cost use agile easy to control the composition of all kinds of intelligent equipment and instruments SCM combine with the stepping motor can realize accurate control in speed and position By learning the principle of stepping motor and MCU and putting forward a stepping motor movement s control system that based on the AT89C51 System designs stepping motor s driver circuit show circuit and control circuit s hardware system such as buttons connecting with the single chip microcomputer software programming through the key to realize the stepping motor control of movement The stepping motor drives blade rotation axis simulate fan inversion turning slow accelerate and stop Keywords stepping motor single chip microcomputer motion control system drive circuit key circuit show circuit 第 1 章 绪论 1 1 运动控制系统的概述 运动控制系统主要研究工作机械的位移 转矩 速度等方面的理论和技术问题 具体来说 运动控制系统是以电动机为控制对象 以电力电子功率变换装置为执行 1 机构 以高性能的控制器为核心 在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制 系统 它能使各种工作机械按人们所预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动 运 动控制系统主要应用在工业领域 国防领域 家电领域 机器人等领域 它对被控量 进行控制 通过电动机将电能转化为机械能 实现运动控制的运动要求 本文讲述的运动控制系统的控制对象是步进电动机 所以有必要对电机控制系统 进行一下介绍 1 2 电机运动控制系统概述 电机是一种能量转换的机械 它在电能的生产 变换 传输 使用过程中起着十 分重要的作用 例如 电动机 可以把电能转换成机械能 发电机则与之相反 而变 压器 变频器 移相器分别用于改变电源电压 频率和相位 控制电机则作为控制 系统的控制元件或执行元件 随着社会的发展 工业生产的自动化程度不断地提高 控制电机的需求越来越大 所以电机的运动控制系统显得越发的重要 电机运动控制技术是以电动机为控制对象 以电力电子器件应用为基础 利用 2 电子技术与微处理器控制和计算机辅助设计 computer aided design简称CAD 等 手段 在自动控制理论的指导下 并且与检测技术和数据通信技术相结合 构成一门 具有相对独立性的科学技术 在现代工业 现代农业 现代国防 交通运输和日常生 活中得到了广泛的应用 1 3 计算机控制系统的发展概述 1946年2月14号 美国宾尼法尼亚大学 创造了世界上首台计算机ENIAC 从而进 入了现代计算机阶段的新时代 在过去的几十年里 计算机技术发展迅猛 随着计 算机开始应用于工业生产过程控制 计算机技术与控制理论相结合 产生了计算机 控制系统 这就为自动控制系统的发展 与应用奠定了基础 计算机 工业控制机 和生产过程 构成了计算机控制系统的两大部分 工业 3 控制机包括硬件与软件 它是根据生产过程的要求与特性而专门设计的计算机 生 产过程则有以下几部分构成 测量变送 执行机构 被控对象 电气开关等 计算机 控制系统的控制过程分三步执行 即实时数据采集 实时决策控制 实时控制输出 计算机控制技术的发展大致经历了试验阶段 实用普及阶段 和分级控制这三个阶段 随着计算机控制技术的发展 新的控制理论与控制方法层出不穷 计算机控制技术正 面向人工智能 模糊控制 自适应控制 实现最优控制等的方向发展 1 4 本文主要内容 本设计想要完成的是步进电动机带动叶片旋转 即模拟风扇转动 通过对步进电 动机的学习 掌握步进电动机的驱动控制方法 利用 AT89C51 单片机实现对步进电 动机的旋转控制 然后通过轴连接带动风扇叶片旋转 首先介绍了步进电动机和单片机的工作原理 然后设计了一个可行的方案 并对 该方案的系统硬件和软件进行了详细的介绍 近年来 单片机 发展迅速 并且 开始 在多个领域得到广泛应用 用单片机控制步进电机 降低了投资成本 减少了硬件的 使用 使某些方面 操作起来更简单 且提高了系统的可靠性 第 2 章 步进电动机 2 1 步进电动机简述 步进电动机是一种执行元件 它能将电脉冲信号转化为角位移或线位移 每施 4 加一个脉冲信号 它就前进一个角度 这个角度成为步 距角 在负载允许的范围内 输入步进电机的控制脉冲数及它的频率决定了电机转子的角位移和转速的大小 它们 之间成正比关系 并且在时间上是同步的 输入电机的脉冲数和频率一旦发生变化 转子的转角和转速也相应的变化 如果想改变电机的转向 只要改变电机控制绕组的 通电顺序即可 由于计算机控制系统属于数字控制系统 而步进电机可以直接利用数 字信号 并且没有累积误差 所以用计算机很容易实现步进电动机的开环数字控制 2 2 步进电动机的分类及其工作原理 步进电动机的种类繁多 根据工作原理的不同可以分为磁阻式 反应式 永 5 磁式 永磁感应子式 混合式 三种步进电动机 磁阻式步进电动机 Variable Reluctance简称VR 也叫做反应式步进电动机 定子和转子铁心均由软磁材料冲片叠装而成 定子上至少有三对磁极 每极上装有控 制绕组 转子上没有控制绕组 是一个带齿的铁心 通过磁阻转矩使转子旋转 反应 式步进电机制作简单 价格低廉 步距角可以做的相当小 只是在动态方面的性能 较差 永磁式步进电动机 Permanent magnet简称PM 定子磁极上装有两相或多相 控制绕组 转子由一对或多对极的星形永久磁铁制成 它本身就是磁源 定子每相 绕组的极数决定了转子的极数 它们之间是相等的关系 它的启动和运行频率较低 并需要正 负脉冲供电 步 距角一般较大 但是动态性能较好 永磁感应子式步进电动机 Hybrid简称HB 又称混合式步进电机 在结构与 原理上 它同时具有反应式与永磁式两者 的优点 消耗功率较小 步距角可做得较 小 启动频率与运行频率比较高 并且还需要正 负脉冲供电 制造工艺较复杂 它 是目前最常用的一种步进电机 2 2 1 反应式步进电动机 以三相反应式步进电动机为例 结构如图 2 1 定子上有六个磁极和三相绕组 每相绕组绕在相对的两个磁极上 根据右 手定则可知 只要绕组通电 就会在这两 个磁极上产生极性相反的磁场 电机的转子铁心上分布 着等间距的小齿 定子磁极 上也有很多 并且定转子齿距是相等的 转子铁心上 没有绕组 本身也没有磁性 工作时 根据要求将脉冲信号按一定顺序 频率加在各相绕组上 电机就按预定的方 向和转速旋转 图2 1 三相反应式步进电动机的结构示意图 以步进电机的单相通电状态为例 当只给A相绕组通电时 电机内 就产生以AA 为轴线的磁场 由于磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过 磁导与磁阻成反比 也 就是磁导最大的路径 而磁导最大的位置就是定转子齿相对的位置 所以转子的平衡 位置就是在A相磁极下定转子齿相对的位置 A相绕组断电马上给B相通电 转子平衡位置就转移到 B相磁极下定转子齿相对的 位置 转子沿顺时针转过1 3齿距 齿距为 为转子齿数 rt Z 360 r Z 当B相断电同时C相通电 同理转子又沿顺时针方向转过 1 3齿距 若绕组通电顺序按A B C A方向依次进行 电机转子就逐步按顺时针方向转动 每一步的转动角度就是一个步距角 转子的齿数越多 转子的步 距角越小 步进电 机的位置越精确 当绕组通电按A

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