太阳能雕花机开题报告.doc

本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 工业大学本科生毕业设计（论文）开题报告毕业设计题目： 太阳能雕花机 学 院： 信息科学与工程学院 专业班级： 电子信息工程 学生姓名： 指导教师： 20 年 3月 20日太阳能雕花机一、 课题研究的目的和意义随着社会经济的发展人们对能源的需求越来越大，而世界上的能源总有枯竭的时候。能源涉及到国家的安全，世界上的国家对能源的争夺也日益严峻。这时人们的目光不约而同的投向了新能源的开发与研究。而太阳能一起多种优点赢得人们的普遍青睐。太阳能的技术的发展也向多元化发展。步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。本设计就是将两者的优点集于一身，利用太阳能节能的特点和步进电机结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点的特点制作了太阳能雕花机。目前，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电机的发展。本设计针对目前各个领域对自动化的需要，采用STC89C51单片机与L297，L298N驱动芯片驱动多台步进电机同时独立工作，将它应用于各种复杂的控制领域，能使许多半自动控制的系统完全成为真正的全自动，特别是用在机器人等领域，能极大的提高生产力和降低劳动强度。由于步进电机具有快速启动、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。二、课题研究的主要任务和预期目标1主要任务及要求利用x-y二维步进电机实现二维运动平台的前进、后退、旋转以及做出类似玫瑰花瓣的图案的运动。应用单片机、步进电机驱动芯片、字符型LCD和键盘阵列，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动。2预期目标（1）熟悉和掌握单片机的结构和工作原理。（2）掌握单片机的接口技术和相关外围芯片的特性及控制方法。（3）掌握以单片机为核心的电路设计的基本方法和技术，了解有关电路参数的计算方法。（4）通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术。（5）通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，为今后从事相关工作打下基础。 （6）了解太阳能的意义和应用。拓宽了自己的创造性思维和分析解决问题的能力。掌握步进电机使用和控制方法，对太阳能和步进电机应用与实际有一个更深刻的认识。三、设计方案1设计思想步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，因此非常适合于单片机控制。步进电机的角位移或线位移量与电脉冲个数成正比，它的转速或线速度与电脉冲频率成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。通过改变脉冲频率的高低可以在很大范围内实现步进电机的调速，并能进行快速启动、制动和反转。 位移控制是步进电动机的一大优点， 可不借助位置传感器而只需简单的开环控制就能达到足够的位置精度，因此应用很广。本文以步进电动机控制二维运动平台为例，利用单片机实现对步进电动机转向、转速的控制；尤其是在单片机控制系统中，利用定时中断或函数调用的方法，对不同的图案设置成不同的函数，利用查询或中断的方法按键控制。对步进电动机进行精确的位移控制。 图1 二维运动平台的步进电机控制系统2方案论证2.1方案一：本设计cpu采用stc89c54rd+，步进电机控制驱动器使用L297，L298n，驱动X/Y轴步进电机通过滚珠丝杆带动二维工作台作联动，并由一只铅笔模拟加工刀具将所要加工的二维轨迹描绘出来。步进电机驱动电路：本设计的目的是实现单片机能同时实现两台步进电机的起/停、转向、加/减速和位置控制。在熟悉好各芯片的性能特点后，接下来就是分配好各芯片的控制任务。单片机主要完成脉冲的分配，使步进电机按照设定的方式运转，通过程序设定，从单片机的I/O口输出一系列有规律的脉冲信号；由于直接输出的脉冲信号驱动功率有限，很难直接驱动步进电机运转，所以必须经过驱动器进行脉冲放大，本设计采用的L297与L298N芯片能解决这个问题，它可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机。但是如果要实现多台步电机控制的设计，就不仅要重新分配好I/O资源，还要增加相应驱动芯片的数量。再利用单片机程序分配好控制字的存储单元，以及相应的内存地址赋值，使单片机能控制步进电机的起停、换向顺序、速度和位置变化。 系统的总电路设计此电路由一块STC89C54RD+，2块L297、2块L298N、2台4相4拍步进电机器以及相关的电路组成。利用单片机2个并行I/O口的部分引脚连接驱动芯片，各个端口直接与驱动芯片L297直接相连，L297与L298N共用一个+5V的电源，输出+36V的步进电机驱动电压；L298N的2、3、13、14四个输出引脚直接与一个四相四拍的步进电机相连。以同样的方式，连接另外两台电机的控制电路。 图2 步进电机驱动电路软件流程框图：对x，y方向的步进电机调用不同的速度值数组，实现x，y方向不同的速度，x、y方向合成实现不同图案的绘制。步进电机转速控制可由程序延时来完成，也可由定时器延时来完成。例如，X=sinx,Y=cosx,运动平台将按圆形运动。将不同函数编程数组，调用不同数组形成不同的图案函数。通过按键调用不同的图案函数，实现了用按键控制画不同的图案。图3 软件流程框图2.2方案二：采用直流电机、通用单片机、步进电机控制驱动器使用L298N。其他设计与方案一相同。直流电机调速性能优越，易平滑调速，这个是交流电机无法取代的，直流电动机过载能力较强，热动和自动转矩较大。 但是直流电机换向困难，还会产生火花，寿命短，要经常维护，价格也贵。直流电机控制没有步进电机精确，负载变化还会带来较大误差。而步进电机的转角与电脉冲相关，所以非常精确，通过控制电脉冲的数量控制转角非常容易实现。 为了弥补步进电机转矩不够大的不足，采用L298N、L297两个驱动芯片而不用L298N单一芯片控制。 所以综合以上两个方案的设计，采用方案一比较合理。3设计中要解决的主要问题和措施 步进电机在电脉冲的控制下能迅速起动、正反转、停转及在很宽的范围内进行转速调节;加工精度高，即要求一个脉冲对应的位移量小，并要准确、均匀。这就要求步进电机步距小，步距精度高，不得丢步或是过冲;动作快速。即不仅起动、停步、反转快，并能连续高速运转以提高劳动生产率;输出转矩大，可直接带动负载。步进电机的转矩不足，拖动能力不够，当驱动脉冲频率达到某临界值开始失步。由于步进电机的动态输出转矩随着连续运行频率的上升而降低，因而凡是比该频率高的工作频率都将产生失步。有3种解决方法：可使步进电机产生的电磁转矩增大，为此可在额定电流范围内适当加大驱动电流；在高频范围转矩不足时，适当提高驱动电路的驱动电压；改用转矩大的步进电动机等，也可使步进电机需要克服的转矩减小，为此可适当降低电机运行频率，以便提高电机的输出转矩。步进电机起动失步。由于步进电机自身及所带负载存在惯性，当加速时间过短时会出现这一现象。应该设置合理的加速时间，使电机从低速度平稳上升到某个速度。 步进电机产生共振也是引起失步的一个原因。步进电机处于连续运行状态时，如果控制脉冲的频率等于步进电机的固有频率，将产生共振。在一个控制脉冲周期内，振动尚未得到充分衰减，下一个脉冲就已来到，因而在共振频率附近动态误差最大并导致步进电机失步。解决方法：减小步进电机的驱动电流；采用细分驱动方法和阻尼方法。转子在步进过程中获得过多的能量时，转子的平均速度会高于定子磁场的平均旋转速度，使得步进电动机产生的输出转矩增大，从而使步进电机产生越步。当步进电机存在越步时，可减小步进电动机的驱动电流，以便降低步进电机的输出转矩或使减速时间加长。四、课题进度安排1、第一周至第三周：熟悉课题、查阅资料，进行方案论证；2、第四周：完成开题报告和外文翻译；3、第五周至第十二周：完成详细、具体的电路设计和程序设计； 4、第十三周至第十五周：交予导师做中期检查，并根据情况适当修改；5、第十六周至第十七周：完成毕业设计论文；6、第十八周：进行答辩。参考文献： 1李鸿主编.单片机原理及应用M, 湖南：湖南大学出版社，20042韩全立，王建明.单片机控制技术及应用M,北京：电子工业出版社，20043周平，伍云辉.单片机应用技术M, 四川：电子科技大学出版社，2004 4胡伟，季晓衡. 单片机C程序设计及应用实例M,北京：人民邮电出版社，2004 5朱定华.微型计算机原理及应用M,北京：电子工业大学出版社,2005.126李文江，张岩.用L298实现雷管脚线合股剥皮机多步进电机控制J，辽宁工程技术大学学报，2005.27赵龙庆，徐国栋.一种基与单片机的步进电机控制驱动器J，西南林学院学报，2005.68赵景波，王劲松.PROTEL2004电路设计M，北京：电子工业出版社,2004.79陈理璧. 步进电动机及其应用M,上海科学技术出版社，199510 E. N. Sanchez, A. G. Loukianov, R. A. Felix, “Dynamic triangular neural controller for stepper motor trajectory tracking”, IEEE Transaction on Systems, Man and Cybernetics Part C: Applications and Reviews, vol. 32, no. 1, pp. 24-30, February 2002.11 J. N. Chiasson and R. T. Novotnak, “Nonlinear speed observer for the PM stepper motor”, IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 38, no. 10, pp. 1584-1588, October 1993.12 M. Defoort, F. Nollet, T. Floquet, W. Perruquetti, “A third order sliding mode controller for a stepper motor”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.56, no. 9, pg. 3337-3346, September 200913 M. Bodson, J. Chiasson, R. Novotnak, and R. Rekowski, High performance nonlinear feedback control of a permanent magnet stepper motor, IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 1, no. 1, pp. 5-14, March 1993.14 M. Zribi and J. Chiasson, Position control of a PM stepper motor by exact linearization, IEEE Transactions on Automatic Co