步进电机的控制课程设计报告

一般课程设计报告问题：步进电动机控制专业化：电子信息工程年度：2010层次学号：学生姓名：张天贵联系电话：老师：黄杰完成日期：2013年12月20日贺州大学课程设计报告步进电动机控制摘褥子利用8051单片机STC89C51、集成芯片ULN2003和电阻整流等集成组件和各个组件，创建了实现基于8051单片机四相步进电机的开环控制系统的简单智能步进电机控制系统。该系统符合四相步进电机的正向反转、停止、速度测量和显示速度分级等功能的要求，具有精度高、尺寸小、控制方便、灵活等优点。关键词：8051单片机；ULN2003；四相步进电动机ABSTRACTusing 8051 micro controller STC 89 C51，integrated chip uln 2003 resistance as well as integrated components such as crystals and discrete componentskey words 3360551 single chip micro computer；ULN2003Four phase stepper motor。.列表摘我ABSTRACTII1设计要求和方案选择11.1设计要求11.2选择方案12理论分析和设计32.1步进电动机原理和控制32.2设计原则分析62.3计划演示93电路设计93.1硬件电路设计93.2软件设计144系统测试214.1用于调试的基本设备列表214.2调试结果和分析215汇总22参考文献23附录23PCB图23实物图表241贺州大学课程设计报告1设计要求和程序选择1.1设计要求(1)为了了解步进电动机的工作原理，对数据进行了探讨。(2)通过单片机旋转步进控制电机；(3)按钮可控制启动停止和正反转。(4)测量步进电机的速度。(5)使用的电路板必须有作者的名字和学号。1.2选择方案1.2.1步进电动机控制程序案例1:以电子电路为基础的控制步进电机由电脉冲的信号控制，电脉冲的信号产生、分配，大泉由电子元件的运动实现。脉冲控制信号通常驱动能力弱，因此必须有功率放大驱动路径。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路相结合，构成步进电机驱动系统。该控制电路设计简单，功能强大，可进行普通步进电机的细分工作。该系统由三部分组成：脉冲信号生成电路、脉冲信号分配电路和功率放大驱动电路。系统配置如图1-1所示。脉搏打孔控制系统设备环形状分店配给设备功勋导电让路大驱动器台阶进入电气机器图1-1基于电子电路控制系统此程序可以是开环控制或闭环控制。开环，稳定性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。闭环控制，即高精度细分，无级调速。闭环控制持续直接或间接检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理自动赋予脉冲链，使步进电机分别响应控制信号的命令，除非控制策略正确的电动机不能轻易失去步调。该方案通过多个大规模集成电路控制脉冲输出频率和脉冲输出数。提供相对单一的功能，更改控制方案需要重新设计，因此灵活性较差。场景2:基于PLC的控制PLC也称为可编程控制器，是工业计算机。PLC是下一代工业控制器，广泛应用于所有行业的自动控制系统，具有通用性、实用性、完整的硬件支持、方便的编程、高可靠性。步进电机控制系统由PLC、环形分配器和电源驱动电路组成。控制系统使用PLC产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角，控制伺服机构的进给速度，同时通过编程脉冲频率控制步进电机的旋转速度，控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电动机的供电顺序分配给相应的绕组。PLC控制步进电机可以使用软件环分配器，也可以使用硬件环分配器。使用软件环分配器会占用更多的PLC资源。特别是在步进电动机绕组相位数大于4的情况下，必须考虑大型生产线。使用硬件环分配器，硬件结构有点复杂，但可以节省PLC资源，目前市场上准备了多种专用芯片。步进电机电源驱动电路放大PLC输出的控制脉冲，实现更大的驱动能力，驱动步进电机。使用软件生成控制步进电动机的环脉冲信号，并使用PLC的计时器生成速度脉冲信号，从而节省专用步进电动机驱动器并降低硬件成本。PLC的扫描周期通常相同，但PLC的扫描周期通常为几毫秒到几十毫秒，其频率只有数百赫兹，因此受PLC运行方式限制及其扫描周期的影响，步进电机无法在高频模式下运行，无法进行高速控制。此外，速度越高，受扫描周期的影响，相应的控制精度越低。场景3:基于单片机的控制利用单片机控制步进电机，实现了软件和硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，实现了步进电机的最优控制。系统使用单片机连接器线直接控制步进电机的各相驱动线。由于单片机的强大功能，还设计了大量外围电路，键盘作为外部中断源，设置步进电机正向、反向、等级、停止等功能，调用中断服务程序，完成对步进电机的优化控制，显示及时正常旋转、反向速度等状态。环形分配器的功能由微控制器系统实现，利用软件编程实现脉冲分布。此程序的优点包括：(1)单片机软件编程自动控制复杂的控制过程，精确控制，防止阶段损失、振动等对控制精度的影响。(2)通过使用软件(而不是环形分配器)设置单片机，实现同电路的多相步进电机控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性。(3)单片机的强大功能，将显示电路、键盘电路、复位电路等周边电路有机地组合在一起，大大提高了系统的交互性5。基于上述优点，此次设计采用了基于单片机的控制系统。1.2.2基于单片机的电动机控制程序选择微控制器选项1:使用零量微控制器。特点：体积小，稳定性好，扩充方便，采用COMS制造工艺，功耗低，工作电压范围大，但价格昂贵，不利于提高作品的性价比。场景2:使用51系列微控制器。51系列的单片机具有系统结构简单、价格低廉、易于使用的诸多优点。这次对单片机的要求不高，采用51单片机。选择驱动器回路场景1:达林顿驱动芯片ULN2003，2003为极电极使用开放式驱动芯片，并能驱动四相步进电动机，价格低廉。案例2:驱动程式晶片L298、L298可以用作h桥接器驱动程式晶片，以提供负载的双向电流。简单方便，但相应的费用增加了。综合本设计的要求，在满足本设计的要求方面，选择选项更经济。回路选择标记案例1:液晶显示器的缺点是液晶显示器方便、美观、显示大量资讯的特性，成本高。场景2:通过LED数字管，数字贡献在硬件连接上看起来更加复杂，并且根据情况使用不同的芯片。LED比液晶LCD液晶显示器更经济实惠。2理论分析与设计2.1步进电动机原理和控制步进电动机是将电脉冲信号转换成直线或角度位移的执行要素，因此不能直接连接交流/直流电源，必须使用专业设备。-步进电动机控制驱动器，典型的步进电动机控制系统如图2-1所示。控制器可以发送脉冲频率从数赫兹到数千赫兹持续变化的脉冲信号，并为环形分布器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是在控制环中按照一定的规律分布脉冲序列，然后通过放大功率放大器，添加到步进电机驱动电源的输入端来驱动步进电机的旋转，环形分配器主要分为两类。一种是用计算机软件设计的方法实现环分配器要求的功能，一般称为软环分配器。另一类是由硬件组成的环形分配器(通常是硬环形分配器)。功率放大器主要通过放大环形分配器的小输出信号来实现驱动步进电动机的目的，步进电动机的基本控制包括转向控制和速度控制。从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍、三相六拍三种，其基本原理如下：(1)整流顺序控制电源整流过程称为脉冲分配。例如，三相步进电动机以单个三拍操作的方式工作，每个相位的供电顺序为ABCA，电源控制脉冲必须按照此顺序严格控制A、B、C相的阻塞。三相对三块的通电顺序为ABBCCAAB，三相六块的通电顺序为AABBBCCCAA。(2)步进电机换向控制如果给定的工作方式按顺序供电，步进电动机在旋转。如果步进电动机是3相6拍，则反向按AABBBCCCAAACCCBBBAA将反转电动机。其他方式的情况也类似。(3)步进电机速度控制向步进电机发送控制脉冲，一步，另一步，再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电动机旋转得越快。调整传送到步进电动机的脉冲频率，可以调试步进电动机。(4)步进电机启动和停止控制步进电机由于电气特性，运转时有步进感。为了使电机旋转平稳，减少振动，步进电机上的脉冲升降控制沿着细分梯形波进行，减少步进电机的步进角度，省略电机运行稳定性。为了防止电机轴在步进电机停止过程中因惯性而滑动，应使用适当的锁定波形生成锁定磁矩，锁定步进电机轴，防止步进电机轴自由旋转。(5)步进电机加减速控制在步进电机控制系统中，通过实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于惯性不能跟上电信号的变化，就会发生阻塞和奥斯台现象。所有步进电动机在启动时必须有加速过程，在停止时波形必须有减速过程。理想的加速曲线通常是指数曲线，步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程的频率变化规律的逆过程。选定的曲线更符合步进电动机提升过程的运行规律，能充分利用步进电动机的有效扭矩，响应快，提升速度时间短，防止步进和过冲现象。在实际控制系统中，根据负载情况选择步进电动机。步进电动机能反应且不丢失相位的最大步进频率称为启动频率，类似的“停止频率”是系统控制信号突然关闭，步进电动机不通过目标位置的最大步进频率。马达的启动频率、停止频率和输出扭矩都必须与负载的惯性矩相符，并且必须有此类资料才能有效地控制马达的速度。加速过程具有突然应用的脉冲起始频率F0。步进电动机的最大启动频率(攻丝频率)通常为0.1KHz到3-4 khz，最大操作频率达到N*102KHz，直接在超过最大启动频率的频率下运行，将导致阻塞和跳动。F/HzFaFb0T/s图2-1步进电动机运行过程中的频率变化曲线在典型应用中，经过大量实践和反复验证后，频率直线增加或减少等控制效果可以满足一般应用要求。利用PLC实现步进电机的加速减速控制，实际上那就是调节脉冲的频率。加速会增加脉冲频率，减速相反。使用计时器控制电动机的速度时，加速和减速控制是对计划中断的设置的持续更改。速度在v1到v2中变化，如果线性增加，则使用p作为给定斜度减速。突变的情况下，每个阶梯的处理速度更快。在此过程中需要处理的两个问题是：速度转换时间要尽可能短。要缩短速度转换时间，可以使用设置数据表的方法。通过合并每个曲线段的频率和段之间的阶梯频率，转换程序可以设置连续数据表，并将它们转换为计时初始表。可以通过在其他步骤中调用相应的计时初始值来控制电动机的运行。计时初始值的计算在计时中断外完成，不使用中断时间，并确保电机的高速运行。保证控制速度的正确性。要从一个速度准确地达到另一个速度，必须设置验证机制，使其不超过或超过所需的速度。(6)步进电机换向控制步进电机整流时，电机降速停止，或在跳跃频率范围内改变方向，以避免因大冲击而损坏电机。整流信号必须在前一方向的最后一个脉冲结束后，在下一方向的第一个脉冲前发射。对于脉冲设计，需要特定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀性以及高、低水平方法。特定高速正向和反向交换的本质包括降速整流三