畢業(yè)設(shè)計(jì)機(jī)電傳動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1、設(shè)計(jì)題目： 機(jī)電傳動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)年級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 2007級(jí) 學(xué) 號(hào)： 071268155 學(xué)生姓名： 林建興 指導(dǎo)教師、職稱(chēng)： 葉大鵬 副教授 2011年5月20日dc servo motor experiment platform software system developmentcollege：mechanical and electrical engineering collegespecialty and grade：machine design &manufacturing and their automation, 2007 num

2、ber： 071268155 name ： jianxing lin advisor： dapeng ye associate professor submitted time: may 20,2011 目 錄摘要iabstracti1、引言11.1、本設(shè)計(jì)的目的和意義11.2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀11.3、本設(shè)計(jì)課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容和關(guān)鍵問(wèn)題.22、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)22.1、總體概述42.2、組成及特點(diǎn).53、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介43.1、分類(lèi)及產(chǎn)品名稱(chēng)代號(hào)43.2、工作原理及選用原則 .54、鍵盤(pán)與顯示電路設(shè)計(jì)94.1、鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)的功能及設(shè)計(jì)104.2、顯示實(shí)現(xiàn)的功能及設(shè)計(jì)115、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)1

3、25.1、驅(qū)動(dòng)電路作用35.2、驅(qū)動(dòng)電路方案及其原理.55.3、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)26、控制模塊設(shè)計(jì). 226.1、轉(zhuǎn)向控制設(shè)計(jì).226.2、速度控制設(shè)計(jì).226.3、位置控制設(shè)計(jì).227.制作及調(diào)試 .228.結(jié)束語(yǔ).33參考文獻(xiàn)35致謝36附錄37摘要本論文主要介紹對(duì)機(jī)電傳動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)、硬件電路的制作原理、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、位置控制以及轉(zhuǎn)速控制的軟件編寫(xiě)思路。系統(tǒng)采用雙h橋pwm驅(qū)動(dòng)芯片l298和avr芯片控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)鍵盤(pán)輸入設(shè)定參數(shù)，運(yùn)用軟件程序控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向、速度以及位置，并把設(shè)定參數(shù)在lcd顯示出來(lái)。本課題對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)性，對(duì)學(xué)生了解

4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有一定的系統(tǒng)性。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī) l298驅(qū)動(dòng) 鍵盤(pán)輸入 轉(zhuǎn)向控制 位置控制 轉(zhuǎn)速控制 lcd顯示輸出 abstractthis thesis mainly introduces dc servomotor and the software design, proteus emulation and hardware circuit making of its speed control, forward/reverse control and position control, as well as the process of integrated system debugg

5、ing. through the coordinated debugging of hardware & software, we can finally achieve the goal we have anticipated. in other words, by typing required rpm value, motor rotation and rotation angle, displaying on lcd the actual speed, direction and angles, which are internally conversed from pulse sig

6、nal reflected back by grating encoder sensor, the system, driven by two-paralleled h-bridge chip l298, pwm real-time control adopted, forming a close-loop control system. in this way, motor commutation can be precisely controlled, and the error range of actual rotate speed and angle can be controlle

7、d between negative 5% and 5%. in view of the status of dc servomotor and the influence it exerts on industrial control field, this design is strongly practical and worth popularizing.key words: step motor, l298 driver, key input, direction control，position control，speed control，lcd display output1、

8、引言1.1、本設(shè)計(jì)的目的和意義機(jī)電傳動(dòng)是指以電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的系統(tǒng)總稱(chēng)，在現(xiàn)代工業(yè)中，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的要求，機(jī)電傳動(dòng)不僅包括拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)，而且包括控制電動(dòng)機(jī)的一整套控制系統(tǒng)。因此在近年來(lái),隨著科技的飛速發(fā)展,單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入。在儀器儀表、家用電器和專(zhuān)用裝備的智能化以及過(guò)程控制等方面,單片機(jī)都扮演著越來(lái)越重要的角色。在工業(yè)過(guò)程實(shí)時(shí)控制中，轉(zhuǎn)速的檢測(cè)與控制一般占有很大的比重，它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能都有著至關(guān)重要的影響。對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用來(lái)講，一個(gè)在較大速度范圍內(nèi)具有高分辨率的快捷而準(zhǔn)確的測(cè)速系統(tǒng)是必不可少的1。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于它可以精確的調(diào)控速度和移動(dòng)

9、距離，步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。這是一般電機(jī)所做不到的。在民用領(lǐng)域，多用于數(shù)碼產(chǎn)品之中。在普通的數(shù)碼相機(jī)中，步進(jìn)電機(jī)可以用來(lái)快速而又精確地移動(dòng)照相機(jī)的防抖模塊，使得ccd或者鏡片防抖等功能得以實(shí)現(xiàn)！還有應(yīng)用于卡片機(jī)的伸縮鏡頭中,或用于精確對(duì)焦等等. 我們研制的機(jī)電傳動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)即以單片機(jī)作為核心部件,它可完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、方向、行程的閉環(huán)控制。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是讓學(xué)生更加容易的掌握用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定直流和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行特性，并根據(jù)測(cè)得的運(yùn)行特性評(píng)定該被試電動(dòng)機(jī)的有關(guān)性能。熟悉各種電機(jī)

10、常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)電路及控制方式，掌握各種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.位置和轉(zhuǎn)向控制方法。讓學(xué)生對(duì)各種電機(jī)的了解具有一定的系統(tǒng)性，對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)性。1.2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀電機(jī)為工業(yè)發(fā)展不可缺少的一大元素，并扮演著重要的角色。電機(jī)的應(yīng)用不僅在動(dòng)力應(yīng)用方面不斷擴(kuò)大，而且在控制領(lǐng)域的使用范圍也在不斷的擴(kuò)大。隨著控制電機(jī)重要性的增加，控制電機(jī)的使用量也逐年增加。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種控制電機(jī)，不使用反饋回路就能進(jìn)行速度控制及定位控制，即所謂的電機(jī)開(kāi)環(huán)控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理早已有之，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與電磁鐵和柱塞泵同一時(shí)期開(kāi)發(fā)，法國(guó)人佛羅曼提出了將電磁鐵的吸引力轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)力矩的方法，從驅(qū)動(dòng)電路方面看，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的

11、發(fā)展與晶體管半導(dǎo)體元件的發(fā)展密不可分。（步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有高精度的定位、位置及速度控制、具有較好的定位保持力、動(dòng)作靈敏、開(kāi)回路控制不必依賴(lài)傳感器定位。中低速具備高轉(zhuǎn)矩、小型高功率等特點(diǎn)，使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，特別是在一些要求控制精度高，可靠性也高，而成本要求低的場(chǎng)合，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)代替閉環(huán)控制的伺服電機(jī)，有非常大的優(yōu)勢(shì)。步進(jìn)電機(jī)作為一種控制執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛運(yùn)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械中。單片機(jī)的普及與運(yùn)用，為步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)用開(kāi)辟了廣闊的前景，使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復(fù)雜的控制器得以用軟件實(shí)現(xiàn)，既降低了成本又提高了控制的靈活性、

12、可靠性及多功能性。本設(shè)計(jì)采用了avr系列單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向、位置、轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。1.3、本設(shè)計(jì)課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容和關(guān)鍵問(wèn)題1）本設(shè)計(jì)課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：（1）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件選擇以與總體方案設(shè)計(jì)；（2）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中電路板線路的設(shè)計(jì)以及制作；（3）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制程序編寫(xiě)；（4）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)直流電機(jī)控制程序編寫(xiě)。2）本設(shè)計(jì)應(yīng)解決的主要問(wèn)題：1) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體方案設(shè)計(jì)2) 電路板線路的制作3) 步進(jìn)電機(jī)的步距角的細(xì)分控制及位置控制2、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)2.1、總體概述2.2、硬件系統(tǒng)組成及特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)器和控制器這三部分組成，控制器提供

13、了具有一定頻率的脈沖串以及啟動(dòng)、方向等控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器則產(chǎn)生具有一定功率的脈沖信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作。本設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖如下圖21所示。單 片 機(jī)接口電路按鍵輸入設(shè) 定 值單片機(jī)avrl298驅(qū)動(dòng)電路服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)lcd顯示輸出圖21 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制原理框圖本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)各相關(guān)環(huán)節(jié)如下所示：1）、系統(tǒng)輸入：采用44矩陣式按鍵實(shí)現(xiàn)設(shè)定值的輸入；2）、系統(tǒng)輸出：采用lcd1602顯示輸出，可顯示兩行數(shù)據(jù)，每行各16個(gè)顯示單元；3）、控制芯片：采用avr單片機(jī)芯片，該芯片具有3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器0還可以當(dāng)成2個(gè)8位定時(shí)器使用；4）、執(zhí)行元件：采用永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)

14、，額定電壓24v，額定轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分；5）、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)：由l298驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，該電路可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，且可以直接用單片機(jī)的io口提供信號(hào)；3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介3.1、分類(lèi)及部分產(chǎn)品名稱(chēng)代號(hào)1）.分類(lèi)步進(jìn)電機(jī)分為包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（vr）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（pm）、混合式步進(jìn)電機(jī)（hb）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。永磁式

15、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好，但步距角一般比較大。一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，它是pm和vr的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類(lèi)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類(lèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類(lèi)電機(jī)。2）.部分產(chǎn)品名稱(chēng)代號(hào)表3-1

16、部分步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)電機(jī)型號(hào)相數(shù)類(lèi)型步距角相電流額定轉(zhuǎn)矩42byg0092混合式0.9/1.81.3a0.25nm90byg26012混合式0.75/1.54a3.5nm36bf0033反應(yīng)式1.5/31.5a0.08nm45bf0083反應(yīng)式1.5/30.2a0.118nm110byg25014混合式0.9/1.84a12nm110byg25024混合式0.9/1.85a20nm110byg55015混合式0.36/0.723a10nm90bf0065反應(yīng)式0.36/0.723a2.16nm3.2、工作原理及選用原則 1）.工作原理步進(jìn)電機(jī)的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，其功用是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的

17、角位移或是直線位移，就是給一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或是前進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率(f)成正比，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。如下所示的步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。圖3-1四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意

18、圖開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)sb接通電源，sa、sc、sd斷開(kāi)，b相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和c、d相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和d、a相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開(kāi)關(guān)sc接通電源，sb、sa、sd斷開(kāi)時(shí)，由于c相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和c相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和a、b相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和a、d相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類(lèi)推，a、b、c、d四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著a、b、c、d方向轉(zhuǎn)動(dòng)。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖2.a、b、c所示：圖3-2 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖2）.選用原則步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。（1）.步距角的選擇電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度