王超畢業(yè)設(shè)計論文基于單片機控制的步進電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1、河南工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機控制的步進電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計學生姓名 26506106 系（部） 電氣信息工程系 專 業(yè) 電氣自動化 指導教師 2007年 06 月 02日畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書題目名稱 基于單片機控制的步進電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計學生姓名所學專業(yè)班級0631班指導教師姓名所學專業(yè)職稱一、設(shè)計（論文）主要內(nèi)容及進度二、主要技術(shù)指標(或研究目標)三、進度計劃四、重要參考文獻教研室主任簽字： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目名稱 基于單片機控制的步進電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計學生姓名專業(yè)班級一、 選題的依據(jù)和意義 隨著信息化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,步進電動機功能日趨完善,電動機已經(jīng)成為機械自

2、動化的基礎(chǔ),步進電機已經(jīng)應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中,另外在工業(yè)自動化生產(chǎn)線中,印刷設(shè)備等中亦有應用.二、國內(nèi)外研究綜述 21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，機電技術(shù)的成果會更多的用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運算定位進度高、分解性能高、靈活性高的機械系統(tǒng)中出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完備的通信設(shè)備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，從生產(chǎn)方面看，可編程控制器和其它工業(yè)控制機械技術(shù)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編

3、程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。伴隨著機械系統(tǒng)的發(fā)展，可編程控制器成為自動化控制網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。三、設(shè)計（或研究）的內(nèi)容介紹了用AT89C51型單片機內(nèi)部定時器改變CPU 脈沖頻率從而實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)速的控制,.包括步電機的特點,硬件電路的設(shè)計及改造等要注意的一些問題.四、畢業(yè)設(shè)計（論文）所用的方法1、 圖書館專業(yè)書籍查詢2、 互聯(lián)網(wǎng)搜索五、主要參考文獻與資料獲得情況1 張洪潤,藍清華. 單片機應用技術(shù)教程M，北京:清華大學出版社,1997.2 秦曾煌. 電工學M . 北京:高等教育出版社,1999.3 常斗南,等. 可編程序控制器原理、

4、應用、實驗M . 北京:機械工業(yè)出版社,1998.4 于海生,等. 微型計算機控制技術(shù)M . 北京:清華大學出版社,1999.5 王福瑞,等. 單片機微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全M . 北京:北京航空航天大學出版社,1998. 6 陳理壁. 步進電機及其應用M . 上海: 上?？茖W技術(shù)出版社,1989.7 劉保延,等. 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)M . 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,1997.8 季維發(fā),過潤秋,嚴武升等. 機電一體化技術(shù)M .北京:電子工業(yè)出版社,1995.9 郭敬樞,莊繼東,孔峰. 微機控制技術(shù)M . 重慶:重慶大學出版社,1994. 10劉國榮. 單片微型計算機技術(shù)M . 北京:機

5、械工業(yè)出版社,1996.六、指導教師審批意見 年 月 日河南工程學院畢業(yè)（設(shè)計）論文中期進展情況檢查表系部： 檢查日期： 學生姓名專業(yè)班級指導教師（設(shè)計）論文題目目前已完成任務是否符合任務書要求進度尚須完成的任務能否按期完成任務存在的問題和解決辦法存在的問題擬采取的辦法指導教師意見指導教師對學生勞動紀律、設(shè)計（論文）進展等方面的評語系部負責人簽字河南工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查匯總表（系部）系部： 填表日期： 年 月 日 第 頁專 業(yè)班 級學 生姓 名檢 查日 期檢 查地 點檢 查 內(nèi) 容備 注系部負責人簽字： 畢業(yè)設(shè)計（論文）的評價意見指導教師評語：分數(shù)： 簽名： 年 月 日評閱人評語：

6、分數(shù)： 簽名： 年 月 日答辯小組評語：答辯小組成員簽字：分數(shù)： 簽名： 年 月 日答辯委員會意見（同意給優(yōu)、良、中、及格、不及格等次）分數(shù)： 簽名： 年 月 日河南工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄表學 號姓 名班 級系 別專 業(yè)答辯時間設(shè)計（論文）題目參加答辯教師姓名教師提問情況記錄學生回答情況記錄綜合評定 記錄人： 年 月 日河南工程學院優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計（論文）推薦表教學部門（蓋章）： 填表日期： 年 月 日學生情況姓名性別出生年月所在專業(yè)指導教師情 況姓名性別專業(yè)技術(shù)職務所在單位畢業(yè)設(shè)計（論文）題目主要涉及研究方向選題依據(jù)及背景實驗、實踐或?qū)嵙暬A(chǔ)主要研讀書目指導教師評語 指導教師簽字： 年

7、 月 日教學部門意見（教學部門公章）年 月 日屆畢業(yè)設(shè)計（論文）工作總結(jié)（教研室填寫）系部專業(yè)工作小結(jié)： 簽字： 年 月 日摘 要步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性頻率來實現(xiàn)步進電機的調(diào)速，因為步進電機每給一個脈沖就的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電機的調(diào)速一般是改變輸入步進電機的脈沖的轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這樣就可以通過控制步進電機的一

8、個脈沖到下一個脈沖的時間間隔來改變脈沖的頻率，延時的長短來具體控制步進角來改變電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。在本設(shè)計方案中采用AT89C51型單片機內(nèi)部的定時器改變CP脈沖的頻率從而實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)速進行控制，實現(xiàn)電機調(diào)速與正反轉(zhuǎn)的功能。關(guān)鍵詞： 步進電機 單片機 調(diào)速系統(tǒng)AbstractStep-by-step electric motor is the ring opening gating element changing electricity pulse signal into angular displacement or line displacement. Under

9、the situation of must overload, the electric motor rotation rate , discontinuous location depend on pulse signal frequency and pulse number only , make free from being loaded with the effect changing ,but be that being added a pulse signal , the electric motor by electric motor is to have rotated a

10、step spur angle. This gleam of the sexual relationships existence, adds step-by-step electric motor characteristics such as only having the cyclicity error but there being no accumulative error.Feasible simplicity controlling a field using step-by-step electric motor to come to control changeable ex

11、traordinary in speed , location etc.Step-by-step electric motor speed regulation general be change import step-by-step electric motor pulse frequency come true step-by-step electric motor speed regulation, because of step-by-step electric motor every be given to a pulse right away rotate one fixed a

12、ngle, such right away not bad pass under the control of step-by-step electric motor a pulse arrive at next pulse period come to change pulse frequency,Come to control the speed regulation , realizing step-by-step electric motor thereby to come to change the electric motor rotation rate step-by-step

13、angle concretely the deferred length. Frequency adopt the internal timer of AT89C51 type monolithic machine to change CP pulse in the design plan in realizes the speed regulation controlling , realizing an electric motor and the function that the positive and negative rotates being in progress to st

14、ep-by-step electric motor rotation rate thereby.Key words：Step-by-step Electric Motor Monolithic Machine Speed Regulation System目 錄前言····························

15、;··················································

16、;·································1第一章 步進電機概述···············

17、··················································

18、··················2第一節(jié) 步進電機的特點······························

19、·················································2第二節(jié) 步

20、進電機的工作原理················································

21、3;·······················2 第三節(jié) 步進電機的技術(shù)參數(shù)························&

22、#183;···············································3第四節(jié) 步進電機詳細調(diào)速

23、原理·················································

24、3;···················4第二章 硬件電路的設(shè)計····························

25、3;·················································5第一節(jié)

26、 單片機的選擇·················································

27、;·······························5第三章 軟件的設(shè)計·················&

28、#183;·················································&

29、#183;·················7第一節(jié) 顯示子程序的設(shè)計······························

30、··············································7第二節(jié) 鍵盤子程序的設(shè)計··

31、;··················································

32、;························8 第三節(jié) 驅(qū)動程序流程的設(shè)計·······················&#

33、183;················································9第四節(jié) 正反轉(zhuǎn)

34、程序流程的設(shè)計·················································

35、;···················10 一、 正反轉(zhuǎn)程序流程圖····························

36、83;·············································10 二、 轉(zhuǎn)速快慢程序流程圖··

37、··················································

38、···················11 三、 定時中斷流程圖·····························

39、;··················································

40、;12第四章 實驗結(jié)果與分析···············································

41、3;······························13第一節(jié) 有關(guān)參數(shù)的計算與分析·················

42、··················································

43、·13第二節(jié) 理論與實際的分析··············································

44、3;···························14第五章 總結(jié)·····················&#

45、183;·················································&#

46、183;·························15參考文獻·······················&#

47、183;·················································&#

48、183;····························16致謝····················

49、3;·················································

50、3;·······································17前 言 把電脈沖信號變換成角位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的微特電機。在自動控制裝置中作為執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖信號，步進電動機前進一

51、步，故又稱脈沖電動機。步進電動機多用于數(shù)字式計算機的外部設(shè)備，以及打印機、繪圖機和磁盤等裝置。 步進電動機的驅(qū)動電源由變頻脈沖信號源、脈沖分配器及脈沖放大器組成，由此驅(qū)動電源向電機繞組提供脈沖電流。步進電動機的運行性能決定于電機與驅(qū)動電源間的良好配合。主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實現(xiàn)閉環(huán)控制。步進電動機已廣泛地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機床、計算機外圍設(shè)備、自動記錄儀、鐘表等之中，另外在工業(yè)自動化生產(chǎn)線、印刷設(shè)備等中亦有應用。現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電

52、機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅(qū)動方案所選用的步進電機。第一章 步進電機概述第一節(jié) 步進電機的特點1、步進電機控制容易，成本低，失去會引起控制誤差，轉(zhuǎn)速有限。2、步進電機外表允許的溫度高。步進電機溫度過高首先會使電機

53、的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3、步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4、步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于

54、該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。第二節(jié) 步進電機的工作原理 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累

55、誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。第三節(jié) 步進電機的技術(shù)參數(shù)步進電機的基本參數(shù)如下：1、空載啟動頻率即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。2、電機固有步距角 ÷÷它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，步進電機的步距角為兩相整步是1.8度 三相是0.6度 現(xiàn)在的步進電機都有細分的驅(qū)動器，細

56、分數(shù)又決定的步距角例如兩相的步進電機驅(qū)動器為5細分步距角為1.8/5=0.36 3、 步進電機的相數(shù) 是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。4、保持轉(zhuǎn)矩是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步

57、進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說5N.M的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為5N.m的步進電機。第四節(jié) 步進電機詳細調(diào)速原理 一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入肘步進電動機一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)

58、角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。通過延時的長短來具體控制步進角來改變電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)步進電的調(diào)速。具體的延時時間可以通過軟件來實現(xiàn)。這就需要采用單片機對步進電機進行加減速控制,實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔,單片機控制步進電機加減法運轉(zhuǎn)可實現(xiàn)的方法有軟件和硬件兩種 ,軟件方法指的是依靠延時程序來改變脈沖輸出的頻率,其中延時的長短是動態(tài)的,軟件法在電機控制中, 要不停地產(chǎn)生控制脈沖, 占用了大量的CPU 時間,使單片機無法同時進行其他工作;硬件方法是依靠單片機內(nèi)部的定時器來實現(xiàn)的,在每次進入定時中斷后,改變定時常數(shù),從而升速

59、時使脈沖頻率逐漸增大,減速時使脈沖頻率逐漸減小,這種方法占用CPU 時間較少,在各種單片機中都能實現(xiàn),是一種比較實用的調(diào)速方法。第二章 硬件電路的設(shè)計第一節(jié) 單片機的選擇 本次設(shè)計以CPU選用89C5l作為步進電機的控制芯片89C51的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上使用方便等優(yōu)點，而且完全兼容MCS5l系列單片機的所有功能。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個

60、芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。1、單片機的引腳功能:1）VCC（40）：電源+5V。2）VSS（20）：接地，也就是GND。3）XTL1（19）和XTL2（18）：振蕩電路。  單片機是一種時序電路，必須有脈沖信號才能工作，在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時，需在XTL2上加外部時鐘信號（詳細的內(nèi)容將在以后的課程中專門介紹）。4）PSEN（29）：片外ROM選通信號，低電平有效。5）ALE/PROG（30）

61、：地址鎖存信號輸出端/EPROM編程脈沖輸入端。6）RST/VPD（9）：復位信號輸入端/備用電源輸入端。 7）EA/VPP（31）：內(nèi)/外部ROM選擇 端                              8）P0口（39-32）：雙向I/O口。9P1口（1-8）：準雙

62、向通用I/0口。9）P2口（21-28）：準雙向I/0口。原理圖如2-1所示。圖2-1 AT89C51的引腳圖 系統(tǒng)原理圖如下所示。圖2-2系統(tǒng)原理框圖第三章 軟件的設(shè)計第一節(jié) 顯示子程序的設(shè)計顯示子程序如圖3-1所示。圖3-1 顯示程序流程圖第二節(jié) 鍵盤子程序的設(shè)計鍵盤程序流程圖如圖3-2所示 圖3-2 鍵盤程序流程圖第三節(jié) 驅(qū)動程序流程的設(shè)計主程序流程圖如圖3-3所示。 返回圖3-3 主程序流程圖第四節(jié) 正反轉(zhuǎn)程序流程的設(shè)計一、 正反轉(zhuǎn)程序流程圖圖3-4 正反轉(zhuǎn)程序流程圖二、 轉(zhuǎn)速快慢程序流程圖3-5 轉(zhuǎn)速快慢程序流程圖三、定時中斷流程圖圖3-6 中斷子程序流程圖第四章 實驗結(jié)果與分析第一

63、節(jié) 有關(guān)參數(shù)的計算與分析在單相三拍方式控制中，假如A相電源通電，B、C兩相都不通電，在磁場作用下，使轉(zhuǎn)子齒和A相的定子齒對齊。若此時為初始狀態(tài)，并設(shè)與A相磁極對齊的齒為0號齒，由于B相齒與A相齒相差120度。且不為整數(shù)。所以此轉(zhuǎn)子不能和B號齒對齊，只有13號小齒靠近B相磁極的中心線，與中心線相差3度，如果此時變?yōu)锽相通電，萬里A、C兩相不通電，則B相磁極迫使與13號齒對齊，整個齒就轉(zhuǎn)了3度，稱為一步。步進電機就是以這種方式作為動力而轉(zhuǎn)動。在單相三拍A-B-C-A通電一周，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動了9度。固步距角可用公式5-1表示： 其中為步距角，N為運行的拍數(shù)，為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。其中，為控制的相繞阻，C在三拍中為1，在六拍中為2。 步距角的速度的控制是通過改變脈沖的時間間隔來控制的。如果步進電機每轉(zhuǎn)20圈要2秒。則每進一步所在的時間為：計算公式如6-2所示： 可見只要輸出一個脈沖后延時再輸脈沖就可以達到自定的速度。本次設(shè)計在求的轉(zhuǎn)速范圍為0到，最高轉(zhuǎn)速時的精度為2%。功率為1W。得：步進脈沖之間的延遲時間為。 = 延遲時間在0到。精