基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計開題報告

1、本科畢業(yè)設計開題報告 題 目：基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計 專 題： 院 （系）： 電氣與信息工程學院 班 級： 電氣0912 姓 名： 楊光 學 號： 2009021750 指導教師： 隋曉紅 教師職稱： 副教授 黑龍江科技學院本科畢業(yè)設計開題報告題 目基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計來源工程實際1、 研究目的和意義本課題研究的目的是綜合運用所學的單片機原理及其接口技術理論知識，加強對所學知識的理解，鍛煉設計單片機應用系統(tǒng)能力，以單片機為核心設計一個簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全、適應性強，操作方便、交互性強，可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。本課題研究的意義是了解單片機的內(nèi)部結構、組成，學習

2、單片工作原理及其內(nèi)部工作狀態(tài)，并熟悉不同時刻，單片機輸入輸出情況；了解步進電機的分類和用途，掌握步進電機內(nèi)部結構及其工作原理，并學習使用單片機簡單控制步進電機的正傳、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及簡單了解國內(nèi)外步進電機的發(fā)展狀況。 2、 國內(nèi)外發(fā)展情況(文獻綜述)(1) 國內(nèi)外常見步進電機控制系統(tǒng).基于電子電路控制 步進電機受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動電路。步進電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。此種控制電路設計簡單，功能強大，可實現(xiàn)一般步進電機的細分任務。這個系統(tǒng)由三部

3、分組成:脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。 此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時，其平穩(wěn)性好，成本低，設計簡單，但未能實現(xiàn)高精度細分。采用閉環(huán)控制，即能實現(xiàn)高精度細分，實現(xiàn)無級調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當?shù)奶幚?，自動給出脈沖鏈，使步進電機每一步響應控制信號的命令，從而只要控制策略正確電機不可能輕易失步川。 該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需重新設計，因此靈活性不高。.基于單片機控制 采用單片機來控制步進電機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結合的控制方法。用軟件代替環(huán)

4、形分配器，達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強大功能，還可設計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結合的方法來調(diào)用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配. 本方案有以下優(yōu)點(1)單片機軟件編程可以使復雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響;(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高

5、了接口電路的靈活性和通用性; (3)單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。.基于PLC的控制 PLC也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學和可靠性高等優(yōu)點而廣泛應用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。步進電機控制系統(tǒng)有PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖。通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，進而控制伺服機構的進給速度。環(huán)形脈沖分配器將PL

6、C輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應的繞組。PLC控制的步進電機可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用PLC資源較多，特別是步進電機繞組相數(shù)大于4時，對于大型生產(chǎn)線應該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結構稍微復雜些，但可以節(jié)省PLC資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅(qū)動電路將PLC輸出的控制脈沖放大，達到比較大的驅(qū)動能力，來驅(qū)動步進電機。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用PLC中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器，降低硬件成本。但由于PLC的掃描周期一般為但由于PLC的掃描周期一般為幾毫秒

7、到幾十毫秒，相應的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時，由于受到掃描周期的影響，相應的控制精度就降低了.(2)步進電機驅(qū)動技術基本類型 步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了，它的組成、工作原理和今天的反應式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀80年代以后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。步進電機驅(qū)動技術指的是用步進電機驅(qū)動器的驅(qū)動級來實現(xiàn)對步進電機各相繞組的通電和斷電，同時也是對繞組承受的電壓和電流進行控制的技術。到目前為止，

8、步進電機驅(qū)動技術通常分為單電壓驅(qū)動、單電壓串電阻驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、升頻升壓驅(qū)動和細分驅(qū)動等 . 單電壓驅(qū)動是通過改變電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。該驅(qū)動方式早在六十年代初期國外就已大量使用，它的優(yōu)點是結構簡單、成本低;缺點是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時更加嚴重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜艘蟛桓叩牟竭M電機驅(qū)動。單電壓串電阻驅(qū)動是在單電壓驅(qū)動技術的基礎上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。它提高了步進電機的高頻響應、減少了電動機的共振，也帶來了損耗大、效率低的缺點。這種驅(qū)動方式目前主要用于小功率或啟動、運行頻率

9、要求不高的場合。 高低壓驅(qū)動是指不論電動機的工作頻率是多少，在導通相的前沿用高電壓供電來提高電流的上升沿斜率，而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過改善電路的時間常數(shù)來使矩頻性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動方式的電機，其繞組的電流波形在高壓工作結束和低壓工作開始的銜接處呈凹形，致使電機的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動方式目前在實際應用中還比較常見。 為了彌補高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十年代中期研制出斬波電路，該電路由于采用斬波技術，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應增加，故電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻

10、，整個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應用，本文正是應用恒流斬波技術實現(xiàn)了驅(qū)動控制。 為改善恒流驅(qū)動方式的低頻特性，設計一個低速時低電壓驅(qū)動，高速時高電壓驅(qū)動的電路，使其成為一個由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關穩(wěn)壓驅(qū)動電源。在低速運行時，電子控制器調(diào)節(jié)功率開關管的導通角，使線路輸出的平均電壓較低，電動機不會像在恒流斬波驅(qū)動下那樣在低速容易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象，從而避免產(chǎn)生明顯的振蕩。當運行速度逐漸變快時，平均電壓漸漸提高以提供給繞組足夠的電流。調(diào)頻調(diào)壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路，但實際運行中需要針對不同參數(shù)的電機，相應調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。 細分驅(qū)動是指在每次

11、脈沖切換時，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細分驅(qū)動時，繞組電流不是一個方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除。比如:電流分成n個臺階，轉(zhuǎn)子則需要n次才轉(zhuǎn)過一個步距角，即n細分細分驅(qū)動最主要的優(yōu)點是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩;其次，減弱或消除了步進電機的低頻振動，降低了步進電機在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f細分驅(qū)動技術是步進電動機驅(qū)動與控制技術的一個飛躍。3、研究/設計的目標：（1） 系統(tǒng)結構簡單，成本低；（2） 功能較為齊全；（3） 適應性強；（4） 電機各種運行狀態(tài)指示一

12、目了然，操作方便；（5） 系統(tǒng)抗干擾和可靠性高；LCD按鍵電源1單片機電源2電機驅(qū)動電路復位電路步進電機3、 設計方案（研究/設計方法、理論分析、計算、實驗方法和步驟等）：系統(tǒng)組成方框圖本系統(tǒng)由電源、顯示(指示)、單片機(MCU )、按鍵電路、看門狗電路和電機驅(qū)動電路等組成。系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動電路。鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結合的方法來調(diào)用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。4、 方案的可行性分析：(1)采用單片機作為控制核心，利用其強大的功能，把鍵盤電路

13、和顯示電路有機的結合起來，組成一個操作方便，交互性強的控制系統(tǒng)。(2)鍵盤電路和顯示電路都采用動態(tài)掃描技術，節(jié)約了單片機資源。(3)驅(qū)動電路采用了恒流斬波電路，可以彌補單電壓電路的不足:電流過大，電源利用率過低，高頻響應差。采用光電隔離技術實現(xiàn)高壓主驅(qū)動回路與微電子控制部分有效隔離，避免由于功率開關管的導通和關斷產(chǎn)生的瞬時高壓信號反串到控制級造成誤動作，甚至電路毀壞。5、 設計產(chǎn)品的主要用途和應用領域：設計產(chǎn)品主要用于打印機、掃描儀、傳真、空調(diào)及多功能自動化辦公設備?；趩纹瑱C實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)具有成本低、使用靈活的特點，廣泛應用與數(shù)控機床、機器人，定量給進、工業(yè)自動控制以及各種可控的有定

14、位要求的機械工具等應用領域。7、時間進程1周 收集材料； 2周 整理材料；3周 閱讀材料； 4周 設計論文布局；5周 編寫緒論； 6周 系統(tǒng)硬件設計；7周 繪制硬件草圖； 8周 完善硬件結構圖；9周 用PROTEL繪制硬件圖紙； 10周 打印硬件圖紙； 11周 檢查硬件圖紙； 12周 完成軟件設計；13周 整理設計資料撰寫論文； 14周 完成論文初稿并檢查；15周 指導教師批閱論文； 16周 論文修改結束并定稿； 17周 完成畢業(yè)說明書及其它相關資料； 18周 準備答辯相關事宜；8、參考文獻：1 吳紅星.電機驅(qū)動與控制專用集成電路及應用M.北京:中國電力出版社，2006.2 史敬灼.步進電機伺

15、服控制技術M.北京：科學出版社，2006.3 夏明娜,高玉芝.單片機系統(tǒng)設計及應用M.北京:北京理工大學出版社，2011.4 王自強.步進電機應用技術M.北京：科學出版社，2010.5 譚建成.新編電機控制專用集成電路與應用M.北京：機械工業(yè)出版社，2005-7.6 王曉明.電動機的單片機控制M.北京：北京航空航天大學出版社，2011.7 王志新,羅廣文.電機控制技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2011.8 王成元,夏加寬,孫宜標.現(xiàn)代電機控制技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2009.9 張毅剛,彭喜元,彭宇.單片機原理及應用M.北京：高等教育出版社，2010.10 雷凱.步進電機細分驅(qū)動技術的研

16、究D.蘇州大學碩士論文.2003.11 戴文進,張景明.電機設計M.北京：清華大學出版社，2010.12 徐順隆，徐朝陽.輕松學電機M.北京：中國電力出版社，2008.13 尹基華,余洋,余長江.圖解電機基礎知識入門M.北京：機械工業(yè)出版社，2012. 14 胡漢才.單片機原理及接口技術M.北京：清華大學出版社，2010.15 張迎新.單片機基礎M.北京：北京航空航天大學出版社，2006.16 孫鶴旭.交流步進傳動系統(tǒng)M.北京：機械工業(yè)出版社，1996.17 杜洋.愛上單片機M.北京：人民郵電出版社，2011.18 史敬灼.步進電動機伺服控制技術M.北京：科學出版社，2006.19 劉錦波、張

17、承慧 電機與拖動M 清華大學出版社，2006.20 王曉明.電動機的單片機控制M.北京：北京航空航天大學出版社，2002.21 孟憲芳.電機及拖動基礎M.西安：西安電子科技大學出版社，2009.22 孫建忠.特種電機及其控制M.北京：中國水利水電出版社，2005.23 Albert C.Leenhouts.Smooth Step Motor Motion With Half Driver.Annual Symposium onIMCSD.1995,24(2).24 Jossen.A,Spath.V, Doring.H.Battery management systems (BMS)for increasing batterylife time.Telecommunications Energy Conference. INTELEC ,