單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)開(kāi)題報(bào)告doc

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號(hào)：學(xué) 院、系：專 業(yè)：設(shè) 計(jì) 題 目：指導(dǎo)教師:2012年 2月 23日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 題 報(bào) 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述一、研究目的和意義 電動(dòng)機(jī)控制是工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程中一個(gè)相當(dāng)重要的組成部分，隨著工業(yè)自動(dòng)控制對(duì)電動(dòng)機(jī)控制產(chǎn)品需求的不斷增加，現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)也變得越來(lái)越重要，基于單片機(jī)的控制已經(jīng)廣泛用于電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域。 本文主要介紹步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)原理及其驅(qū)動(dòng)程序控制模塊，通過(guò)STC89C52單片機(jī)、脈沖分配器(又稱邏輯轉(zhuǎn)換器) L298及其ULN2003類的驅(qū)動(dòng)IC完成步進(jìn)電機(jī)和

2、直流電機(jī)各種運(yùn)行方式的控制。實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)速度控制并且顯示數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)按鍵控制，操作方便，節(jié)省成本，滿足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確要求。二、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用在生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算計(jì)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師，由此可見(jiàn)在大學(xué)相關(guān)專業(yè)普及新型單片機(jī)應(yīng)用知識(shí)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 單片機(jī)在中國(guó)

3、的發(fā)展起源于20世紀(jì)80年代。目前，中國(guó)各大學(xué)及院校普遍采用MCS-5系列作為單片機(jī)教學(xué)的教材。MCS-5l系列的實(shí)驗(yàn)儀器也得到很大發(fā)展，許多單片機(jī)實(shí)驗(yàn)儀生產(chǎn)廠家研制有多功能綜合性的MCS-5l系列的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使得在高校MCS-5l系列實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配備相當(dāng)完善。在工業(yè)控制、消費(fèi)電子產(chǎn)晶、辦公自動(dòng)化設(shè)備、智能儀器儀表、汽車電子等不同的領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用 但是隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，MCS-51系列應(yīng)用領(lǐng)域己逐漸被新型單片機(jī)所代，例如STC89C52單片機(jī)采用精簡(jiǎn)指令集、流水線取指的方式，抗干擾能力強(qiáng)，性能價(jià)格比高，深受電子設(shè)計(jì)專家的普遍歡逐。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種已經(jīng)過(guò)千，并還

4、廣泛用于電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和通信技術(shù)的日新月異，單片機(jī)的功能將更加強(qiáng)大，可靠性更高。將眾多功能集成在一塊芯片上，使得芯片的功能更加強(qiáng)大，應(yīng)用更為廣泛，這是將來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。隨著步進(jìn)電機(jī)技術(shù)的不斷改進(jìn)，傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，未來(lái)步進(jìn)電機(jī)的新概念將以創(chuàng)新、超越為理念，更多地融入高新技術(shù)的最新成果，充分展示將來(lái)工業(yè)領(lǐng)域上的人性化。三、主攻方向及設(shè)計(jì)內(nèi)容 電動(dòng)機(jī)控制是工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程中一個(gè)相當(dāng)重要的組成部分，隨著工業(yè)自動(dòng)控制對(duì)電動(dòng)機(jī)控制產(chǎn)品需求的不斷增加，現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)也變得越來(lái)越重要，基于單片機(jī)的控制已經(jīng)廣泛用于電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域。本文主要介紹步進(jìn)電機(jī)和直流

5、電機(jī)原理及其驅(qū)動(dòng)程序控制模塊，通過(guò)STC89C52單片機(jī)、脈沖分配器(又稱邏輯轉(zhuǎn)換器) L298及其ULN2003類的驅(qū)動(dòng)IC完成步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)各種運(yùn)行方式的控制。實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)速度控制并且顯示數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)按鍵控制，操作方便，節(jié)省成本，滿足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確要求。本文以基于STC89C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)STC89C52單片機(jī)、脈沖分配器(又稱邏輯轉(zhuǎn)換器) L298及其ULN2003類的驅(qū)動(dòng)IC，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及數(shù)字顯示，從而達(dá)到單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)功能的目的。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖參考文獻(xiàn)1袁任光,張偉武.電動(dòng)機(jī)控制電路選用與

6、258實(shí)例M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005. 2李夙.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998. 3王鴻鈺.步進(jìn)電機(jī)控制入門M.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1990. 4張友德.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)M.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社2005. 5王秀和.永磁電機(jī)M.北京: 中國(guó)電力出版社,2007. 6孫笑輝,韓曾晉.減少感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法J.電氣傳動(dòng),2001(1):8-11. 7馮江華,陳高華,黃松濤.異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制J.電工技術(shù)學(xué)報(bào),1999(6):29-33. 8江一朱凌,申仲濤.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真研究J.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2003(1):

7、10-13. 9韓利虎. 淺談步進(jìn)電機(jī)的基本原理J. 內(nèi)蒙古石油化工, Inner Mongolia Petrochemical Industry, 2007(11):109. 10張巍. 淺談單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)J. 安防科技,2006(3): 25. 11房玉明,杭柏林.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)J.電機(jī)與控制應(yīng)用200633464-64. 12 喬璐.,景林,韓英桃.一種實(shí)用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)J.微特電機(jī),2005(10):29-31. 13 康晶.采用反饋控制的步進(jìn)電機(jī)高低壓驅(qū)動(dòng)電路J.電力電子技術(shù),2003,37(1):61-62,65. 14 Isao Takahashi,

8、Toshihiko Noguchi.A new responese and high-efficiency control strategy of an motorJ.IEEE Trans on Ind Appl,1986,22(5):820-827. 15Depenbrock M.Direct self-control(DSC) of inverterfed machineJ.IEEE Trans on P E,1998,3(4):420-429. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 題 報(bào) 告本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：一、 本課題要研究的內(nèi)容1. 步進(jìn)電機(jī)的工作原理2. 說(shuō)明單片

9、機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制的方法3. 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4. 要求能控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速.向等（9）本課題的研究手段和途徑（給出方案，詳細(xì)敘述）（10）二、80C51單片機(jī)狀態(tài)顯示電路電源及時(shí)鐘電路鍵盤控制電路復(fù)位電路ULN2803啟動(dòng)電路步進(jìn)電 機(jī)設(shè)計(jì)原理圖分析（1）步進(jìn)電機(jī)（11）步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。 步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式(HB

10、)，步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，是工業(yè)過(guò)程控制和儀表中一種能夠快速啟動(dòng)，反轉(zhuǎn)和制動(dòng)的執(zhí)行 元件，其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，由于開(kāi)環(huán)下就能實(shí)現(xiàn)精確定位的特點(diǎn)，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電脈沖信號(hào)控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每個(gè)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（不距角）或前進(jìn)、倒退一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。 四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理 該設(shè)計(jì)采用了20BY-0型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為四相步進(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)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)某一

11、相繞組通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí)，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒(méi)有對(duì)齊，在磁場(chǎng)的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對(duì)齊，由此可見(jiàn)，錯(cuò)齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ) 相數(shù)：產(chǎn)生不同隊(duì)N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)，常用m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即ABBCCDDAAB,四相八拍運(yùn)行方式即AABBBCCCDDDAA。 leizi888 2010步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用表示。=360度（轉(zhuǎn)子齒角運(yùn)

12、行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒角為50齒角電機(jī)為例。四相運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*4）=1.8度，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360度/（50*8）=0.9度。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電的狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）。 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機(jī)不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。雖然靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)。但過(guò)分采用減小氣隙，增加勵(lì)磁匝數(shù)來(lái)提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。 四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律 目前，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有分散器件

13、組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)進(jìn)行控制，主要是利用軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配。四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時(shí)的時(shí)序 與波形分別如圖1 a、b、c所示。本設(shè)計(jì)的電機(jī)工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的時(shí)序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時(shí)的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進(jìn)電機(jī)跟不上頻率的變化后電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi)。 （2）89C51單片機(jī) （11）

14、tmel公司生產(chǎn)的89C51單片機(jī)是一種低功耗/低電壓高性能的8位單片機(jī)，它采用CMOS和高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容；片內(nèi)的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編程器來(lái)編程，內(nèi)部除CPU外，還包括256字節(jié)RAM，4個(gè)8位并行I/O口，5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，89C51單片機(jī)是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。 方案論證從該系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 要求可知，該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向，速度應(yīng)該有增減變化，通常用加減按鈕控制速度，這樣只要2根口線，再加上一根方向線盒一根啟動(dòng)信號(hào)線共需要

15、4根輸入線。系統(tǒng)的輸出線與步進(jìn)電機(jī)的繞組數(shù)有關(guān)。這里選四相步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)共有四相繞組，工作電壓為+5V，可以個(gè)單片機(jī)共用一個(gè)電源。步進(jìn)電機(jī)的四相繞組用P1口的P1.0P1.3控制，由于P1口驅(qū)動(dòng)能力不夠，因而用一片2803增加驅(qū)動(dòng)能力。用P0口控制第一數(shù)碼管用于顯示正反轉(zhuǎn)，用P2口控制第二個(gè)數(shù)碼管用于顯示轉(zhuǎn)速等級(jí)。數(shù)碼管采用共陽(yáng)的。（12） （13）三、論文進(jìn)度安排 2012.2.203.18 收集資料，確定選題及研究方向。2012.3.194.8 深化資料學(xué)習(xí)，熟悉單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的原理，學(xué)習(xí)單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的通信原理并學(xué)習(xí)使用相關(guān)畫圖軟件。2012.4.94.15 撰寫開(kāi)題報(bào)告。2012

16、.4.164.27 繪制出單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的硬件主電路圖，完成硬件部分的設(shè)計(jì)，并對(duì)相關(guān)部分配以解釋說(shuō)明。2012.4.285.8 完成論文初稿2012.5.95.13 論文初步評(píng)審, 修改論文，修正與完善設(shè)計(jì)方案2012.5.145.17 論文二次評(píng)審，進(jìn)一步修改完善,論文定稿2012.5.185.20 制作PPT，準(zhǔn)備答辯四、參考文獻(xiàn) 1 李群芳等.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)M.電子工業(yè)出版社,2005，(3):45-472 張洪潤(rùn),藍(lán)清華.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)教程M.清華大學(xué)出版社,1997,(4):65-683 南建輝等.MCS-51單片機(jī)原理及其應(yīng)用實(shí)例M.清華大學(xué)出版社,2003,(2):10-184 董燕飛.步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制.微計(jì)算機(jī)信息，2005,（2）：31-325 江志紅.51單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)案例精選M.清華大學(xué)出版社,2008,(4):68-696 張?jiān)?單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)例教程M.機(jī)械工業(yè)出版社,2011：21-357 周潤(rùn)景.單片機(jī)電路設(shè)計(jì)分析與制作M.機(jī)械工業(yè)出版社,201