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微型计算机的出现使得计算机控制进入了一个崭新的发展阶段。
由于微型计算机具有运算速度快、可靠性高、价格低廉和体积小等特点,因此,消除了长期阻碍计算机控制发展的计算机造价昂贵和可靠性低两大问题,并为计算机分散控制系统(DCS)的出现创造了条件。
20世纪70年代中期出现的DCS成功地解决了传统集中控制系统整体可靠性低的问题,从而使计算机控制系统获得了大规模的推广应用。
1975年世界上几个主要计算机和仪表公司,如美国的HoneyWell公司,日本的横河公司等几乎同时推出各自的DCS产品,并都得到广泛的工业应用。
20世纪90年代以后,随着现场总线控制技术的逐渐成熟、以太网技术的逐步普及、智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用,使嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器方便地接入现场总线和工业以太网络,直至与Internet相连,计算机控制系统步入了分布式网络化的控制阶段。
1.3单片机简介
单片机也被称为微控制器(MicrocontrollerUnit),常用英文字母的缩写MCU表示单片机,它最早是被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
随着近代超大规模集成电路的出现,单片机及其外围芯片有了迅速的发展。
集成技术的最新进展之一是将CPU和外围芯片及其他控制部件集成到一个芯片之中,制成单片计算机(SCM)。
近年来推出的一些高档单片机还包含有许多特殊功能单元,如A/D、D/A转换器、通讯控制器、浮点运算单元等。
因此,只要外加一些扩展电路及必要的通道接口就可以构成各种计算机应用系统,如工业控制系统、数据采集系统、智能接口、功能模块等。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统,因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
作为微型计算机的另一个发展分支的单片微型计算机介于工业控制计算机和可编程控制器之间,它有较强的控制功能、低廉的成本。
人们在选择电动机的控制器时,常常是在先满足功能需要的同时,优先选择成本低的控制器。
因此,单片机往往成为优先选择的目标。
20多年来的应用实践表明,单片机性能稳定通过在单片机上运行的控制程序来代替模拟或数字电路硬件,可以提高系统的功效,并且改变了传统的控制系统设计思想和方法。
从最近的统计数据也可以看出,世界上每年要有25亿片各种单片机投入使用。
单片机是目前世界上使用量最大的微处理器。
1.4设计的总体方案
本设计题目要求设计一个步进电机的控制器,按照题目要求系统可以分为五大模块。
驱动模块、显示模块、复位模块、按键模块和单片机模块。
系统方案如图1-1所示:
图1-1总体方案图
第2章步进电机的选择
2.1步进电机的特点
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单,并且非常适合于单片机控制。
步进电机的特点:
(1)步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比,因此当它转一转后,没有累计误差,具有良好的跟随性。
(2)由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统,既非常简单、廉价,又非常可靠。
同时,它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
(3)步进电机的动态响应快,易于起停、正反转及变速。
(4)速度可在相当宽的范围内平滑调节,低速下仍能保证获得大的转矩,因此,一般可以不用减速器而直接驱动负载。
(5)步进电机只能通过脉冲电源才能运行,它不能直接使用交流电源和直流电源。
(6)步进电机存在振荡和失步现象,必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。
(7)步进电机自身的噪声和振动较大,带惯性的能力较差。
2.2步进电机的分类
步进电机可以分为3大类:
(1)反应式步进电动机(VR)
反应式步进电动机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。
反应式步进电动机的转子是由软磁材料制成的,转子中没有绕组。
它的结构简单、成本低,步距角可以做得很小,但动态性能差。
(2)永磁式步进电动机(PM)
永磁式步进电动机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度。
永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的,转子本身就是一个磁源。
它的输出转矩大动态性能好。
转子的极数与定子极数相同,所以步距角一般较大。
需供给正负脉冲信号。
(3)混合式步进电动机(HB)
混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相:
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
它的输出转矩大,动态性能好,步距角小,但结构复杂,成本较高。
由于反应式步进电机的性能价格比比较高,因此本毕业设计选择步进电机的类型为反应式步进电机。
2.3反应式步进电动机
2.3.1反应式步进电动机的结构
图2-1是一个三相反应式步进电动机结构图。
从图中可以看出,它分成转子和定子两部分。
定子是由硅钢片叠成的。
定子上有6个磁极(大极),每2个相对的磁极(N、S极)组成一对,共有3对。
每对磁极都缠有同一绕组,也即形成一相,这样3对磁极就有3个绕组,形成3相。
可以得出,四相步进电动机有4对磁极、4相绕组;
五相步进电动机有5对磁极、5相绕组;
……依次类推。
每个磁极的内表面都分布着多个小齿,它们大小相同,间距相同。
转子是由软磁材料制成的,其外表面也均匀分布着小齿,这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同,形状相似。
由于小齿的齿距相同,所以不管定子还是转子,它们的齿距角都可以用公式(2-1)计算:
(2-1)
式中 Z——转子的齿数。
反应式步进电动机的动力来自于电磁力。
在电磁力的作用下,转子被强行推动到最大磁导率(或者最小磁阻)的位置如图2-2(a)所示,定子小齿与转子小齿对的位置),并处于平衡状态。
对于三相步进电动机来说。
当某一相的磁极处于最大磁导率位置如图2-2(b)所示,定子小齿与转子小齿不对齐的位置。
我们把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿;
把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称为错齿。
错齿的存在是步进电动机能够旋转的前提条件,所以,在步进电动
机的结构中必须保证错齿的存在,也就是说,当某一相处于对齿状态时,其他相必须处于错齿状态。
(a)对齿 (b)错齿
图2-1三相反应式步进电动机结构图2-2定子齿与转子齿之间的磁导现象
三相步进电动机的每一相磁极在空间上相差120度。
假如当前A相处于对齿状态,以A相位置作为参考点,B相与A相差120度,C相与A相相差240度。
下面我们可以计算当A相处于对齿状态时,B、C两相的齿错程度。
将A相磁极中心线看成0度,在0度处的转子齿为0号齿,则在120度处的B相磁极中心线上对应的转子齿号为120度/9度=13.3,即B相磁极中心线处转子第13号齿再过1/3齿距角的地方,如图2-3所示。
这说明B相错了1/3个齿距角,也即错齿3度。
图2-3A相对齿时B、C相的错齿
同理,与A相相差240度的C相磁极中心线上对应的齿号为240度/9度=26.7,即C相磁极中心线处于转子第26号齿再过2/3齿距角的地方,如图2-3所示。
这说明C相错齿6度。
2.3.2反应式步进电动机的工作原理
如果给处于错齿状态的相通电,则转子在电磁力的作用下,将向磁导率最大(或磁阻最小)的位置转动,即向趋于对齿的状态转动。
步进电动机就是基于这一原理转动的。
步进电动机的过程也可通过图2-4进一步说明。
当开关KA合上时,A相绕组通电,使A相磁场建立。
A相定子磁极上的齿与转子的齿形成对齿,同时,B相、C相上的齿与转子形成错齿。
a)
b)
图2-4步进电动机的步进原理
将A相断电,同时将KB合上,使处于错1/3个齿距角的B相通电,并建立磁场。
转子在电磁力的作用下,向与B相形成对齿的位置转动。
其结果是:
转子转动了1/3个齿距角;
B相与转子形成对齿,C相与转子错1/3个齿距角;
A相与转子错2/3个齿距角。
相似地,在B相断电的同时,合开关KC给C相通电建立磁场,转子又转动了1/3个齿距角,与C相形成对齿,并且A相与转子错1/3个齿距角、B相与转子错2/3个齿距角。
当C断电,再给A相通电时,转子又转动了1/3个齿距角。
与A形成对齿,与B、C两相形成错齿。
至此,所有的状态与最初时一样,只不过转子累计转过一个齿距。
可见,由于按A-B-C-A顺序轮流个个相绕组通电,磁场按A-B-C方向转过了360度,转子则沿相同方向转过一个齿距角。
同样,如果改变通电顺序,即按与上面相反的方向(A-C-B-A的顺序)通电,则转子的转向也改变。
如果对绕组通电一次的操作称为一拍,那么前面所描述的三相反应式步进电动机
的三相轮流通电就需要三拍。
转子每拍走一步,转子一个齿距角需要3步。
转子走一步所转过的角度称为步距角
,可用下式计算
(2-2)
式中N——步进电动机工作拍数。
从以上分析可知,反应式步进电动机对结构的要求是:
1.定子绕组磁极的分度角(如三相的120度和240度)不能被齿距角整除,否则无法形成错齿。
2.定子绕组磁极的分度角被齿距角除后所得的余数,应是步距角的倍数,而且数值与相数不能有公因子,否则无法形成错齿。
2.3.3反应式步进电动机工作方式
1.单三拍工作方式
三相步进电动机如果按A-B-C-A方式循环通电工作,就称这种工作方式为单三拍工作方式。
其中“单”指的是每次对一个相通电;
“三拍”指的是磁场旋转一周需要换相3次,这时转子转动一个齿距角。
如果对多相步进电动机来说,每次只对一相通电,要使磁场旋转一周就需要多拍。
以单三拍工作方式工作的步进电动机,其步距角按式(2-2)计算。
在用单三拍工作方式工作时,各相通电的波形如图2-5所示。
图2-5单3拍工作方式工作时的相电压波形
电压波形是方波,而电流波形是由两段指数曲线组成。
这是因为受步进电动机绕组电感的影响,当绕组通电时,电感阻止电流的快速变化;
当绕组断电时,储存在绕组中的电能通过续流二极管放电。
电流的上升时间取决与回路中的时间常数。
我们希望绕组中的电流能像电压一样突变,这一点与其他电动机不同,因为这样会使绕组在通电时能迅速建立磁场,断电时不会干扰其他相磁场。
为了达到这一目的可以有许多方法。
在续流二极管回路中串联一个电阻是其中一种有效的方法。
它可以在绕组断电时,通过续流二极管将储存在绕组中的电能消耗在电阻上,表现为电流波形下降的速度加快,下降时间减小。
2.双三拍工作方式
三相步进电动机的各相除了采用单三拍方式通电工作外,还可以有其他通电方式。
双三拍就是其中之一。
双三拍的工作方式是:
每次对两相同时通电时,即所谓“双”,磁场旋转一周需要换相3次,即所谓“三拍”,转子转动一个齿距角,这与单三拍是一样的。
在双三拍工作方式中,步进电动机正转的通电顺序为:
AB-BC-CA;
反转的通电顺序为:
BA-AC-CB。
因为在双三拍工作方式中,转子转动一个齿距角需要的拍数也是“三拍”,所以,它的步距角与单三拍一样,仍然用式(2-2)求得。
在用双三拍工作方式工作时,各相通电的波形如图2-6所示。
由图可见,每一拍中,都有两相通电,每一相通电时间都持续两拍。
所以,双三拍通电的时间长、消耗的电功率大,当然获得的电磁转矩也大。
双三拍工作时,所产生的磁场形状与单三拍时一样,如图2-7所示。
与单三拍另一个不同之处是:
双三拍工作时的磁导率最大位置并不是转子处于对齿的位置。
图2-6双三拍工作方式工作时的相电压波形
a)AB相通电b)BC相通电c)CA相通电
图2-7双三拍工作时的磁场的情况
当AB两相通电时,最大磁导率的位置是转子齿与A、B两相磁极的齿分别错+1/6个齿距角的位置,此时转子齿与C相错1/2个齿距角。
也就是说,在最大磁导率位置时,没有对齿的存在。
在这个位置,A和B’或A’和B两个磁极所产生的磁场,使定子与转子相互作用的电磁转矩大小相等,方向相反,使转子处于平衡状态。
同样,当BC两相通电时,平衡位置是转子齿与B、C两相磁极的齿分别错+1/6个齿距角的位置。
当CA两相通电时,平衡位置是转子齿与C、A两相磁极的齿分别错+1/6个齿距角的位置。
双三拍方式还有一个优点,就是不易产生失步。
这是因为当两相通电后,由图2-6和图2-7可见。
两相绕组中的电流幅值不同,产生的电磁力作用方向也不同。
所以,其中一相产生的电磁力起了阻尼作用。
绕组中电流越大,阻尼作用就越大。
这有利于步进电动机在低频区工作。
而单三拍由于是单相通电励磁,不会产生阻尼作用,因此当工作在低频区时,由于通电时间长而使能量过大,易于产生失步现象。
3.六拍工作方式是三相步进电动机的另一种通电方式,这是单三拍与双三拍交替使用的一种方法,也称作单双六拍或1-2相励磁法。
步进电动机的正转通电顺序为:
A-AB-B-BC-C-CA;
反转通电顺序为:
A-AC-C-CB-B-BA。
可见,磁场旋转一周,通电需要换相6次(即六拍),转子才转动一个齿距角。
这是单三拍与双三拍最大的区别。
由于转子转动一个齿距角需要六拍,根据式(2-2),六拍工作时的步距角要比单三拍和双三拍时步距角小一半,所以步进精度要高一倍。
六拍工作时,各相通电的电压波形如图2-8所示。
可以看出,在使用六拍工作方式时,有三拍是单相通电,有三拍是双相通电,对任一相来说,它的电压波是一个方波,周期为六拍,其中有三拍连续通电,有三拍连续断电。
图2-8六拍工作方式工作时的相电压波形
单三拍、双三拍、六拍这三种工作方式的区别如表2-1所示。
表2-1单三拍、双三拍、六拍三种工作方式的区别
工作方式
步序
控制位
励磁相
P1口输出
C相
B相
A相
单三相
1
A
01H
2
B
02H
3
C
04H
双三拍
AB
03H
BC
06H
CA
05H
三相六拍
4
5
6
由表2-2可以看出,这三种工作方式的区别较大,一般来说,六拍工作方式的性能最好,单三拍工作方式的性能较差。
因此,在步进电动机控制的应用中,选择合适的工作方式非常重要。
鉴于此,本论文步进电动机的工作方式选择的是三相六拍的工作方式,即(A-AB-B-BC-C-CA)。
表2-2三种工作方式的比较
单三拍
双拍
六拍
步进周期
T
每相通电时间
2T
3T
走齿周期
6T
相电流
小
较大
最大
高频性能
差
较好
转矩
中
大
电磁阻尼
振荡
易
较易
功耗
2.4系统运行过程综述
在系统上电时,电机停止不转,转速为零,数码管后两位显示00。
按S1键步进电机转速增加,并且随按键的次数的增加,步进电机转速逐级增加,同时显示的速度随着按键每隔10秒改变一次,当停止按键时,速度固定显示,而且每十秒刷新一次。
按S2键时,步进电机速度在已有的基础上逐渐减小,当减到零时,再按其转动方向改变。
同时在数码管百位显示(-)号,其速度显示同上。
按S3键步进电机快速停机。
第3章硬件设计
3.1单片机的选择
根据初步设计方案的分析,设计这样一个应用系统,可以选择带有EPROM的单片机,应用程序直接存储在片内,不用在外部扩展程序存储器,电路可以简化。
INTEL公司的8051和8751芯片均可选用。
还有其他与MCS-51系列相兼容的芯片例如ATMEL公司生产的AT89CXX系列单片机。
AT89CXX系列与MCS-51系列单片机相比具有片内程序存储器采用闪速存储器,使程序的写入更加方便的优势。
为此,我们选用AT89C52单片机。
该芯片的功能与MCS-51系列单片机完全兼容,并且还有程序加密等功能,相比而言更加实用。
AT89C52单片机是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8KB的可反复擦写的只读程序存储器和256字节的随机存取存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系统及8051产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,其强大的功能更适合较为复杂的控制应用场合。
其主要工作特性是:
·
片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器,可擦写寿命为1000次;
片内数据存储器内含256字节的RAM;
具有32根可编程I/O口线;
具有3个可编程定时器;
中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2级优先权的结构;
串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口;
具有一个数据指针DPTR;
低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式;
具有可编程的3级程序锁定位;
AT89C52工作电源电压为5(5±
0.2)V,且典型值为5V。
AT89C52最高工作频率为24MHZ,编程频率为3~24HZ,编程启动电流为1mA。
引脚排列及功能
首先对于I/O口线做一介绍。
P0口—8位、漏极开路的双向I/O口。
当使用片外存储器及外扩I/O口时,P0口作为低字节地址/数据复用线。
在编程时,P0口可用于接收指令代码字节;
在校验时,P0口可输出指令字节(须外加上拉电阻)。
P0口也可做通用I/O口使用,但需加上拉电阻,变为准双向口。
当作为普通输入时,应将输出锁存器置1。
P0口可驱动8个TTL负载。
P1口—8位、准双向I/O口,具有内部上拉电阻。
P1口是为用户准备的I/O口双向口。
在编程和校验时,可用做输入低8位地址。
用做输入时,应先将输出锁存器置1。
P1口可驱动4个TTL负载。
P2口—8位、准双向I/O口,具有内部上拉电阻。
当使用片外存储器或外扩I/O口时,P2口输出高8位地址。
在编程/校验时,P2口可接收高字节地址和某些控制信号。
P2口也可做普通I/O口使用。
P3口—8位、准双向I/O口,具有内部上拉电阻。
P3口可做普通I/O口使用。
在编程/校验时,P3口接收某些控制信号。
它可驱动4个TTL负载。
图3-1AT89C52引脚排列(PDIP)
AT89C52的引脚排列如图3-1所示:
表3-1列出了P1.0和P1.1替代功能。
表3-1P1.0和P1.1的替代功能
引脚
替代功能
说明
P1.0
T2
定时器2的外部事件输入端;
可编程脉冲输出端
P1.1
T2EX
定时器2的捕捉/重装触发器输入端;
定时器2的记数方向控制端
P3口提供各种替代功能,如表3-2所列。
表3-2P3口替代功能
引脚
P3.0
RXD
串行数据接收
P3.1
TXD
串行数据发送
P3.2
外部中断0申请
P3.3
外部中断1申请
P3.4
T0
定时器0外部事件记数输入
P3.5
T1
定时器1外部事件记数输入
P3.6
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