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第1章引言
本章的内容是对选题的背景意义和研究现状的概述。
对单片机控制电机的变频调速功能和目前的发展趋势做了一定的阐述。
1.1选题研究背景与意义
由于微电子技术和计算机技术的发展非常的迅速,各行各业都开始对步进电机的要求有了很大的提升。
作为一种执行控制器,它在各个控制领域都得到了非常广泛的应用。
当需要精准控制不同的角度与不同的方向时,就可以利用步进电机的特性来解决这个问题。
步进电机已广泛应用于各个经济领域。
虽然说步进电机不是中国发明发现的,但是我们中国也很早的就开始跟随潮流在文化的征途上生产和应用,并慢慢的开始渗透到各个行业中去。
目前,驱动电路中的半导体器件大多可以国产化。
它是一种由可分离元件、计数器、触发器和环形分配器组成的电容耦合输入逻辑运算电路。
目前国外大量专用芯片的研发是步进电机控制与驱动研究的重要方向,其结果是驱动器的尺寸变得更小,但是驱动系统整体性能却能够有着显著的提升。
利用硬件和微程序来确保步进电机可以达到合理的加速与减速的过程是一个典型芯片的核心要求。
对于开环步进电机,例如日本的PPMC-101B,可以有一个可以根据实际情况进行适当的加减速过程,此外还有单步操作和不同的停止模式。
在真正的操作中如果想要对步进电机的旋转速度和步进量进行调节的话,要有一个中间装置:
脉冲发生器。
脉冲发生器和插补运算的设计可以通过单片机及采用专用逻辑电路的方法来实现[1]。
在时代飞速进步的现在,数字化和智能技术的不断发展,步进电机的应用将变得越来越广泛,受人们欢迎。
因此,控制系统有待改进。
步进电机在许多领域得到了应用,所以进一步提高电机的质量和功能显得很有必要。
通过单片机和软件控制能够以较低的成本优化系统,从而节省了很多麻烦和更新成本系统的成本。
将电动机控制与微处理器一起使用满足了数字时代发展的要求。
1.2国内外研究现状
步进电机由英国人于1920年代首先开发,当时由于工业机械化并不普及,因此控制步进电动机的方法仅限于简单的机械化操作。
因此,步进电动机的应用领域不是很广。
1950年代后期,由于晶体管电子技术开始慢慢的发展应用起来了,人类逐渐将这种技术也用在对步进电机的驱动控制里面了,也因此实现了步进电机的数字化控制和自动化控制。
人们似乎看到了机电设备结合起来一起运用的光明未来,因此步进电机也慢慢的开始发展壮大了起来,举个例子:
在冶炼金属,织布坊业以及工业的生产中都已经有了步进电机控制的出现。
晶体管电路的主要结构是分立元件加上模拟电路,想要做到精准的控制或者是实时的监管都是很难实现的,因为它的电路结构非常的复杂、电路的总体规模较大、价钱不菲并且电路的零点漂移不小,这些种种原因都让控制步进电机的输出的波形不够稳定。
1970年后,出现了微处理器。
微处理器与最新的计算机语言和软件编程结合使用,使电机控制装置更加智能,便捷,当然可以大大提高控制系统的精度。
特别是在最近的20年中,电子电源技术,微电子学和微处理器技术的飞速发展为步进电机控制系统的软件和设备控制方法带来了新的革命。
在硬件方面,有许多高级智能设备,例如PLC,逆变器,微控制器,DSP等,可用于步进电机控制。
在计算机程序中,可以使用诸如Proteus,Keil,汇编语言之类的程序来模拟步进电机的控制和编程。
可以说,随着科学技术的不断发展,步进电机控制系统已大大推动了其进步,并使其成熟到可以持续改进。
特别是近年来,随着科学技术、永磁材料、半导体技术和计算机技术的飞速发展,对电机的要求不断提高,这将促进行业在研发和生产技术上的进步,进一步提高电机的质量和功能。
单片机已成为步进电机的理想机器驱动来源,并且随着微电子学和计算机技术,软件与硬件一起联合起来控制的方式成为了人们追棒的方式,就是通过程序来发出控制脉冲,从而驱动硬件电路运行。
单片机通过利用软件来操控步进电机从而充分的发挥出发动机所有的潜力。
因此,单片机控制步进电机是必然趋势,这也与数字化趋势相吻合。
1.3论文结构和章节安排
第一章是整篇论文的正文开头部分,是对本课题背景和研究现状的概述,还附上本文的结构安排。
第二章是对步进电机的一些介绍,包括步进电机的三大种类的构造,步进电机的工作时候的原理,步进电机所具有的一些特点的整理,步进电机的选型根据,步进电机的优缺点对比,以及着重介绍单片机控制步进电机进行变频调速的方法。
第三章主要内容是对单片机控制的变频调速所用到的硬件电路的分析,包括对系统硬件电路所用模块的介绍以及系统的电路原理图。
第四章主要内容是对单片机控制变频调速的软件流程介绍,还有Proteus仿真展示。
第五章主要内容是系统的软硬件部分的研究制作过程,以及期间遇到的困难和一些学习到的解决方案。
第2章步进电机及其调速方式
本章的主要内容是对步进电机的一些介绍,包括步进电机的三大种类的构造,步进电机的工作时候的原理,步进电机所具有的一些特点的整理,步进电机的选型根据,步进电机的优缺点对比,以及着重介绍单片机控制步进电机进行变频调速的方法。
2.1步进电机的构造
步进电机属于无刷电机,维修工作量小。
由于步进电机是由脉冲输入驱动的,所以在多角度、多位移控制中得到了广泛的应用与认可。
(1)反应式(VR):
定子采用铜绕组,转子的材料为软磁结构[2]。
反应式电机的结构特点是比较简单,但是成本不高,步距角比较小而且在动态性能上比较不好、效率也不是很高,适用于对精准度需求低的地方。
(2)永磁式(PM):
这种步进电机很少被使用,步距角太大影响精度。
(3)混合式(HB):
同时囊括了以上两种的特别之处。
它的定子和转子上有许多小的齿,可以显著提高阶跃力矩的精度。
铜绕组形成定子,永磁体形成转子。
优点具体表现在输出的扭矩比较大,运动状态下的性能比较好,步距角不大,并且控制精确到位。
但是由于十分复杂的架构,制作的成本不低。
所以适用于对精度有着高要求的场合,有着十分优秀的性能表现。
2.2步进电机的工作原理
作为一种开环控制元件,且与一般的电机不同,步进电机可把电脉冲信号化作线或角位移。
在步进电机的正常运转即无过载的状况下,脉冲信号的频率和脉冲数的改变也会带动电机的转速进行变化,此时负载变化不产生影响。
因为有这种线性关系,再有步进电机的误差并不会积累,只会出现周期性的误差,以上种种步进电机的工作原理也是它为何会在速度与控制等控制领域被重用的原因。
调速原理:
使用单片机来控制,我们只要对发出的脉冲频率进行调节就能改变步进电机转速。
利用脉冲频率来控制电机转速和加速度。
步进角由相同开关电流产生的旋转力矩获得。
步进角与控制绕组相数、转子齿数和通电方式有关。
其中θ为电机步距角(越小越稳定),m为运行拍数;
Zr为转子齿数。
2.3步进电机的主要特点
1、步进电机若想成功的运转是需要有驱动的,而且对驱动信号也有限制,必须得是脉冲信号才行,如果没有脉冲信号的话步进电机就不会运作,这时加入一定的脉冲信号,电机又会根据一定的角度来运转,并且转动时候的速度与它的脉冲频率是成正比的。
2、步进电机能够实现快速度的启动运转也能实现快速度的停止运转。
3、电机的旋转方向是由脉冲来决定的,只要将输入的脉冲顺序作出调整,那么电机的转向也会跟着变。
4、位移量等同于脉冲信号数,并且误差不积累。
既可变为简单结构低精准度的开环控制系统,也可变为高精准度的闭环控制系统
5、在步进电机不运转的时候,它还有着自锁的功能。
6、可供选择的步距角有着很大的范围。
在步距不大的条件下,一般也能够在低速下高扭矩运转,也因为这样,步进电机可以不用减速器,可以直接的进行驱动负载。
7、一般来说,步进电机的精准度是有范围的,在步进角的3~5%之间,并且并不会积累。
8、步进电机的外表面有着最高温度的说法。
若温度太高的话,电机会退磁,这样的结果是转矩会降低,还有可能造成失步。
所以有必要根据电机的材质来确保外表的温度能够处在一个合理安全的范围之内,防止退磁。
磁性材料的退磁点不低于一百三十摄氏度,还有一些会达到两百摄氏度以上,所以如果步进电机的外表面温度在一百摄氏度之内是很正常的
9、电机的力矩与转速成反比。
电机的绕组电感会形成反向电动势。
也就是说,会跟着频率升高而变大。
所以说,电机相电流会与频率或者转速成反比。
由于步进电机的转矩与安匝数成正比,所以在任何速度下(包括零速度),通过电机绕组的电流决定了输出性能[3]。
10、步进电机在速度较低的时候是可以正常工作的,但是也是有速度限制的,如果超过速度限制就无法正常的启动,而且还会出现噪音。
所以说,步进电机是有一个标准的技术参数:
空载启动频率。
起动频率应随负载而降低。
步进电机要是需要高速运转是要有前提的,那就是在达到高速之前有一个提速的过程,刚开始的启动频率是比较低的,随后再慢慢的加速到所需要的高频。
这么看来,步进电机能在这么多技术领域得到人们青睐是有原因的,它的这些特点能在数字化时代发挥出非常大的作用,并且还能逐步的提高步进电机的技术以得到更多的拓展。
2.4步进电机选型
许多场合下都需要步进电机的参与,那么不同的场合中对电机的控制精度和负载力矩的要求都有所不同,这时候就需要作出适当选择以此来确定电机的选型。
(1)电机控制精度
根据电机步距角范围(步距角越小,运转的平稳性越好)来挑选符合条件的步进电机与驱动器。
同时据要求,可以算出所需细分级别的步进角,以取得尽量小的步进角来满足设计需求。
如果已经决定了需要的控制精度,那么我们最好选择的步距角范围是所需精度的二分之一或者更低。
(2)电机负载力矩
电机的负载转矩会对系统的后续的工作产生影响,包括效率性和系统的可靠性,所以选择合适的负载转矩显得尤为重要。
一般来说,步进电机的保持力矩要先选好。
一般情况下,在电机参数中很容易看到保持转矩。
当它被确定时,负载转矩的近似范围也将是可用的。
2.5步进电机的优缺点
在科学技术发展的大时代背景之下,步进电机的便频率调节速度一定意义上还能超越直流电机的调速系统。
步进电机的变频调速就是调整输入到驱动器里面不同的脉冲频率,或者调整步进电机驱动的细分参数来达到调速的目的。
一、优点:
1、因为速度与脉冲频率成正比,所以有很宽的速度范围;
2、最大扭矩是在电机停止运作的时候;
3、产生误差也不会累积,有很好的运动重复性;
4、电机的脉冲数旋转角度成正比;
5、没有电刷,电机寿命取决于轴承的寿命;
6、结构精简,成本低廉。
使用开环控制;
7、负载连电机能低速同步旋转;
8、电机的启停与反转都很迅速。
二、缺点:
1、控制不当,易发生共振;
2、转速不高;
3、扭矩不大;
4、能源的利用率较低;
5、高速工作有振动和噪声。
2.6步进电机变频调速的方法
本文使用单片机进行控制,有两种办法可以进行调速,即通过对单片机输出的脉冲频率或者换相周期的控制来调速。
第一个是软件延时法。
这种方法主要采用循环体进行。
但这种方法不精准:
因为它相当于控制CPU做一些消耗一定时间的动作,并根据CPU的执行情况判断经过了多长时间。
但是,CPU可能被进程中间的其他进程(具有高优先级的进程)强行占用。
CPU被迫中断当前的执行,优先执行高优先级的任务。
例如,如果您想延迟1分钟,在我们计划执行动作A之后,只需要1分钟,所以让CPU执行这个动作延迟1分钟。
如果CPU执行一半时突然发生紧急任务S(高优先级),需要CPU立即处理,则CPU先处理紧急任务再执行先前中断的任务。
那么,当任务A完成时,我们预计从执行开始到结束需要1分钟,但实际上已经超过了1分钟,因为它被中断了。
因此,软件延迟时间越长,越容易被中断,并且CPU不能被一个进程长期垄断,延迟就越不准确。
采用软件延时法实现调速的优点是程序简单,思路清晰,不占用硬件资源,缺点是CPU等待时间太长,占用大量的机器时间[4]。
此方法一般都是用在简单的控制过程中。
第二个是定时器中断法。
定时器/计数器由时钟信号脉冲计数,与硬件晶体振荡器直接相关。
计时器是添加“1”的计数器。
一个脉冲加一个计数,直到所有寄存器位都是1,然后是一个脉冲。
计数器返回到0,并将TF0(定时器T0)TF1(定时器T1)设置为1,以指示计时时间已过期。
计数值乘以单片机的机器周期为计时时间。
计数器:
在方式1下工作,如果要计数10000个数,可以将计数器的初始值设置为55536,使初始值555335到65535之间的数为10000。
计数器也称为定时器:
晶体振荡器产生脉冲信号。
当脉冲信号出现时,计数器将计数1。
如果频率高,脉冲信号产生快,计数器计数快。
计数器的每次计数都表示N秒已过。
然后让计数器计数10000,对应于10000N秒。
这样,我们想在10秒内做一些事情,设置计数器的初始值(设置计数器的数量),设置频率(确定产生脉冲的时间)。
计数器数达到65535后,产生溢出信号,引起中断,然后执行中断服务(可以是自己写的中断功能)。
定时器工作模式设定后要先在控制寄存器TCON中设置位来启动。
软件定时器中断的时间常数可根据要求的步进电机运行速度求出[5]。
定时器中断0流程图如图2-1所示。
图2-1定时中断0流程图
步进电机的加减速控制:
一般我们都会要求步进电机要有较高的速度,但也不是这么容易的。
因为电机极限启动频率不高,这种前提之下要高速启动可能会丢步甚至不能正常启动(速度超过极限启动频率)。
因此,在步进电机控制系统中,它的运行速度是有一个比较复杂的过程的,需要一个从低于极限启动频率的速度开始,再慢慢的减速,减速过程也是有讲究的,那就是在减速到最后的时候速度要等于或者低于启动时候的速度,然后在低速运行几下才可以停止。
控制上下速度有两种方法:
一是按照直线规律升降速度。
这种方法是用恒定的加速度来提高和降低速度,它十分稳定,如果要求在大范围的速度变化里实现快速的定位,那么它无疑是很好的选择,因为在电机的运行过程中,保持稳定是十分重要的,虽然加速时间可能不算短,但软件实现相对来说比较简单。
第二种方法是按指数规律来调节速度,这种方法下加速度是会慢慢变小的,而这样恰好跟电机输出转矩随速度变化的这一种规律十分的接近。
这种方法也有独到的好处的,它能够将电机的有效转矩很好的使用从而能够快速响应。
单片机控制电机调速时想要接近理想升降速曲线的话,有一种方法可以减少每步计算的预装载时间,那就是与高等数学中的离散法有异曲同工之妙的离散法,能够将系统的响应速度大大的提升。
2.7本章小结
本章是对步进电机进行了较为全面的介绍,着重讨论了定时器中断法的计算方法和对单片机控制的变频调速的解释。
第3章系统硬件电路设计
本章的主要内容是对单片机控制的变频调速所用到的硬件电路的分析,包括对系统硬件电路所用模块的介绍以及系统的电路原理图展示。
3.1系统结构图
硬件电路结构如图3-1所示。
图3-1硬件电路结构图
利用定时器延时,在键盘上按下不同按键时,就会得到定时器不同的定时常数,这样就会产生的速度,极大的提高CPU反应速度[6]。
通过改变定时器的初值可以控制电机的速度。
3.2电路原理图
电路包含按键,电机驱动,LCD液晶显示屏,单片机等。
电路原理如图3-2所示。
图3-2电路原理图
3.3STC89C52单片机
STC89C52单片机适用电压低,就连电脑、充电宝均可为其提供电源,工作频率高,给使用者提供了8k字节的程序空间,接口丰富,共有40个引脚,其中有32个提供给用户使用的通用I/O口,指令代码与传统8051单片机完全兼容[7]。
引脚图如图3-2所示。
图3-2STC89C52引脚图
3.4晶振电路
为保证系统的各个部分都能够同步的进行工作,可选择使用晶振电路所产生的时钟信号来实现,电路图如图3-3所示,XTAL1,XTAL2为单片机的两个外接引脚。
图3-3晶振电路图
3.5显示电路
LCD1602显示器正确地显示字符,需要对其进行初始化设置,设置光标的状态及字符移动的方向等[8]。
实物如3-4所示:
图3-4LCD1602实物图
STC89C52与LCD屏P1.0-P1.7和P2.0-P2.2引脚相连,可显示步进电机的正反向和电机的转速。
具体显示电路如图3-5所示:
图3-5显示电路图
3.6控制电路
系统设有四个按钮,分别是正、反转按钮和加、减速按钮,控制电路如图3-6所示。
用单片机来控制的话,只需要改变输入脉冲频率就能调速,也就是说可以通过:
软件延时和定时器中断来实现这个功能。
在该电路中,主要通过定时器的中断来实现。
图3-6控制电路图
3.7驱动电路
使用单片机的并行I/O口来连接驱动芯片,各个端口与驱动芯片L297直相连。
L298的2、3、13、14四个输出引脚直接与步进电机相连。
如图图3-7所示:
图3-7驱动电路图
3.8本章小结
本章对电路进行分析,分别列出的各模块的电路图,以及给出重要部分的引脚的连接和作用。
第4章系统软件设计
本章的主要内容是对单片机控制变频调速的软件流程介绍,还有Proteus仿真展示。
要实现系统的功能可以使用查询法和中断法,但是若想做到随时进行加减速的操作,中断法的效率最高。
其他系统功能主要通过查询方式完成。
为了保证系统功能的及时有效的执行,在主功能下选择具有循环功能的地方,并嵌入相应的功能函数,这是最有效的大保证程序能够及时扫描。
4.1程序流程
1、系统上电复位之后,接下来还会有两个步骤,第一个是调取初始化子程序,目的是要用来将步进电机的端口和相关的参数初始化,之后便是对T0、T1的工作模式的控制字和时间常数做一个设置。
经过这一步,步进电机还是在一个没有开启的状态的,同样的,T0、T1两个定时器也是如此。
第二步便是中断操作,实现这一步需要循环往复的调用和读出键盘的子程序和键盘处理的子程序,通过这一步操作之后,便可以控制电机旋转和显示速度了。
图4-1主程序流程图
2、读键盘子程序:
这一步是读取键盘指令的操
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