基于单片机的步进电机控制系统的设计开题报告.docx

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基于单片机的步进电机控制系统的设计开题报告

基于单片机的步进电机控制系统的设计开题报告

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本科毕业设计开题报告

题目：

基于单片机的步进电机控制系统的设计

专题：

院（系）：

电气与信息工程学院

班级：

电气09—12

姓名：

杨光

学号：

2009021750

指导教师：

隋晓红

教师职称：

副教授

黑龙江科技学院本科毕业设计开题报告

题目

基于单片机的步进电机控制系统的设计

来源

工程实际

1、研究目的和意义

本课题研究的目的是综合运用所学的《单片机原理及其接口技术》理论知识，加强对所学知识的理解，锻炼设计单片机应用系统能力，以单片机为核心设计一个简单、经济，但功能较为齐全、适应性强，操作方便、交互性强，可靠性高的步进电机控制系统。

本课题研究的意义是了解单片机的内部结构、组成，学习单片工作原理及其内部工作状态，并熟悉不同时刻，单片机输入输出情况；了解步进电机的分类和用途，掌握步进电机内部结构及其工作原理，并学习使用单片机简单控制步进电机的正传、反转、加速、减速以及简单了解国内外步进电机的发展状况。

2、国内外发展情况（文献综述）

（1）国内外常见步进电机控制系统

.基于电子电路控制

步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。

由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。

步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。

此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。

这个系统由三部分组成:

脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。

此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。

开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。

采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。

闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步川。

该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。

.基于单片机控制

采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。

用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。

系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。

由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。

环形分配器其功能由单片机系统实现，

采用软件编程的办法实现脉冲的分配.

本方案有以下优点

（1）单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响;

（2）用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性;（3）单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。

.基于PLC的控制

PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。

PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。

步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。

控制系统采用PLC来产生控制脉冲。

通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进

给速度。

环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。

PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。

采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。

采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。

步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。

采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。

但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。

并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了.

（2）步进电机驱动技术基本类型

步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。

上世纪80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。

步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。

到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等.

单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。

该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低;缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。

单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。

它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。

这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。

高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。

但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。

这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。

为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。

为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。

在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而避免产生明显的振荡。

当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。

调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需

要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。

细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。

细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。

比如:

电流分成n个台阶，转子则需要n次才转过一个步距角，即n细分细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩;其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步进电机在共振区工作的几率。

可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。

3、研究/设计的目标：

（1）系统结构简单，成本低；

（2）功能较为齐全；

（3）适应性强；

（4）电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；

（5）系统抗干扰和可靠性高；

3、

设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）：

系统组成方框图

　本系统由电源、显示（指示）、单片机（MCU）、按键电路、看门狗电路和电机驱动电路等组成。

系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。

键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。

4、方案的可行性分析：

（1）采用单片机作为控制核心，利用其强大的功能，把键盘电路和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便，交互性强的控制系统。

（2）键盘电路和显示电路都采用动态扫描技术，节约了单片机资源。

（3）驱动电路采用了恒流斩波电路，可以弥补单电压电路的不足:

电流过大，电源利用率过低，高频响应差。

采用光电隔离技术实现高压主驱动回路与微电子控制部分有效隔离，避免由于功率开关管的导通和关断产生的瞬时高压信号反串到控制级造成误动作，甚至电路毁坏。

5、设计产品的主要用途和应用领域：

设计产品主要用于打印机、扫描仪、传真、空调及多功能自动化办公设备。

基于单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，广泛应用与数控机床、机器人，定量给进、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域。

7、时间进程

1周收集材料；2周整理材料；

3周阅读材料；4周设计论文布局；

5周编写绪论；6周系统硬件设计；

7周绘制硬件草图；8周完善硬件结构图；

9周用PROTEL绘制硬件图纸；10周打印硬件图纸；

11周检查硬件图纸；12周完成软件设计；

13周整理设计资料撰写论文；14周完成论文初稿并检查；

15周指导教师批阅论文；16周论文修改结束并定稿；

17周完成毕业说明书及其它相关资料；18周准备答辩相关事宜；

8、参考文献：

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中国电力出版社，2006.

[2]史敬灼.步进电机伺服控制技术[M].北京：

科学出版社，2006.

[3]夏明娜,高玉芝.单片机系统设计及应用[M].北京:

北京理工大学出版社，2011.

[4]王自强.步进电机应用技术[M].北京：

科学出版社，2010.

[5]谭建成.新编电机控制专用集成电路与应用[M].北京：

机械工业出版社，2005-7.

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北京航空航天大学出版社，2011.

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机械工业出版社，2011.

[8]王成元,夏加宽,孙宜标.现代电机控制技术[M].北京：

机械工业出版社，2009.

[9]张毅刚,彭喜元,彭宇.单片机原理及应用[M].北京：

高等教育出版社，2010.

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清华大学出版社，2010.

[12]徐顺隆，徐朝阳.轻松学电机[M].北京：

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[13]尹基华,余洋,余长江.图解电机基础知识入门[M].北京：

机械工业出版社，2012.

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清华大学出版社，2010.

[15]张迎新.单片机基础[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2006.

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北京航空航天大学出版社，2002.

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[25]MAXIM.Switch-Mode,Linear,andPulseChargingTechniquesforLi+BatteryinMobilePhonesandPDAs.applicationnote913:

Dec27,2001.

指导教师意见:

教师签字：

年月日

年月日

毕业设计领导小组意见:

组长签字：

年月日

年月日

 指导教师意见:

教师签字：

年月日

毕业设计领导小组意见:

组长签字：

年月日