毕业设计论文单片机实现的步进电机远程控制系统.docx
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毕业设计论文单片机实现的步进电机远程控制系统
毕业设计(论文)说明书
题目:
单片机实现的步进电机控制系统
系别:
电子工程系
专业:
学生姓名:
学号:
指导教师:
职称:
摘要:
步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。
步进电机具有控制简便、定位准确等特点。
随着科学技术的发展,在许多领域将得到广泛的应用。
鉴于传统的脉冲系统移植性不好,本文提出微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,用软件的方法产生控制脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。
以简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。
本设计主要就是将步进电机与单片机紧密联系起来,通过单片机的驱动程序来控制步进电机的各种运行动作,以实现传统的步进电机的高度自动化。
步进电机按结构分类:
步进电动机也叫脉冲电机,包括反应式步进电动机(VR)、永磁式步进电动机(PM)、混合式步进电动机(HB)等。
反应式步进电动机:
也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。
其定子和转子均由软磁材料制成,定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组,定、转子周边均匀分布小齿和槽,通电后利用磁导的变化产生转矩。
一般为三、四、五、六相;可实现大转矩输出(消耗功率较大,电流最高可达20A,驱动电压较高);步距角小;断电时无定位转矩;电机内阻尼较小,单步运行(指脉冲频率很低时)震荡时间较长;启动和运行频率较高。
永磁式步进电动机:
通常电机转子由永磁材料制成,软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组,定、转子周边没有小齿和槽,通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。
一般为两相或四相;输出转矩小(消耗功率较小,电流一般小于2A,驱动电压12V);步距角大(例如7.5度、15度、22.5度等);断电时具有一定的保持转矩;启动和运行频率较低。
混合式步进电动机:
也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机,混合了永磁式和反应式的优点。
其定子和四相反应式步进电动机没有区别(但同一相的两个磁极相对,且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同),转子结构较为复杂(转子内部为圆柱形永磁铁,两端外套软磁材料,周边有小齿和槽)。
一般为两相或四相;须供给正负脉冲信号;输出转矩较永磁式大(消耗功率相对较小);步距角较永磁式小(一般为1.8度);断电时无定位转矩;启动和运行频率较高;是目前发展较快的一种步进电动机。
本设计采用AT89S52单片机为核心对步进电机进行控制,并且辅以必要的外围器件和电路,通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号,信号经驱动芯片ULN2003驱动步进电机;同时,用键盘对电机的转向—正转、反转和转速—加速、减速进行控制。
关键词:
单片机AT89S52;驱动ULN2003a;控制;步进电机。
Abstract
Steppermotorsasactuators,electromechanicalintegrationisoneofthekeyproducts,widelyusedinavarietyofautomaticcontrolsystems.Withthedevelopmentofmicroelectronicsandcomputertechnology,increasingdemandforsteppermotor,allapplicationsinallareasofthenationaleconomy.
Steppermotorcontrolwithsimple,accuratepositioningandsoon.Withthedevelopmentofscienceandtechnologyinmanyareaswillbewidelyused.Thetraditionalmigrationofpoorimpulsesystem,microcomputercontrolsystemisproposedtoreplacethepulsegeneratorandpulsedistributor,producedwiththesoftwaresolutioncontrolpulsescanbearbitrarilysetbysoftwareprogrammingofstepmotorspeed,rotation,rotationnumberandcontrolthesteppermotorrunning.Tosimplifythecontrolcircuit,reduceproductioncosts,increaseefficiencyandflexibilityofthesystem.Thekeyistodesignsinglechipsteppermotorandcloselylinked,throughthemicrocontrollertocontrolthesteppermotordriverrunavarietyofactionstoachievetheconventionalsteppermotorhighdegreeofautomation.Steppermotoraccordingtotypesofstructure:
steppermotors,alsocalledpulsemotor,includingtheStepMotor(VR),permanentmagnetsteppermotor(PM),hybridsteppermotors(HB)andsoon.
StepMotor:
alsoknownasinduction,hysteresisorreluctancetypesteppingmotor.Thestatorandrotoraremadeofsoftmagneticmaterials,uniformdistributionofthestatormagneticpoleisequippedwithalargemulti-phasefieldwinding,statorandrotorteethandasmalluniformdistributionaroundtheslot,powerchangesaftertheuseofmagneticpermeabilitygeneratedtorque.Usuallythree,four,five,sixphase;canachievehightorqueoutput(morepowerconsumption,currentupto20A,highvoltage);stepangleissmall;powerwhennopositioningtorque;themotordampingsmall,single-stepoperation(refertoverylowpulsefrequency)vibrationlonger;upandrunningwithhighfrequency.
PermanentMagnetSteppermotors:
permanentmagnetmaterialsareusuallymadebytherotor,statormadeofsoftmagneticmaterials,anumberofphasefieldwinding,statorandrotorteethandslotsaroundthenotsmall,ispoweredusingmagnetsandstatorcurrentmagneticfieldinteractiontorque.Generallytwo-phaseorfourphase;outputtorqueissmall(lowpowerconsumption,currentgenerallylessthan2A,voltage12V);stepanglelarge(suchas7.5degrees,15degrees,22.5degrees,etc.);powerfailurehastomaintainacertaintorque;upandrunninglessfrequently.
HybridSteppingMotor:
permanentmagnet,alsoknownasreactive,permanentmagnetinductionmotor,permanentmagnetandamixtureofreactiveadvantages.Thestatorandfour-phaseStepMotornodifference(butthesamerelativephaseofthetwomagneticpoles,andthetwomagneticpolesgeneratedonthewindingsN,Spolaritymustbethesame),therotorstructureismorecomplex(therotorwithinthecylindricalpermanentmagnets,bothendsofthecoatsoftmagneticmaterial,aroundsmallteethandslots).Generallytwo-phaseorfourphase;tosupplypositiveandnegativepulsesignal;outputtorquethanthelargepermanentmagnet(powerconsumptionisrelativelysmall);stepanglesmallerthanthepermanentmagnet(typically1.8degrees);powerfailurewithoutpositioningtorque;startandrunahigherfrequency;isasteppingmotordevelopedrapidly.
ThisdesignusesAT89S52MCUasthecoreofthesteppermotorcontrol,andsupplementedwiththenecessaryperipheraldevicesandcircuits,throughtheIOportoutputtimingofthesquarewavewithasteppermotorcontrolsignal,thesignaldrivenbythestepperdriverchipULN2003motor;thesametime,turnthekeyboardonthemotor-forwardandbackward,andspeed-acceleration,decelerationcontrol.
Keywords:
MCUAT89S52;driveULN2003a;control;steppermotor.
引言
步进电动机上个世纪就出现了,它的组成、动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。
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。
原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路,不仅调试安装复杂,要消耗大量元器件,而且一旦定型之后,要改变控制方案就一定要重新设计电路,不利于系统的改进升级。
基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机,能够更好地发挥步进电机的潜力,因此,用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势,也符合数字化的时代发展要求。
步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。
早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件,通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。
由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列,轮流与直流电源接通后,就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场,使转子步进式的转动,随着接通切换频率的增高,转速就会增大。
步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关,现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。
1.课题研究背景及主要内容
1.1课题研究背景
本课题主要研究单片机实现的步进电机控制系统为目的。
随科学技术的进步,智能化和自动化技术越来越普及,各种高科技也广泛应用于单片机为基础的自动化、半自动化控制领域,使智能控制越来越多样化,也具有不可估量的实际意义。
通过此课题使我们大学生受到较全面的电子应用系统设计和应用研究的工程训练。
进一步培养我们大学生综合运用所学的基础理论、专业知识和技能,提高分析与解决实际问题的能力和初步科学研究的能力。
1.2课题研究主要内容及其意义
本课题主要研究的是:
以单片机为基础,实现人为、或半自动对步进电机进行正转、反转,以及对正、反转状态下的步进电机实现不同转速的调节与控制。
本设计采用AT89S52为核心,利用按键电路实现步进电机的正转,反转,不同转速的调制,控制灵活、可靠,精度高,可满足对系统的各项要求。
本课题采用基于单片机AT89S52设计成步进电机控制系统。
设计了采用控制脉冲频率,并用单片机实现电机的状态、转速控制功能。
基于单片机的智能调速步进电机的硬件设计和软件实现。
本课题主要研究的工作是,控制脉冲频率以及采用以AT89S52为核心的控制系统。
本课题采用以AT89S52单片机作为检测和控制核心的设计方法,要包括单片机单元、、电机驱动单元和调速。
本课题采用控制脉冲频率调速,用按键作为控制单元,形成的TTL电平编码用单片机实现功能。
各个模块之间独立性强。
核心控制部分采用可在线编程的AT89S52单片机,可以在不增加系统硬件的情况下方便地对系统进行二次开发。
2步进电机的原理
2.1步进电机的工作原理
步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一。
例如,在机械结构中,可以用丝杠把角位移变成直线位移,也可以用它带动螺丝电位器,调节电压和电流,从而实现对执行机构的控制。
在数字控制系统中,由于它可以接受计算机来的数字信号,不需要进行数/模转换,所以用起来更方便。
步进电机角位移与控制脉冲间精确同步。
若将角位移的改变转变为线位移、位置、体积、流量等物理的变化,便可以实现对它们的控制。
步进电机实际上是一个数字/角度转换器,也是一个串行的数/模转换器。
步进电机的结构与步进电机所含的相数有关,以三相步进电机的结构原理为例。
电机的定子又6个等分的磁极,即A,A`,B,B`,C,C`。
相邻的两个磁极间的夹角为60度。
相对的两个磁极组成一相,即A—A`相B—B`相C--C`相。
当某一绕组有电流通过时,该绕组相应的两个磁极立即形成N极和S极,每个磁极上各有5个均匀分布的矩形小齿。
步进电机的转子上没有绕组,而是40个矩形小齿均匀分布在圆周上,相邻两齿之间的夹角为9度。
当某相绕组通电时,对应的磁极就会产生磁场,并转子形成磁路。
若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐,则在磁场的作用下,转子转动一定的角度,是转子齿和定子齿对齐。
由此可见,错齿是促使步进电机旋转的根本原因。
在单三拍控制的方式中,加入A相通电,B、C相都不通电,在磁场的作用下,使转子齿和A相得定子齿对齐。
若以此作为初始状态,设与A相磁极中心对齐的转子齿为0号齿,由于B相磁极与A相磁极相差120度。
且120/9=13*(3/9)不为整数,所以,在此时转子齿不能与B相定子齿对齐,只是13号小齿靠近B相磁极的中心线,与中心线相差3度。
如果此时突然变成B相通电,而A、C两相都不通电,则B相磁极迫使13号转子齿与之对齐,整个转子就转动3度。
此时,称电极走了一步。
同理,我们按照A—B—C—A顺序通电一周,则转子转动9度。
磁阻式步进电机的步距角(Qs)可由下边的公式求得:
Qs=360度/(N*Zr)
式中,N=Mc*C为运行节拍数,其中Mc为控制绕组相数,C为状态系数。
采用但三拍或双三拍时,C=1;采用单六拍或双六拍时,C=2。
Zr为转子齿数。
2.2步进电机的分类
步进电机按结构分类:
步进电动机也叫脉冲电机,包括反应式步进电动机(VR)、永磁式步进电动机(PM)、混合式步进电动机(HB)等。
反应式步进电动机:
也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。
其定子和转子均由软磁材料制成,定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组,定、转子周边均匀分布小齿和槽,通电后利用磁导的变化产生转矩。
一般为三、四、五、六相;可实现大转矩输出(消耗功率较大,电流最高可达20A,驱动电压较高);步距角小;断电时无定位转矩;电机内阻尼较小,单步运行(指脉冲频率很低时)震荡时间较长;启动和运行频率较高。
永磁式步进电动机:
通常电机转子由永磁材料制成,软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组,定、转子周边没有小齿和槽,通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。
一般为两相或四相;输出转矩小(消耗功率较小,电流一般小于2A,驱动电压12V);步距角大(例如7.5度、15度、22.5度等);断电时具有一定的保持转矩;启动和运行频率较低。
混合式步进电动机:
也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机,混合了永磁式和反应式的优点。
其定子和四相反应式步进电动机没有区别(但同一相的两个磁极相对,且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同),转子结构较为复杂(转子内部为圆柱形永磁铁,两端外套软磁材料,周边有小齿和槽)。
一般为两相或四相;须供给正负脉冲信号;输出转矩较永磁式大(消耗功率相对较小);步距角较永磁式小(一般为1.8度);断电时无定位转矩;启动和运行频率较高;是目前发展较快的一种步进电动机。
步进电动机按工作方式分类:
可分为功率式和伺服式两种。
功率式:
输出转矩较大,能直接带动较大负载(一般使用反应式、混合式步进电动机)。
伺服式:
输出转矩较小,只能带动较小负载(一般使用永磁式、混合式步进电动机)。
2.3步进电机的选择
首先选择类型,其次是具体的品种与型号。
反应式、永磁式和混合式三种步进电动机的性能指标、外形尺寸、安装方法、脉冲电源种类和控制电路等都不同,价格差异也很大,选择时应综合考虑。
具有控制集成电路的步进电动机应优先考虑。
2.4步进电动机的基本参数及特性
电机固有步距角:
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°),这个步距角可以称之为“电机固有步距角”,它不一定是电机工作时的实际步距角,实际步距角和驱动器有关。
步进电动机的相数:
是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电动机。
电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。
步进电动机增加相数能提高性能,但步进电机的结构和驱动电源都会更复杂,成本也会增加。
保持转矩(HOLDINGTORQUE):
也叫最大静转矩,是在额定静态电流下施加在已通电的步进电动机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。
它是步进电动机最重要的参数之一,通常步进电动机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电动机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。
比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电动机。
步距精度:
可以用定位误差来表示,也可以用步距角误差来表示。
矩角特性:
步进电动机的转子离开平衡位置后所具有的恢复转矩,随着转角的偏移而变化。
步进电动机静转矩与失调角的关系称为矩角特性。
静态温升:
指电机静止不动时,按规定的运行方式中最多的相数通以额定静态电流,达到稳定的热平衡状态时的温升。
动态温升:
电机在某一频率下空载运行,按规定的运行时间进行工作,运行时间结束后电机所达到的温升叫动态温升。
转矩特性:
它表示电机转矩和单相通电时励磁电流的关系。
启动矩频特性:
启动频率与负载转矩的关系称为启动矩频特性。
运行矩频特性/惯频特性:
略
升降频时间:
指电机从启动频率升到最高运行频率或从最高运行频率降到启动频率所需的时间。
DETENTTORQUE:
是指步进电动机没有通电的情况下,定子锁住转子的力矩。
DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式,容易产生误解;反应式步进电动机的转子不是永磁材料,所以它没有DETENTTORQUE。
步进电动机的一些特点。
2.5步进电机的特点
步进电动机没有积累误差:
一般步进电动机的精度为实际步距角的百分之3-5,且不累积。
步进电动机在工作时,脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上(由驱动器内的环形分配器控制绕组通断电的方式)。
即使是同一台步进电动机,在使用不同驱动方案时,其矩频特性也相差很大。
步进电动机与其它电动机不同,其标称额定电压和额定电流只是参考值;又因为步进电动机是以脉冲方式供电,电源电压是其最高电压,而不是平均电压,所以,步进电动机可以超出其额定值范围工作。
但选择时不应偏离额定值太远。
步进电动机外表允许的最高温度:
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电动机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
步进电动机的力矩会随转速的升高而下降:
当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。
在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。
步进电动机低速时可以正常运转,但若高于一定频率就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电动机有一个技术参数:
空载启动频率,即步进电动机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下,启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。
四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动,因此,连接时可以采用串联接法或并联接法将四相
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