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基于51單片機(jī)的兩相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開題報告

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ID:323834 發(fā)表于 2018-5-6 22:28 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和意義

課題背景:
步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動機(jī)或節(jié)約電動機(jī),是一種脈沖控制的伺服電動機(jī)。其功用是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移,即給一脈沖電信號,電動機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度或前進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)的角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比,它的轉(zhuǎn)速,或線速度與脈沖頻率成正比。由于步進(jìn)電機(jī)輸入的電子脈沖和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角成相應(yīng)的比例,所以我們可以比較精確的進(jìn)行控制。一般兩相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°。當(dāng)今比較常見的步進(jìn)電機(jī)包括永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。
單片機(jī)是自動控制系統(tǒng)中常用的驅(qū)動執(zhí)行部件。單片機(jī)具有以下的幾個優(yōu)點(diǎn):1、小巧靈活,成本低;2、可靠性高,適應(yīng)的溫度范圍寬;3、易擴(kuò)展,控制功能強(qiáng);4、便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。
步進(jìn)電機(jī)的輸入信號為脈沖電流 ,它能將輸入的脈沖信號轉(zhuǎn)換為階躍型的角位移或直線位移 ,因而步進(jìn)電機(jī)可看作是一個串行的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。由于步進(jìn)電機(jī)能夠直接接受數(shù)字信號 ,而不需數(shù)/模轉(zhuǎn)換,所以使用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)顯得非常方便。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)效率高等優(yōu)點(diǎn),因此具有瞬間啟動與急速停止的優(yōu)越特性,使用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,與數(shù)字設(shè)備兼容且價格便宜。

課題內(nèi)容與意義
利用單片機(jī)設(shè)計(jì)兩相步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng),以AT89S52單片機(jī)作為中央處理器,組成最小系統(tǒng)。設(shè)計(jì)兩相步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路;設(shè)計(jì)按鍵電路;設(shè)計(jì)指示電路;設(shè)計(jì)串行通信接口;設(shè)計(jì)單片機(jī)程序下載接口;設(shè)計(jì)系統(tǒng)典型測試點(diǎn)電平或電壓輸出接口。編制程序流程圖;完成整體程序。編制步進(jìn)電動機(jī)H橋驅(qū)動程序;編制步進(jìn)電動機(jī)升降速程序;編制按鍵采樣程序;編制步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指示程序;編制串行通信控制程序。
目前廣為使用的是兩相混合式步進(jìn)電動機(jī),它的典型結(jié)構(gòu)是定子8個極,轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50個,步距角為1.8度,它是上世紀(jì)60年代的美國專利,70年代初因應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外設(shè),且專利保護(hù)的取消面迅速發(fā)展,但是它存在著兩個明顯的固有缺點(diǎn),一個是步距角較大,使得低速轉(zhuǎn)動時有較嚴(yán)重的振動和噪聲,另一個是當(dāng)頻率突變過大時容易堵轉(zhuǎn)、丟步或過沖,這兩個缺點(diǎn)對定位系統(tǒng)的精度會產(chǎn)生較大的影響。步進(jìn)電機(jī)作為種機(jī)電一體設(shè)備,電機(jī)本身固有的問題可通過驅(qū)動器或者控制器來彌補(bǔ)。采用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)可以大大減少低速轉(zhuǎn)動時的振動和噪音,還可以起到減小步距角、提高分辨率、增大輸出力矩的效果,采用升降頻控技術(shù),則可以克服步進(jìn)電機(jī)高速啟停時有在的堵轉(zhuǎn)、丟步或者過沖等問題,使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動得更加平穩(wěn)、定位更加精確。一個好的控制器可以使步進(jìn)電動機(jī)控制更靈活,在很大程度上改善其運(yùn)行性能。因此,對步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)而言,驅(qū)動控制器的設(shè)計(jì)是重中之重。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)研究和升降頻控制技術(shù)研究一直是本領(lǐng)域課題的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

文獻(xiàn)綜述
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀:
我國步進(jìn)電動機(jī)的研究和制造始于20世紀(jì)中期,主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品�;旌鲜讲竭M(jìn)電動機(jī)是20世紀(jì)80年代初從零開始的,到現(xiàn)在生產(chǎn)和研制都具備了一定的規(guī)模。理論研究方面比較成熟,發(fā)展和形成了比較完善的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)方法,產(chǎn)品種類已經(jīng)系列化,指標(biāo)已接近、達(dá)到或超過國外同類產(chǎn)品水平[1]。近十幾年來,數(shù)字技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展為步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用開辟了廣泛的空間,目前,步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域。連接上適當(dāng)?shù)臋C(jī)械元件,步進(jìn)電機(jī)就可以作為一個執(zhí)行元件,并且可以產(chǎn)生力矩來使其他器件動作,再加上控制器和操作系統(tǒng)的程序,步進(jìn)電機(jī)可以作為一個具有人工智能的執(zhí)行部件,從而可以完成一系列的動作[2]。
A3992是美國Allegro公司生產(chǎn)的一款雙DMOS全橋微步距脈寬調(diào)制(PWM)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器�?衫每刂破骷ㄟ^時鐘(CLK)、數(shù)據(jù)(DATA)、選通(STRORE)3線串行借口即可對其進(jìn)行控制,方便的調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向及實(shí)現(xiàn)各種不同的步進(jìn)法(從整步驅(qū)動到最高可達(dá)64細(xì)分的微步驅(qū)動),使得步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式具有很大的靈活性。此外,A3992內(nèi)部提供交叉電流保護(hù)、內(nèi)部欠壓鎖定(UVLO)等各種完善的保護(hù)措施,保證了該器件能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行[3]。
單片機(jī)是一種集成電路芯片,是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計(jì)數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代,由當(dāng)時的4位、8位單片機(jī),發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機(jī)。Atmel公司生產(chǎn)的AT89S系列單片機(jī)已經(jīng)能夠通過SPI串行借口對內(nèi)部程序存儲器進(jìn)行編程的功能,于2003年推出的AT89S51和AT89S52單片機(jī)不僅能夠完全兼容MCS-51系列和80C51系列,還能增加了ISP技術(shù)和看門狗功能[4]。
目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個領(lǐng)域,幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。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)自動化過程的實(shí)時控制和數(shù)據(jù)處理,廣泛使用的各種智能IC卡,民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng),錄象機(jī)、攝象機(jī),以及程控玩具等等,這些都離不開單片機(jī)。我國的單片機(jī)年容量已達(dá)1-3億片,且每年以大約16的速度增長,但相對于世界市場我國的占有率還不到1%[5]。
通過以上的綜述可以看出,單片機(jī)在我國的使用還是挺廣泛的,并且我國的單片機(jī)技術(shù)也在不斷地發(fā)展。單片機(jī)具有低功耗、高密度、低價格等優(yōu)點(diǎn),市場前景廣泛。隨著科技的發(fā)展,使用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行逐漸大眾化,所以本次設(shè)計(jì)對我大學(xué)里所學(xué)到的單片機(jī)技術(shù)與其他相應(yīng)的學(xué)科知識來說是一次很好的知識整合匯總的過程。






   參考文獻(xiàn):
1、 孫冠群等,控制電機(jī)與特種電機(jī)(第二版),清華大學(xué)出版社,2012
2、 《步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)》百度文庫.


4、 徐泳龍,  單片機(jī)原理及應(yīng)用(第2版)[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2013.12
5、 千訊(北京)信息咨詢有限公司, 中國單片機(jī)行業(yè)發(fā)展研究報告,2016.04.29
6、 王德安,常春玲, 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制[J].大連大學(xué) 信息工程學(xué)院,遼寧大連,116622
7、 劉學(xué)軍, 電機(jī)與拖動基礎(chǔ),北京:中國電力出版社,2016
8、 唐任遠(yuǎn), 特種電機(jī)[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997
9、 楊渝欽, 控制電機(jī)[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990
10、南建輝等,MCS-51單片機(jī)原理及其應(yīng)用實(shí)例[M],北京清華大學(xué)出版社,2004.3
11、劉啟新等,電機(jī)與拖動基礎(chǔ)[M],北京:中國電力出版社,2010
12、胡乾斌,李光斌,李玲等.單片微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用[M],武漢:華中科技大學(xué)出版社,2004




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