江西旅游商贸职业学院二0一一届高职毕业作业模版.doc

江西旅游商贸职业学院二0一四届高职毕业作业步进电机系统的设计指导老师：王 敏职称：实验师学生姓名：方 根 学生学号：217年级：二0一一级专业：电气自动化时间：二0一四年五月毕业设计任务书项目名称步进电机控制系统学生姓名方 根专业班级机电分院11级统招一班学号217题 目步进电机控制系统设计课题性质单片机项目设计课题来源导师布置指导教师王敏主要内容（参数）主要是是利用AT89S51单片机、驱动芯片设计并制作一个具有自动运行的手控型步进电机控制系统。任务要求（进度）1. 根据设计要求确定设计目标，进行整体方案的设计。2. 根据步进电机系统原理，单片机应用原理进行硬件部分的设计，了解对各个硬件单元的功能，分块设计，最后设计出整体电路图并画出。3. 进行软件部分设计，画出系统流程图，编程，调试。4. 总结设计中遇到的问题并提出相应的解决方法。5. 提交包括上述内容的课程设计报告。指导老师评语评定等级：指导教师签字： 年 月 日审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日 目 录摘要 4前言 5 一、总体设计思路 1、设计思路 5 3、驱动电路 5 4、控制电路 5二、系统设计 (一)、硬件部分设计 6 1、关键模块的设计 6（1)步进电机的转向控制6（2）步进电机的速度控制 7 2、扩展电路设计 8 (二)软件部分的设计91、汉字主程序流程图 92、项目设计各子程序流程图 103、程序设计 11三、技术说明及提高 12结束语13参考文献 13附录13致谢 15步进电机系统的设计摘 要 采用8051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，采用H-桥驱动器使步进电机在开环状态下达到较高的变速转速，同时断电相不产生负的转矩分量，其能量被输入到电源即将接通的下一相中去，增大了电流容量，提高了其工作的可靠性。关键词:步进电机、8051单片机、控制系统。 前 言 本文主要研究基于8051单片机的驱动器，驱动采用H-桥驱动电路，使步进电机可在智能化程序控制下完成正转、反转、加减速及细分等各种操作. （一）设计思路 设计一个单片机三相步进电机控制系统要求系统具有如下功能： (1) 用K0-K2做为通电方式选择键，K0为单三拍，K1为双三拍，K2为三相六拍； (2) K3、K4分别为启动和方向控制； (3) 正转时红色指示灯亮，反转时黄色指示灯亮，不转时绿色指示灯亮； (4) 用K5-K12作为步数的给定值。 (5) 用3位LED显示剩余工作步数。 根据设计要求用PROTIU所做的硬件连线图如下图1 图1 4.2关键模快设计4.2.1步进电机的转向控制 顺时针顺相序接线三相交流电各相电压或电流的变化顺序是,A相先达到最大值,然后是B相、最后是C相达最大值。这种变化的顺序即为相序。ABC  或BCA、CAB为顺相序;ACB、BAC、CBA为逆相序。 如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。其他方式情况类似。4.2.2步进电机的速度控制 如果给步进电机发一个控制脉冲 ,它就转一步 ,再发一个脉冲 ,它会再转一步。2个脉冲的间隔越短 ,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率 ,就可以对步进电机进行调速。 1 步进脉冲的调频方法 对步进电机控制的一个中心问题就是速度调节。即产生一系列频率可调的步进脉冲序列，送到驱动电源，控制电机绕组的轮流通电，实现电机的转动。脉冲序列的产生用微处理器实现，有软件延时和硬件定时两种方法。 (1)软件延时：通过调用标准的延时子程序来实现。假定控制器基于AT89S52单片机 ，晶振频率为12 MHz，那么可以编制一个标准的延时 子程序如下：   DELAY : MOV   A , 0DH    DEL2 : NOP           JZ    DEL2              NOP           CLR   C                 NOP           RRC   A          DEL3 : NOP           JZ    DEL3              NOP           MOV   0DH , A           NOP           DJNZ  0DH , $    DEL6 : MOV    A , 0EH           JMP   DEL6              JZ     DEL5   D252 :  MOV   R0 , #53H  DEL4 : CALL   D252   D253 :  NOP                     DJNZ   0EH , DEL4           DJNZ  R0 , D253  DEL5 : RET           RET             该子程序的入口为(0E)(0D)两个字节，若需要20000 us的延时，则给(0E)(0D)两个字节赋值4E20H，即执行下面程序： MOV 0EH，#4EH ；20 000的十六进制码为4E20。 MOV 0DH#20H CALL DELAY ；调用标准延时子程序DELAY。 若要控制步进电机走100步，每两步之间延时20 000 s，则汇编程为： MOV 0FH，#100D ；准备走100步。 CONTI： CALL I_STEP ；电机走一步(调用电机的脉冲分配子程序) MOV 0EH，#4EH ；20 000的十六进制码为4E20。 MOV 0DH，#20H CALL DELAY ；相邻步之间的延时(决定电机的转速)。 DJNZ 0FH，CONTI ；循环次数减1后，若不为0则继续，循环100次。 可以看出，采用软件延时方法实现速度调节的优点是程序简单，思路清晰，不占  用硬件资源。缺点是浪费CPU的宝贵时间，在控制电机转动的过程中，CPU不能做其它事。 (2)硬件定时：假定控制器仍为AT89S52单片机，晶振频率为12 MHz，将AT89S52的TD作为定时器使用，设定T0工作在模式1(16位定时计数器)。今要求它能定时地发出步进脉冲，其定时中断产生的脉冲序列的周期(即步进电机的脉冲间隔)假定为20 000 s，则可算出TD所对应的定时常数为B1E0H，CPU相应的程序如下： 主程序： MOV TMOD，#01H ；设T0取工作模式1。 MOV TH0#0B1H ；装入定时常数高8位。 MOV TLO，#0E0H ；装入定时常数低8位。 SETB TR0 ；启动T0定时。 SETB ET0 ；允许T0中断。 SETB EA ；允许CPU中断。 $         ；CPU等待T0的定时到。 中断服务程序： CLR ET0 关T0中断。 CALL I_STEP ；控制电机走一步(调用电机的脉冲分配子程序)。 RETI ；T0中断返回。 本例中，只要改变T0 的定时常数，就可实现步进电机的调速。这种方法既需要硬件(T0定时器)又需要软件来确定脉冲序列的频率，所以是一种软硬件相结合的方法。它的缺点是占用了一个定时器。在比较复杂的控制系统中常采用定时中断的方法，这样可以提高CPU的利用率。 2 升降频方法及其实现 21 升降频方法 当步进电机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行，需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零速。此时，电机运行于恒速状态，无需升降频控制。当步进电机的运行频率fb>fa (fa为步进电机有载起动时的起动频率)时，若直接用fb起动，由于频率太高，步  进电机会丢步，甚至产生堵转。同样，在fb频率下突然停止，步进电机会超程。因此，当要求步进电机在运行频率fb下正常工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电机从启动频率fa开始，逐渐加速升到运行频率fb，然后进入匀速运行，最后的降频可以看作是升频的逆过程。 步进电机常用的升降频控制方法有3种： (1)直线升降频。这种方法是以恒定的加速度进行升降，平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。加速时间虽然长，但软件实现比较简单。  (2)指数曲线升降频。这种方法是从步进电机的矩频特性出发，根据转矩随频率的变化规律推导出来的。它符合步进电机加减速过程的运动规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性能较好，升降时间短。指数升降控制具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性较差，一般适用于跟踪响应要求较高的切削加工中。 (3)抛物线升降频。抛物线升降频将直线升降频和指数曲线升降频融为一体，充分利用步进电机低速时的有效转矩，使升降速的时间大大缩短，同时又具有较强的跟踪能力，这是一种比较好的方法。 22 软件实现 步进电机在升降频过程中，脉冲序列的产生，即两个脉冲时间间隔的软件确定，有2种方法： (1)递增递减一定值。如线性升降频，两脉冲频率的差值 f= |fi-fi-1|是相等的，其对应的时间增量f也是相等。时间的计算若采用软件延时的方法，可先设置一个基本的延时单元Te，不同频率的脉冲序列可由Te的不同倍数产生。设起动时所用频率对应的时间常数为tNe 以后逐次递减t(设t=tM)，直到等于运行频率所对应的时间(tRe)为止。这种方法编程简单，节省内存。时间计算也可采用定时中断的方法，可将定时常数逐次递增递减一定值，实现升降频控制。因其定时不是连续的，所以升降速曲线不是一条直线，而是折线，但可近似看成直线。 (2)查表法。为了对步进电机实现最佳升降频控制，缩短电机的升降频时间，可从步进电机矩频特性出发进行分析。由步进电机的矩频特性可知，转矩M是频率f的函数(即角加速度d/dt=M(f)J，J为电机的转动惯量)，它随着f的上升而下降，所以它呈软的特性。当频率较低时，转矩M较大，对应的角加速度d/dt也较大，所以升频的脉冲频率增加率dfdt应取得大一些；当频率较高时， 较小，d/dt也较小，此时，升频的脉冲频率增加率dfdt应取小一些，否则，会由于无足够的转矩而失步。因此，根据步进电机的矩频特性，可以看出：在步进电机的升频过程中，应遵循“先快后慢”的原则。按此要求，从开始升频到升至fb之间，按最佳升频要求的频率取出f1，f2，f3，fn并将它们所对应的脉冲间隔时间t1，t2 ， ，tn，依次存于内存的一个数据区，如表1所示(称阶梯频率表)。4.3.5八段数码管显示电路 由8255A的PB口取出显示码如图6，从80c51的P1.5-1.7输出位选码如图7，设计中我们主要用到3位显示步数既可。 图6 图7五、总结 通过这次课程设计我了解异步电机方面的知识。学会了如何将所学到的知识运用到实践当中。在第一周时间里通过上网和去图书馆查阅资料的过程中，对本次课题有了大体的了解，对异步电机闭环变频控制系统有了更进一步的了解。在这次的课程设计中，我学到了步进电机的转向控制和速度控制的方法，了解了过程。 参考文献 1 陈伯时. 电力拖动自动控制系统M. 北京: 机械工业出版社, 1992 2纪志成, 薛 花, 沈艳霞. 基于MATLAB交流异步电机矢量控制系统的仿真建 模J. 系统仿真学报. 2004 3赖福新. 电机控制系统M. 上海: 上海交通大学出版社, 1995 4刘竟成主编. 交流调速系统M. 上海:上海交通大学出版社, 1984 5何冠英编著.电子逆变技术及交流电动机调速系统.北京：机械工业出版社，     1985 6郭庆鼎，王成元著.异步电动机的矢量变换控制原理及应用.沈阳：辽宁民族    出版社，1988 7陈伯时，陈敏逊.交流调速系统.电气自动化新技术丛书.北京：机械工业出版    社，1998 8陶永华，尹怡欣，葛芦生编著.新型PID控制及其应用.电气自动化新技术丛    书.北京：机械工业出版社，1998致谢非常感谢陈小龙老师、王敏老师在我大学的最后学习阶段毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，她们给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，他们放弃了自己的休息时间，他们的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他们表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这三年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下。