毕业设计论文单片机控制电机论文设计

1、毕业设计论文题 目： 单片机控制电机论文设计 系 别： 机电系 专 业： 电器自动化 年 级： 08电气二班 学 号： 080101080 姓 名： 指导教师： 2011 年 05 月 28 日 摘 要3引 言3一电机常见的控制方案与驱动技术简介4常见的电机控制方案5电机驱动技术6二电机概述7电机的分类7电机的工作原理8三系统的硬件设计9系统设计方案9单片机最小系统10单片机最小系统设计12单片机端口分配及功能13串口通信模块13数码管显示电路设计13电机驱动模块设计15驱动电流检测模块设计16四系统的软件实现17系统软件主流程图17系统初始化流程图17按键子程序18结 论22结 束 语23参 考 文 献24摘 要 本文应用单片机、步进电机驱动芯片、字符型LCD和键盘阵列，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动。文中讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电机变频调速的方法。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和本钱。最后给出了步进电机控制系统的应用实

2、例。关键词: 步进电机控制系统，插补算法，变频调速，软硬件协同仿真引 言随着国内经济的开展及人口不向都市集中，使都市的建筑物普遍朝高层化开展。电梯已成为不可缺少的运输设备，电梯在我们的生活中起着举足轻重的作用。电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备，更是一种人们频繁乘用的交通运输设备。交流电梯是采用交流继电接触器控制的最普遍。最大量的一种电梯控制类型，这种控制使用继电器数量大，保护连锁触点多。电气线路复杂，维护工作量大，可靠性稍差。随着微电子技术的开展，采用无触点控制来代替有触点控制已势在必行。由于早期的电梯继电器控制方式存在故障率较高、可靠性差、接线复杂、一旦接受完成不易更改等缺点，所以需要开发一种平安、高效的控制方式。采用单片机构成控制系统，不但可以大大降低本钱，而且做成专用控制系统，程序被固化，加强了保密性，提高了可靠性。电梯作为垂直方向的交通工具，在高层建筑和公共场所已经成为重要的建筑设备而不可或缺。随着计算机技术和电力电子技术的开展，现代电梯已经成为典型的机电一体化产品。电梯具有很高的平安要求，它以零部件的形式出厂，总装配在工地现场进行，通过机械零部件之间的装配和机械装置与土建

3、结构之间的的衔接完成安装，最终形成电梯产品。精心的制造和安装还不能完全保证无故障运行，其运行可靠性在很大程度上依靠维修保养。所以，电梯的制造、安装和维保不宜分割。大规模的经济建设尤其是蓬勃开展的房地产业给电梯行业开拓了广阔的市场，2001年我国电梯产量达4.5万台，创造了行业开展史上的一个新的顶峰，被业内人士称为“第三次浪潮。目前，中国经济建设需求的各类电梯、几乎全部可以在中国生产。由此可见，一个兴旺的电梯市场已经形成。进入80年代以来，随着经济建设的持续高速开展，我国电梯需求量越来越大。据统计，全世界平均1000人有台电梯。我国如果要到达这个水准，还需要新装80万台。到那时候，每年仅报废更新就需要万台。目前房屋建设势头仍然很好，电梯市场供需两旺，前景一片光明。一步进电机常见的控制方案与驱动技术简介1.1常见的步进电机控制方案1基于电子电路的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

4、大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三局部组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如下图。图基于电子电路控制系统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，本钱低，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，然后通过反响和适当的处理，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。2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。3基于单片机的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，到达了对步进电机的最正确控制。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效劳

5、程序，完成对步进电机的最正确控制，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，采用软件编程的方法实现脉冲的分配。1.2电机驱动技术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响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、上下压驱动、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、本钱低；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根底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

6、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。上下压驱动是指不管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拟常见。为了弥补上下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

7、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，从而防止产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供应绕组足够的电流。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。1.3本文研究的内容在一般的步进电机工作中，其电源均采用单极性直流电，通过对步进电机的各相绕组按恰当的时序方式通电，就可使其执行步进转动。当某一相绕组通电时相应的两个磁极就分别形成N-S极产生磁场，并与转子形成磁路。在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对其，从而使步进电机向前“走一步。转子的角位移大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入的脉冲同步。只要能正确控制输入的电脉冲数、频率以及电机各相绕组通电的相序，即可得到所需要的转角、转速及转向，通过单片机很容易实现对步进电机的数字控制。本设计采用AT89S51单片机实现对两相步进电机的转速控制。由单片机产生的脉冲信号经过脉冲分配器后分解出对应的四相脉冲，分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。本课

8、题的研究目的之一就是设计一套硬件系统较简单、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。二电机概述2.1电机的分类电动机的种类很多，从广义上讲，电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反响式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分那么可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反响式和混合式步进电机7。(1)反响式电机(Variable Reluctance，简称VR)反响式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，本钱低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反响式步进电机有单段式和多段式两种类型；(2)永磁式电机(Permanent Magnet，简称PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比拟大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反响式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；(3)混合式电机(Hybrid，简称HB)混合式步进电机综合了反响式和永 磁式两者的优点。混合式与传统的反响式相比，

9、结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比拟好，使其在运转过程中比拟平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比拟简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合，所以只采用反响式步进电机。2.2电机的工作原理 1结构及根本原理电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供应连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么

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