开题研究报告谢乙凤()()()().docVIP

基于单片机的步进电机控制系统设计 1设计意义、现状和发展趋势 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。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。 步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度。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。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用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趋势。 2设计的主要要求 （1）步进电机为三相反应式，控制方式为三相六拍，型号75BF001。 （2）转速在50 r/min到1500r/min范围内可调，改变转速时，应有升降频控制。 （3）通过4×4键盘实现对步进电机进行启动，停止，正转，反转及改变转速的控制。 （4）步进电机的运行状态通过LED实现。 3设计方案的选择 3.1设计原理 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合单片机控制。总体设计框图如图1所示，系统电路由电源、步进电机、按键电路、驱动电路、单片机、显示电路等组成。步进电机的频率，转向，转速，位置等命令由按键电路输入，由单片机输出步进电机控制信号来实现控制，且在显示部分显示出输入的参数。 图1单片机控制步进电机框图 3.2单片机的选型 MCS-51系列单片机内部包括一个8位CPU，128个字节RAM，21个SFR，4个8位并行I/O口，1个全双工串行口，2个16位定时/计数器，但需外扩EPROM。 AT89C51 AT89C51与MCS-51兼容，128个字节RAM，32位I/O口线，2个16位定时/计数器，4字节Flash存储器。 由于AT89C51单片机内部含Flash存储器，在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，缩短了开发周期，所以设计采用AT89C51系列单片机。 3.3驱动电路选型 步进电机的工作必须使用专用设备—步进电机驱动器。驱动器针对每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电(励磁)，以产生必要的转矩，驱动转子运动。 方案一单电压驱动优点：线路简单，成本低；缺点：在高频时电机噪声较大。 方案二斩波恒流驱动优点：高频响应大大提高,输出转矩均匀，所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定额定电流和减少时间常数。缺点：由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声 方案三功率驱动基本驱动原理与上述两种方案相同，具有效率高，输出电流大，外接元件少等优点。比如SJ-3F130M 驱动器驱动三相反应式步进电机，该驱动器采用原装进口模块，实现高频斩波，恒流驱动，具有很强的抗干扰性、高频性能好、起动频率高、控制信号与内部信号实现光电隔离、电流可选、结构简单、运行平稳、可靠性好、噪声小等优点。 综上所述，功率驱动克服了前两种电路的缺点，使系统线路简单，体积小，可靠性高，所以选择功率驱动比较好。 a)步进电动机单电压驱动 b） 斩波恒流驱动 图2驱动电路 3.4单片机与驱动电路接口方式 方案一串行控制具有串行控制功能的单片机与步进电机驱动电源之间有较少的连线。将信号送入步进电机驱动电源的为环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源必须含有环形分配器.如下图3(a)所示 （a）串行控制 （b）并行控制 图3 单片机与驱动电路接口方式 方案二并行控制用单片机的数条端口线直接去控制步进电机各相驱动电路的方法称为并行控制。在电机的驱动电源内，不包括环形分配器，其功能由单片机实现。并行控制示意图见图3(b)对比以上两种方式,串行控制线路简单,占用CPU资源少,结合前面已选的驱动电路，所以接口采用串行控制。 3.5单片机控制步进电机的升、降速方法 方案一匀加减速控制匀加减速控制是指加速度不变，速度以线性规律上升或下降，这种方法软件实现比较简单，但不完全符合步进电机的速度变化规律，效果不理想，如图4（a）所示。 a）匀加减速控制 （b）指数曲线控制 （c）抛物线控制 图4 步进电机的升、降速方法 方案二指数曲线控制指数曲线控制指在加减速时，速度呈指数规律变化，如图b）所示，在开始时加速度最大，随时间推移，加速度减小，在理想情况下应减为0，这种方法快速响应性能好，但速度变化较大时平衡性差，如图4（b）所示。 方案三抛物线控制抛物线控制是