基于单片机的步进电机转速控制器的设计的开题报告.doc

设计（论文）题目基于单片机的步进电动机转速调节系统设计设计（论文）类型（划“”）工程设计应用研究开发研究基础研究其它一、 本课题的研究目的和意义步进电机已成为出直流电机和交流电机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生活和生产进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入电气化时代的今天，传统电动机已不能满足工业自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。发展了一系列新的具有控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的就是步进电机。步进电机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电机在计算机外围设备上取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快的促进了步进电机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等 。本课题通过单片机对步进电机的转速进行精确控制，满足了现代工业对步进电机的高要求。二、 本课题的主要研究内容（提纲）步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。在本设计方案中采用AT89C51型单片机内部的定时器改变CP脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行控制，实现电机调速与正反转的功能。三、 文献综述（国内外研究情况及其发展）步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。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。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度， 但噪声和振动都很大。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。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。四、 拟解决的关键问题首先，控制方式的确定；其次，驱动方式的确定；第三，驱动电路的选择；第四，基本方案的确定；第五，硬件电路的设计；第六，算法的设计；第七，软件的设计；五、 研究思路和方法控制方式的确定：步进电机控制虽然比较精确的，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定时。驱动方式的确定：并于步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过CPU直接来驱动，另一种是通过CPU间接来驱动。在这里我们选择后一种。驱动电路的选择：步进电机的驱动电机有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。本课题对步进电机的精度要求比较高转速的调节范围比较广，固应选用驱动芯片8713来驱动，并通过软件来实现步进电机的调速。基本方案的确定：选用三相三拍步进电机，单片机选用89C51作为控制器。选取用8279来驱动显示和键盘。选用8713作为步进电机的驱动芯片并通过光电耦合来驱动步进电机。然后由于步进电机同轴的光电编码器作为反馈元件，并把反馈回的信号经CPU处理后再由显示器显示出来。但由键盘输入的速度数值了得通过显示器来显示，固本次设计要两排显示，一排来显示给定的转速一排来显示实际的转速。硬件电路的设计：CPU采用89C51作为步进电机的控制芯片；步进电机的应选用三相三拍的步进电机；显示电路的用8279芯片来驱动，8279芯片分别接两排显示器，每排为4位显示，分别用来显示步进电机的实际转速与给定转速；键盘的连接一般有两种方式，一种是独立式键盘；一种是行列式键盘，本次设计一共用9个键因此采用行列式键盘；显示电路选用两排LED显示，每排分别为四位，能满足设计的要求，转速范围为0至1000；反馈电路应选用光电编码器作为反馈元件，光电编码器与步进电机是同轴的输出经过放大送到计算机，并通过显示器显示出步进电机的实际转速；电源电路用了+5V、+12V电源，采用的是78系列的集成固定三端稳压管；由于系统中不可避免会从外界引入干扰，影响系统的控制精度，使系统的稳定性变差，故采用了硬件和软件抗干扰措施；看门狗电路能够使“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，这里采用MAX813L。算法的设计：PID 控制与模糊控制是两种常用的控制方法,但它们还存在一些不足,如一般PID 控制容易产生超调、模糊控制的稳态精度不高,在这两种控制方法基础上进行改进,可产生多种更好的控制方法。本课题采用的复合PID 控制算法和带动态补偿的模糊控制算法克服了以上缺陷,取得了较好的实验效果。软件的设计：包括显示子程序、键盘子程序、驱动程序、正反转程序、转速快慢程序、以及定时中断程序。六、 参考文献1 张洪润,蓝清华. 单片机应用技术教程M . 北京:清华大学出版社,1997.2 秦曾煌. 电工学M . 北京:高等教育出版社,1999.3 常斗南,等. 可编程序控制器原理、应用、实验M . 北京:机械工业出版社,1998.4 于海生,等. 微型计算机控制技术M . 北京:清华大学出版社,1999.5 王福瑞,等. 单片机微机测控系统设计大全M . 北京:北京航空航天大学出版社,1998.6 陈理壁. 步进电机及其应用M . 上海: 上海科学技术出版社,1989.7 刘保延,等. 步进电机及其驱动控制系统M . 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.8 季维发,过润秋,严武升等. 机电一体化技术M .北京:电子工业出版社,1995.9 郭敬枢,庄继东,孔峰. 微机控制技术M . 重庆:重庆大学出版社,1994.10 刘国荣. 单片微型计算机技术M . 北京:机械工业出版社,1996.11 王福瑞. 单片微机测控系统设计大全M . 北京:北京航空航天大学出版社,1998.12 何立民. 单片机应用技术选编M . 北京:北京航空航天大学出版社,1993.13 潘新民等: 单片微型计算机实用系统设计1 北京: 人民邮电出版社, 1992.14 王润孝,秦现生编著1 机床数控原理与系统1 西北工业大学出版社,1997.15 李伯成,侯伯李等编1IBM - PC 微机应用系统设计1西安电子科技大学,1996.16 黄义源主编1 机械设备电气与数字控制1 中共广播电视大学出版社,199217 戴文进. 特种交流电机及其计算机控制与仿真M . 北京:机械工业制版社,2002.18 杨素行. 微型计算机系统原理及应用(第一版) M . 北京:清华大学出版社,1995. 19 田闯,. 直流电源屏电池单片机监测系统J. 西铁科技,2001,(1). 20 陈国先,. 语音芯片与PIC单片机的应用接口J. 福建信息技术教育,2005,(2). 21 孙玉艳,. 实现PC机与单片机的数据通信与控制J. 广东白云职业技术学院广州白云工商高级技工学校学报,2002,(4). 22 陈兴祥,. MC7705芯片对单片机的动态掉电保护J. 宁夏机械,2002,(3). 23 田志华,. 电池供电单片机的低功耗设计J. 宁夏机械,2002,(4). 24 李学军,. 如何用MCS-51单片机扩展串口进行通讯J. 宁夏机械,2003,(2). 25 李海涛,. 关于如何提高单片机系统可靠性的探讨J. 宁夏机械,2005,(3). 26 高彦波,李岩,毕晓燕,. PC与单片机之间的远距离并行通讯卡J. 电站设备自动化,2001,(3). 27 李艳红,. 单片机I/O口不宜用作直接驱动出口J. 电站设备自动化,2003,(2). 28 彭同明,杨少华,. “单片机原理及应用”课程改革的分析J. 武汉电力职业技术学院学报,2004,(1). 29 宋青松,张旭东,王立贤,眭众国,. MCS96系列单片机与IBM-PC系列微机之间通讯的实现J. 电站设备自动化,2001,(1). 30 顾勇,李强,. 基于MC68HC908单片机的伸缩自动门控制系统J. 通信与广播电视,2003,(4). 31 桂绍勇,彭同明,何新洲,. 基于MEGA103单片机的数控系统研制J. 武汉电力职业技术学院学报,2005,(4). 32 李占芳,黄嘉兴,. 面向煤炭应用型人才的单片机课程教学改革探索J. 价值工程,2011,(7). 33 石明江,顾亚雄,张禾,. 单片机原理与应用课程教学改革与实践J. 计算机教育,2011,(6). 34 翟永前,蒋芳芳,. 基于MSP430单片机的智能数字电压表设计J. 化工自动化及仪表,2011,(3). 35 许超,吴新杰,张丹,. 基于Proteus和Keil的单片机课程教学改革J. 辽宁大学学报(自然科学版),2011,(1). 36 李林,. 基于单片机的野外作业移动库房安防系统设计J. 工矿自动化,2011,(4). 37 李林,王心刚,. FPGA与单片机在RLC测量系统设计中的应用J. 化工自动化及仪表,2011,(3). 38 李玮华,杨秦建,. 基于单片机的多轴运动数控系统跟随误差补偿器的设计J. 机床与液压,2011,(4)39 Bai Youai He JianDe Chen Qing (et al) Effects of nitrogen s