单片机控制步进电机开题报告doc.docx

1、单片机控制步进电机开题报告doc 毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院、系：专 业：设 计 题 目：指导教师:2012年 2月 23日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述一、研究目的和意义 电动机控制是工业自动化进程中一个相当重要的组成部分，随着工业自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代电动机控制技术也变得越来越重要，基于单片机的控制已经广泛用于电动机控制领域。 本文主要介绍步进电机和直流电机原理及其驱动程序控制模块，通过STC89C52单片机、脉冲分配器(又称逻辑转换器) L298及其ULN2

2、003类的驱动IC完成步进电机和直流电机各种运行方式的控制。实现步进电机的正反转速度控制并且显示数据。整个系统通过按键控制，操作方便，节省成本，满足了现代工业对步进电机的精确要求。二、国内外现状和发展趋势 单片机技术应用在生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，自动控制领域的机器等等，这些都离不开单片机。单片机的学习、开发与应用将造就一批计算计应用与智能化控制的科学家、工程师，由此可见在大学相关专业普及新型单片机应用知识

3、有重要的现实意义。 单片机在中国的发展起源于20世纪80年代。目前，中国各大学及院校普遍采用MCS-5系列作为单片机教学的教材。MCS-5l系列的实验仪器也得到很大发展，许多单片机实验仪生产厂家研制有多功能综合性的MCS-5l系列的实验系统，使得在高校MCS-5l系列实验系统配备相当完善。在工业控制、消费电子产晶、办公自动化设备、智能仪器仪表、汽车电子等不同的领域也得到了广泛的应用 但是随着单片机技术的不断发展，MCS-51系列应用领域己逐渐被新型单片机所代，例如STC89C52单片机采用精简指令集、流水线取指的方式，抗干扰能力强，性能价格比高，深受电子设计专家的普遍欢逐。据不完全统计，全世界

4、嵌入式处理器的品种已经过千，并还广泛用于电动机控制领域。 随着计算机技术、微电子技术和通信技术的日新月异，单片机的功能将更加强大，可靠性更高。将众多功能集成在一块芯片上，使得芯片的功能更加强大，应用更为广泛，这是将来发展的趋势。随着步进电机技术的不断改进，传感技术、通信技术和计算机技术的飞速发展，未来步进电机的新概念将以创新、超越为理念，更多地融入高新技术的最新成果，充分展示将来工业领域上的人性化。三、主攻方向及设计内容 电动机控制是工业自动化进程中一个相当重要的组成部分，随着工业自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代电动机控制技术也变得越来越重要，基于单片机的控制已经广泛用于电动机控制

5、领域。本文主要介绍步进电机和直流电机原理及其驱动程序控制模块，通过STC89C52单片机、脉冲分配器(又称逻辑转换器) L298及其ULN2003类的驱动IC完成步进电机和直流电机各种运行方式的控制。实现步进电机的正反转速度控制并且显示数据。整个系统通过按键控制，操作方便，节省成本，满足了现代工业对步进电机的精确要求。本文以基于STC89C52单片机的步进电机控制系统为研究对象，通过STC89C52单片机、脉冲分配器(又称逻辑转换器) L298及其ULN2003类的驱动IC，实现步进电机正反转以及数字显示，从而达到单片机对步进电机控制系统功能的目的。 步进电机控制系统结构框图如图参考文献1袁任

6、光,张伟武.电动机控制电路选用与258实例M.北京:机械工业出版社,2005. 2李夙.异步电动机直接转矩控制M.北京:机械工业出版社,1998. 3王鸿钰.步进电机控制入门M.上海:同济大学出版社,1990. 4张友德.单片微型机原理、应用与实验M.上海:复旦大学出版社 2005. 5王秀和.永磁电机M.北京: 中国电力出版社,2007. 6孙笑辉,韩曾晋.减少感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法J.电气传动,2001 (1):8-11. 7冯江华,陈高华,黄松涛.异步电动机的直接转矩控制J.电工技术学报,1999 (6):29-33. 8江一 朱凌,申仲涛.异步电动机直接转矩控制仿真研

7、究J.华北电力大学学报,2003 (1):10-13. 9韩利虎. 浅谈步进电机的基本原理J. 内蒙古石油化工, Inner Mongolia Petrochemical Industry, 2007 (11):109. 10张巍. 浅谈单片机控制步进电机J. 安防科技,2006 (3): 25. 11房玉明,杭柏林.基于单片机的步进电机开环控制系统J.电机与控制应用 2006 33 4 64-64. 12 乔璐.,景林,韩英桃.一种实用的步进电动机驱动器设计J.微特电机,2005 (10):29-31. 13 康晶.采用反馈控制的步进电机高低压驱动电路J.电力电子技术,2003,37(1):

8、61-62,65. 14 Isao Takahashi,Toshihiko Noguchi.A new responese and high-efficiency control strategy of an motorJ.IEEE Trans on Ind Appl,1986,22(5):820-827. 15Depenbrock M.Direct self-control(DSC) of inverterfed machineJ.IEEE Trans on P E,1998,3(4):420-429. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、本

9、课题要研究的内容1. 步进电机的工作原理2. 说明单片机对步进电机实现控制的方法3. 控制系统的硬件设计4. 要求能控制步进电机的转速.向等（9）本课题的研究手段和途径（给出方案，详细叙述）（10）二、80C51单片机状态显示电路电源及时钟电路键盘控制电路复位电路ULN2803启动电路步进电 机设计原理图分析（1）步进电机（11）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，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电

10、机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行 元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。 四相步进电机的工作原理 该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机

11、的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。 步进电机的静态指标及术语 相数：产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即ABBCCDDAAB,四相八拍运行方式即AABBBCCCDDDAA。 leizi888 2010步距角：对应一个脉冲信

12、号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角为50齿角电机为例。四相运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度，八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度。 定位转矩：电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。 静转矩：电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 四相步进电

13、机的脉冲分配规律 目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序 与波形分别如图1 a、b、c所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步

14、进电机允许的范围内。 （2）89C51单片机 （11）tmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。 方案论证从该系统的设计 要求可知，该系统的输入量为速度和方向，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这

15、样只要2根口线，再加上一根方向线盒一根启动信号线共需要4根输入线。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。这里选四相步进电机，该电机共有四相绕组，工作电压为+5V，可以个单片机共用一个电源。步进电机的四相绕组用P1口的P1.0P1.3控制，由于P1口驱动能力不够，因而用一片2803增加驱动能力。用P0口控制第一数码管用于显示正反转，用P2口控制第二个数码管用于显示转速等级。数码管采用共阳的。（12） （13）三、论文进度安排 2012.2.203.18 收集资料，确定选题及研究方向。2012.3.194.8 深化资料学习，熟悉单片机与步进电机的原理，学习单片机与步进电机的通信原理并学习使用相关画图

16、软件。2012.4.94.15 撰写开题报告。2012.4.164.27 绘制出单片机控制步进电机的硬件主电路图，完成硬件部分的设计，并对相关部分配以解释说明。2012.4.285.8 完成论文初稿2012.5.95.13 论文初步评审, 修改论文，修正与完善设计方案2012.5.145.17 论文二次评审，进一步修改完善,论文定稿2012.5.185.20 制作PPT，准备答辩四、参考文献 1 李群芳等.单片机微型计算机与接口技术M.电子工业出版社,2005，(3):45-472 张洪润,蓝清华.单片机应用技术教程M.清华大学出版社,1997,(4):65-683 南建辉等.MCS-51单片

17、机原理及其应用实例M.清华大学出版社,2003,(2):10-184 董燕飞.步进电机转台的控制.微计算机信息，2005,（2）：31-325 江志红.51单片机技术与应用系统开发案例精选M.清华大学出版社,2008,(4):68-696 张元良.单片机开发技术实例教程M.机械工业出版社,2011：21-357 周润景.单片机电路设计分析与制作M.机械工业出版社,2010：125-1508 Zhongbo LiStudy on driving system of threephase hybrid stepping motorM.Electrical Machines and Systems,2003ICEMS 2003Sixth International Conference on Volome 2.9-11 Nov2003 Page(s)：608610 vol.2. 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见： 指导教师： 年 月 日所在系审查意见： 教学主任： 年 月 日