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1、 摘 要步进电动机由于用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以与各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用汇编语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2004以与相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来。本文容介绍了步进电机以与单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以与解决问题的方法。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。关键词：步进电机；脉宽调制
2、；驱动机构；单片机；转动目 录1 绪论11.1 课题的背景11.1.1 电机的起源和发展11.1.2 变频调速技术的发展和应用21.2 本文设计的主要容32 变频调速系统的方案确定42.1 变频调速系统42.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理42.1.2 变频调速原理42.1.3 变频调速的基本控制方式52.2 系统的控制要求62.3 方案的确定62.3.1 电动机的选择62.3.2 开环控制的选择72.3.3 变频器的选择74 变频调速系统的硬件设计84.1 S7-200 PLC84.2 MicroMaster420变频器84.3 外部电路设计94.3.1 变频开环调速94.3.2
3、数字量方式多段速控制114.3.3 PLC、触摸屏与变频器通信控制125 变频调速系统的软件设计145.1 编程软件的介绍145.2 变频调速系统程序设计156 触摸屏的设计236.1 触摸屏的介绍236.2 MT500系列触摸屏256.3 触摸屏的设计过程266.3.1 计算机和触摸屏的通信266.3.2 窗口界面的设计276.3.3 触摸屏工程的下载317 PLC系统的抗干扰设计337.1变频器的干扰源337.2 干扰信号的传播方式337.3主要抗干扰措施347.3.1 电源抗干扰措施347.3.2 硬件滤波与软件抗干扰措施347.3.3 接地抗干扰措施34结论36致37参考文献38 /
4、绪 论 课题的背景最先制成电动机的人是德国的雅可比，在两个u型电磁铁中间，装一六臂轮，每臂带两根棒型磁铁。通电后，棒型磁铁与u型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用 ，带动轮轴转动。后来，雅可比做了一具大型的装置安在小艇上，用320个丹尼尔电池供电，1838年小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2公里，与此同时，美国的达文波特也成功地制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刑电磁和机械情报，但这两种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。直到第一台实用直流发动机问世 ，电动机被广泛应用。1870年比利时工程师格拉姆发明了直流发电机，在设计上，直流发电机和电动机很相似。后来，格拉姆
5、证明向直流发动机输入电流，其转子会象电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机大量制造出来，效率也不断提高。与此同时，西门子开始着手研究由电动机驱动的车辆，于是西门子公司制成了世界电车。1879年，在柏林工业展览会上，西门子公司不冒烟的电车赢得观众的一片喝彩。西门子电机车当时只有3马力，后来美国发明大王爱迪生试验的电机车已达1215马力，但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电车。1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感应原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花，因此被广泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。19
6、02年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。同步电动机工作原理同感应电动机一样，由定子产生旋转磁场，转速固定不变，不受负载影响。因此同步电动机特别适用于钟表，电唱机和磁带录音机。当今世界，电机的发展已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。近二十年来，科学技术突飞猛进。随着电力电子技术、计算机技术和控制理论发展，电机调速技术得到迅速发展，使得电机的应用不再局限于工业应用而且在商业与家用设备等各个领域获得更加广泛的应用；而随着新材料如稀土永磁材料Nd-Fe-B、磁性复合材料的出现，更给电机设计插上翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。这些都极丰富了电机理论，拓宽了电机的应用领域，同时也给电机
7、设计和制造工艺提出更高的要求。变频技术是近年来国际家电领域全面开发和应用的一项高新技术，它采用新型变频器，将50Hz的固定供电频率转换为30-130Hz的变化频率，实现电动机运转频率的自动调节，达到节能和提高效率的目的。上个世纪80年代初，变频器实现了商品化。在近20年的时间，经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程。80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了600KVA,400KVA以下。前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三、四年的时间，IGBT变频器的单机容量己达800IVA，随着IGBT容量的扩大，通用变
8、频器的容量也将随之扩大。 变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。 电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。 人们总结了交流
9、调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能。日益丰富的软件功能使通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高度软件控制功能的新机种。 目前出现了一类“多控制方式”通用变频器。例如安川公司的VS616G5变频器就有:无PG(速度传感器)V/f控制:有PG V/f控制:无PG矢量控制:有PG矢量控制等四种控制方式。通过控制面板，可以控制上述四种控制方式中的一种，以满足用户的需要。 通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产
10、机械、各类生产工艺的适应性不断增强。最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器。各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床、加工中心超高速伺服机的精确位置控制都己应用通用变频器。本系统是通过可编程控制器控制三相交流异步电动机的调速功能。具体容如下： 在理论研究的基础上，对变频调速系统进行总体方案的设计。 对变频调速系统进行硬件设计，包括变频器参数的设置、变频开环调速、多段速控制以与触摸屏通信方式的设计。 在
11、硬件设计的基础上，对变频调速系统进行软件设计，包括程序的编写和分析。 实现调速系统的触摸屏设计。 采用良好的抗干措施使系统更具稳定性。第一章 变频调速系统的方案确定1.1 变频调速系统1.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条
12、中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。1.1.2 变频调速原理变频器可以分为四个部分，如图1.1所示。通用变频器由主电路和控制回路组成。给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。图1.1变频器简化结构图 整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。 平波回路（中间直流环节）。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不
13、会等于1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。 逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。 控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以与完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。1.1.3
14、变频调速的基本控制方式 普通控制型V/f通用变频器 普通控制型V/f通用变频器是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路比较简单；电动机选择通用标准异步电动机，因此其通用性比较强，性价比比较高，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。 具有恒定磁通功能的V/f通用变频器为了克服普通控制型的V/f通用变频器对V/f的值进行调整的困难，如果采用磁通反馈，让异步电动机所输入的三相正弦电流在空间产生圆形旋转磁场，那么就会产生恒定的电磁转矩。这样的控制方法叫做磁链跟踪控制。由于磁链的轨迹是靠电压相加矢量得到的，所以磁链跟踪控制也叫做电压空间矢量控制。 矢量控制方式矢量控制方式的基本思想是：仿照直流电
15、动机的调速特点，使异步交流电动机的转速也能通过控制两个互相独立的直流磁场进行调节。矢量控制方式分为无速度传感器的矢量控制和有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制。无速度传感器的矢量控制。它是对异步电动机进行单电动机传动的典型模式。主要性能是：在1：10的速度围。速度精度小于0.5%，转速上升时间小于100ms；在额定功率10%的围，采用电流闭环控制的转速开环控制。工作模式可采用软件功能选择。当工作频率高于额定频率的10%时，进入矢量控制状态。转速的实际值可以利用由微型机支持的对异步电动机进行模拟的仿真模型来计算。有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制。这种方式的主要特征更是：在速度设定值的全围，转矩上升时间大约为15ms，速度设定围大于1：100；对于闭环控制而言，转速上升时间不大于60ms。1.2 系统的控制要求本系统的结构如图1.2所示。变频器 PLC控制信号M-触摸屏图1.2 系统的结构图由图1.2可知，本
