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1、 计算机工业控制课程设计 学院:南方学院 专业:机械设计制造及其自动化 姓名:金超 学号:n110301409 题目:交流电机、步进电机调速控制器设计 起讫日期:2014年6月3日2014年6月13日 地点:b01 指导老师:徐兆军、陆荣鑑 目录 绪论 1.1技术概述 1.2问题的提出 1.3设计目的及系统功能2.单片机控制步进电机系统简介 2.1单片机控制系统 概述 (1)基本概念 (2)主要特点 (3)相关应用 2.2步进电机概述特性2.2.3 与直流电机的比较2.2.4 种类反应式步进电机的控制3.元器件的选择与介绍 4.1位移传感器 4.2 取样电阻 4.3 跟随器 4.4 4ADC0
2、809 4.5 八段数码管4.原始数据的计算5.工作流程图6.硬件电路设计7.软件设计 8.1按键控制编程 8.2 3LED显示编程8.归纳反思9.参考文献1、 绪论1.1技术概述在电气时代的今天,电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产还是在日常生活中的家用电器,都大量地使用着各种各样的电动机。因此对电动机的控制变得越来越重要了。电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术化。步进电机是机电控制中一种常用的执行机构,其原理是通过对它每相线圈中的电流和顺
3、序切换来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制,所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。通俗地说:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量,从而达到准确定位的目的。同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的,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7.50;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1.50,但噪声和振动都很大。反
4、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“而五相步进角一般为0.720。这种步进电机的应用最为广泛。步进电机的一些基本参数:电机固有步距角:它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.90/1.80(表示半步工作时为0.90、整步工作时为1.80),这个步距角可以称之为“电机固有步距角”,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数:是指电机内部的线
5、圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.90/1.80、三相的为0.750/1.50、五相的为0.360/0.720。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器,则“相数”将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。保持转矩 :是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要
6、的参数之一。比如,当人们说2 Nm的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2 Nm的步进电机。步进电机的一些特点:a. 一般步进电机的精度为步进角的3%-5%,且不累积。b.步进电机外表允许的最高温度。c.步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在130C以上,有的甚至高达200C以上,所以步进电机外表温度80C-90C完全正常。d.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。e.当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,
7、电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。f.步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。介绍步进电机的一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。g.步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。1.2
8、问题的提出二十一世纪的今天,电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机,在各领域中得到广泛应用。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。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度
9、,从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点,给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品(打印机、照相机)、工业控制(数控机床、工业机器人)、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。为此,本文设计了一个基于单片机的步进电机控制系统,可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。1.3设计目的及系统功能 本设计的目的是以单片机为核心设计出一个步进电机控制系统。本系统采用89S51系列单片机作为控制单元,通过键
10、盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制,并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。通过本课题,一方面我们在查阅资料的基础上,了解89S51系列单片机控制的一些基本技术,掌握其控制系统的分析方法与实现方法,能对单片机外围电路设计进行系统学习与掌握;另一方面,通过设计步进电机控制系统的硬件电路,控制程序和相应的电路图,以此培养自己的自学和动手能力,从而为今后参加工作或进一步深造打下良好的基础。设计的步进电机控制系统有以下功能:1. 交流电机工作指示2步进电机的步数显示3. 步数设定 2单片机控制步进电机系统简介2.1单片机控制系统 2.1.1单片机概述 (1)单片机基本概念单片机是一种集
11、成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代,由当时的4位、8位单片机,发展到现在的32位300M的高速单片机。 (2)主要特点1、主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。2、系统结构简单
12、,使用方便,实现模块化;3、单片机可靠性高,可工作到106 107小时无故障;4、处理功能强,速度快。5、低电压,低功耗,便于生产便携式产品6、控制功能强7、环境适应能力强。 (3)相关应用目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。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,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此,单片机的学习、开发与应
13、用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:3.1智能仪器单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(电压表、功率计,示波器,各种分析仪)。3.2工业控制单片机具有体积小、控制功能强、功耗
14、低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点,用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。3.3家用电器现在的家用电器广泛采用了单片机控制,从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。3.4网络和通信现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换
15、机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。3.5医用设备领域单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。3.6模块化系统某些专用单片机设计用于实现特定功能,从而在各种电路中进行模块化应用,而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机,看似简单的功能,微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理),就需要复杂的类似于计算机的原理。如:音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于ROM),由微控制器读出,转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。在大型电路中,这种模块化应用极大地缩小了体积,简化了电路,降低了损坏、错误率,也方便于更换。3.7汽车电子单片机在汽