基于单片机的kh01步进电机控制器伺服控制器的设计

基于单片机的步进电机控制_(毕业设计论文)_中华文本库
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焦作大学机电工程学院毕业设计
步进电机是一种纯粹的数字控制电机,是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
本文应用单片机AT89C51和脉冲分配器PMM8713,步进电机驱动器,光电隔离器4N25等,构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。通过AT89C51和脉冲分配器PMM8713完成步进电机的各种运行控制方式,实现步进电机在3相6拍的工作方式下的正反转控制和加减速控制。并通过步进电机丝杠连动,带动XY工作台的直线运动,实现从起点A点到预定点B点的位移控制。
整个系统采用模块化设计,结构简单,可靠,通过人机交互换接口可实现各功能设置,操作简单,易于掌握。该系统可应用于步进电机在机电一体化控制等大多数场合。
实践证明,基于单片机控制的步进电机比传统的步进控制器具有更好的性能,更加简单、方便、可靠。本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执行器件——步进电机。
关键词: 步进电机,单片机,正反转控制,加减速控制,XY工作台
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基于单片机步进电机伺服控制器设计
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基于单片机步进电机伺服控制器设计
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成绩 基于单片机的步进电机伺服控制器的设计 题 目 课 程 名 称
院 部 名 称
学 生 姓 名
毕业设计地点
毕业设计学时
指 导 教 师
【注:根据毕业设计大纲第四项具体要求撰写毕业设计报告】
1设计任务和要求 3
2设计思路 4
3系统硬件设计 5
3.1 硬件电路的工作原理 5
3.2步进电机模块 5
3.3控制模块 6
3.4主要元件介绍: 6
4软件编程 11
5 调试过程与结果 20
5.1正转结果显示: 20
5.1.1正转加速: 21
5.1.2正转减速: 21
6 总结与体会 24
7 参考资料 26
1设计任务和要求
单片机毕业设计是考察学生利用所学过的专业知识,进行综合的电机控制系统设计并最终完成实际系统连接,能够使学生对电气与自动化的专业知识进行综合应用,培养学生的创新能力和团队协作能力,提高学生的动手实践能力。最终形成一篇符合规范的设计说明书,并参加综合实践答辩,为后期的毕业设计做好准备。
本次设计考核的能力主要有:
专业知识应用能力,包括电路分析、电子技术、单片机、检测技术、电气控制、电机与拖动、微特电机及其驱动、计算机高级语言、计算机辅助设计、计算机办公软件等课程,还包括本专业的拓展性课程如变频器、组态技术、现场总线技术、伺服电机等课程。
项目设计与运作能力,团队协作能力,技术文档撰写能力,PPT汇报与口头表达能力。
电气与自动化系统的设计与实际应用能力。
要求完成的工作量包括:
现场仿真演示效果。
学生结合课题进行PPT演讲与答辩。
学生上交课题要求的各类设计技术文档。
电路基本理论步进电机是机电控制中一种常用的执行机构,它的用途是将电脉冲转化为角位移,它的的驱动电路根据控制信
正在加载中,请稍后...基于单片机的步进电机程序控制系统设计--《长江工程职业技术学院学报》2012年02期
基于单片机的步进电机程序控制系统设计
【摘要】:步进电机在许多领域中被广泛使用,阐述了用软件产生控制脉冲,用单片机系统代替传统的脉冲发生器和脉冲分配器,提出了三相六拍步进电机的硬件接口电路及控制流程图。
【作者单位】:
【关键词】:
【分类号】:TM383.6【正文快照】:
1引言步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一,是一个数字/角度转换器,也是一个串行的数/模转换器。步进电机具有的特点:(1)步进电机角位移与控制脉冲间精确同步;(2)位置误差不会积累;(3)可直接接受计算机来的数字信号;(4)具有快速启停能力;(5)通常不需要反馈就能
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京公网安备75号第28卷第2期;煤矿机械;gQ堂丛i塾曼丛塑hi望旦受;Vd.28No.2;1竺!!望!兰:!!!!;基于单片机的步进电机控制器设计;杜家熙;摘要:步进电机是一种常用的机电执行元件,相应的控;价值;关键词:单片机;步进电机;控制器;驱动器;中图分类号:TM383.6文献标志码:A文章编号;DU;Motor;Based;on;Microcontroller;c
第28卷第2期
gQ堂丛i塾曼丛塑hi望旦受
Vd.28No.2
1竺!!望!兰:!!!!
基于单片机的步进电机控制器设计
杜家熙。陈艳锋,李国厚(河南科技学院,河南新乡453003)
摘要:步进电机是一种常用的机电执行元件,相应的控制和驱动电路对于其整体性能起着非常重要的作用。采用常见的AT89S51单片机和步进电机驱动芯片L298N实现步进电机的控制和驱动。整个系统具有结构简单、可靠性高、体积小、成本低和实用性强等特点,具有较高的应用推广
关键词:单片机;步进电机;控制器;驱动器
中图分类号:TM383.6文献标志码:A文章编号:1003―0794(2007)02―0088―04DesignofControllerofStepper
Motor
Based
Microcontroller
correspond―and
Jia―xi,CHENYan―feng,LIGuo―hou
(Henan
Abstract:Thesteppermotorisingdriving
InstituteofScienceandTechnology,Xinxiang453003
China)
kindofconventionalelectromechanicexecutiveelements,andthe
controlcircuitshavevery
controllerArr89S51trolofthestepperandlOW
thedrivingchip
importantofthestepper
effectsuponitsoverallperformance.Thecommonmicro―
motor1298N
usedtoimplementeddriving
motor.newhole
systemhassuchfeatures
simplestructure,highreliability,smallsize,andgeneralization.
cost,etc.,andpossesseshigherValuesof印plication
Keywords:microcontroller;steppermotor;controller;driver
致。定子绕组矢量磁场每旋转一个角度,转子也随着该磁场旋转一个角度。因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距角,称为一步。根据电压脉冲的分配方式,步
进电机各相绕组的电流轮流切换,在供给连续脉冲
步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机,其位移速度与脉冲频率成正比,位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成,可以对旋转角度和转动速度进行
高精度控制。当电流流过定子绕组时,定子绕组产
生一矢量磁场,该矢量场会带动转子旋转一角度,使
得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一
时,就能一步一步地连续转动,从而使电机旋转。步
进电机每转一周的步数相同,在不丢步的情况下运
③蜗轮齿根弯曲疲劳强度约束条件4结语根据蜗轮的齿形及载荷分布情况可选取K=2.32,仃,:32.9,故可得约束条件方程式为
菇'戈'石J
其中A的值可由式(9)通过计算来确定。
程序生成脚本文件后保存到计算机内,在AU.TOCAD中运行可得到的图形文件如图3所示。
踟c耻訾COS
’篓菖嚣耋筹莩篓嚣黼I黝磊薹
设计时间,提高了设计质量和图形质量,缩短了产品
工^HJ!控”Lu,J‘:7’JJ托●’q,HH
该程序将优化设计与绘图一体化,大大缩短了
HJ…训Ju了’口u/J'I~址
产品的研制和开发具有重要的实际意义和应用价值。
,煮篙雾名士鸿,林伟建.vi砌I;asi。程序设计[M¨E京:电子工
业出版社,2004.
[2]吴宗泽.机械设计师:上册[M].北京:机械工业出版社,2002.[3]陈立周.机械优化设计方法[M].北京:冶金工业出版社,2002.[4]王贤坤.机械CAD/CAM技术、应用与开发[M].北京:机t戒3--业出
作者简介:乔桂玲(1968一),女,河南焦作人,工程师,河南理工大学在读1:程硕士,主要从事机械设计方面研究.
图3图形文件
收稿日期:2006.11-09
万方数据 
第28卷第2期基于单片机的步进电机控制器的设计――杜家熙,等
1.3步进电机的加减速控制
V01.28No.2
行,其步距误差不会长期积累。随着电力电子技术的发展,可以实现细分驱动,即将一个步距角细分成若干小步来驱动,以减小步距角,提高步进分辨率,增加电机运行平稳性0步进电机必须使用专用的步进电机驱动设备才能够正常工作。步进电机系统的运行性能,除与电机自身的性能有关外,在很大程度上还取决于驱动设备性能的优劣。
1控制原理
在步进电机控制系统中,通过实验发现,如果信号变化太快,步进电机由于惯性跟不上电信号的变化,这时就会产生堵转和丢步现象。所以,步进电机在启动时,必须有加速过程,在停止时必须有减速过
程。理想的加速曲线一般为指数曲线,步进电机整
个减速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机加减速过程的运行规律,能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性好,缩短加减速的时间,并可防止
失步和过冲现象。
步进电机可以直接接受数字信号,不需要进行数字与模拟量的转换,具有高精度快速启停能力。如果选用三相六拍,步距是1.50,即进一步,电机转动1.5。,转动一周需要200步。步进电机直接由数字信号控制,其控制程序可以分为脉冲序列的生成、方向的控制、步进电机变速控制程序3部分。
在一个实际的控制系统中,要根据负载的情况
来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高
步进频率称为“启动频率”,与此类似,“停止频率”是指系统控制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和
输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些
步进电机控制的基本原理
步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制
2个方面。从结构上看,步进电机分为三相、四相、
五相等类型,常用的则以三相为主。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种,下面具体加以阐述。
(1)换相顺序的控制
步进电机通电换相这一过程称为脉冲分配。例
数据,才能有效地对电机进行加减速控制。
加速过程由突跳频率加加速曲线组成(减速过程反之)。突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率名。步进电机的最高起动频率(突跳频率)一般为0.1kHz到3~4kHz,而最高运行频率则可以达到NX102kHz。以超过最高起动频率的频率直接起动,会产生堵转和丢步的现象。较为理想的起动曲线应是按指数规律起动。但实际
应用时对起动段的处理可采用按直线拟合的方法,
如,三相步进电机在单三拍的工作方式下,其各相的通电顺序为A―B―c―A,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、c相的通断。三相双
通电顺序为A―AB…B
式情况类似。
三拍的通电顺序为AB―BC―CA―AB,三相六拍的
C―CA―A。
即阶梯加速法。一般可按2种情况处理。
(1)已知突跳频率,则按突跳频率分段起动,分段数n=fifo;
(2)未知突跳频率,则按段拟合至给定的起动频率,每段频率的递增量(也称阶梯频率)Af=f/8,即采用8段拟合。在运行控制过程中,将起始的速度(频率)分为n分,作为阶梯频率,采用阶梯加速法将速度连续升到所需要的速度,然后锁定,按预置的曲线运行,如图1所示。
(2)步进电机的转向控制
如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正
转。若步进电机的励磁方式为三相六拍,即A―AB
―B―BC―C―CA―A。如果按反序通电换相,即A
―AC―C―CB―B―BA―A,则电机就反转。其他方
(3)步进电机的速度控制
如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。2个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。1.2步进电机的起停控制
步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感,即振动感。为了使电机转动平滑,减小振动,可在步
进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形
时间,/5
波,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机的转轴不
能自由转动。
图1步进电机运行过程中频率变化曲线
在一般的应用中,经过大量实践和反复验证,频率如按直线上升或下降,控制效果就可以满足常规的应用要求。
用单片机实现步进电机的加/减速控制,实际上
万方数据 
就是控制发脉冲的频率。加速时,使脉冲频率增高,减速时则相反。如果使用定时中断来控制电机的速度,加减速控制就不断改变定时器的初值。速度从移。~移:变化,如果是线性增加,则按给定的斜率加/减速;如果是突变,则按阶梯加速法处理。在此过程中要处理好2个问题:。
(1)速度转换时间应尽量短。为了缩短速度转换的时间,可以采用建立数据表的方法。结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率,就可以建立一个连续的数据表,并通过转换程序将其转换为定时初值表。通过不同阶段调用相应的定时初值,就可控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的,并不占用中断时间,保证电机的高速运行。
(2)保证控制速度的精确性。要从一个速度准确达到另外一个速度,就要建立一个校验机制,以防超过或未达到所需速度。1.4步进电机的换向控制’
步进电机换向时,一定要在电机减速停止或降到突跳频率范围之内再换向,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求要有一定的脉冲宽度(一般不小于5肛s)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了减速一换向一加速3个过程。
2单片机控制系统的设计
情况计算出相应的脉冲频率,继而计算出定时器的初值,建立控制常数表。在具体控制中,主程序根据选定的工作方式不断地从控制常数表中取出速度参数送给定时器,即可实现相应的控制功能。
对于步进电机,其速度值常以频率形式给定,如
运行在20kHz下。由图1可知,在电机运行过程
中,控制脉冲的频率.厂应随时间变化,以满足电机低速起停及高速运行的需要。低速启动,频率由.矗增大到.^。电机以设定频率.厂h高速运行。匀减速过程中,频率由.^减少至.磊,直到停止。
需要指出的是,有些设计方案采用软件延时的办法进行速度控制,其缺点是控制精度低。而且在实际应用中,系统中除了步进电机外还有其他控制对象,在处理其他任务时就不能对步进电机进行有效地控制,无法满足步进电机的控制要求。因此,比较实用的方法足采用定时器工作在中断方式下,可以达到比较高的控制精度。
系统软件由主程序和定时器的中断服务程序组
成,程序流程如图3所示。
2.1硬件组成
步进电机的控制系统主要由单片机AT89S51、电机驱动芯片L298N、4×4的键盘,串口方式的共阳LED显示电路(由6片级联的74LSl64驱动)、电源和时钟电路等几个单元组成,其结构框图如图2所示。借助于AT89S51中内置的看门狗,可使系统在失控时恢复正常运行。整个系统外围元件少,具有结构简单、成本低廉、可靠性高、使用方便、通用性强等特点。在实际应用中,也可采用大功率的管子来代替L298N对步进电机进行驱动,成本比较低,缺点是管子的特
性有一定差异,对驱动效果有一定的影响。
Ia×。键盘卜一
2.2软件设计
AT89S51
(a)主程序
(b)中断程序
图3系统软件流程图
图2控制系统的结构框图
步进电机是一种输出与输人数字脉冲对应的驱动元件,具有快速启动和停止的能力。转子运动的速率仅取决于驱动脉冲频率,转子运动的总位移也仅取决于总的驱动脉冲数,步距精密准确,而且不易受电压、电流的波动,脉冲波形状,自身和环境温度
在控制系统的工作过程中,主要是通过键盘设定步进电机的工作方式(正反转)、加减速控制、恒速控制、正反转切换控制、起停控制。根据具体的工作
万方数据 
第28卷第2期
兰里竺!星
.g丝堕墼迪h迪翌
V01.28No.2
竺:!!!:
基于VBA的冲模标准件参数化设计与实现
刘细芬。谢有富。韦春鸾(广西工学院,广西柳州545006)
摘要:以AutoCAD软件作为软件平台,用Access软件建立数据库管理系统,并利用参数化和VBA语言开发冲压模标准件参数化图形库,对提高模具设计水平,缩短模具制造周期有一定的参考价值。用实例介绍了设计过程,也能进行其他专业的参数化图库开发。
关键词:冲压模标准件;参数化;VBA;AutoCAD
中图分类号:TG385.2;TP39文献标志码:A文章编号:1003-0794(20cr7)02.0091.03
ParametricDesignandRealizationofStampingDie’Standard―part
Based
545006,China)
(Q呼University
si鼬aglevelofthe
die,and
LIUXi―fen,XIEYou―fu,WEIChun―luan
ofTechnology,Liuzhou
Abstract:TakingAutoCAD幽softwareplatformandAccessasDBMS.parameterizationdrawingdatabaseforstampingdiestandal[d―partsisresearchedbyparametricfunctionandVBAlanguage,which
improves‰de―
downtheperiodofthemould
byexample.According
themethod,theImrmneterization
manufacturing.Thedesignprocessisintroduceddrawingdatabaseforotherspecialityisdeveloped.
Keywords:stampingdiestandard―parts;parameterfunction;VBA;AutoCAD
0引言图,利用尺寸驱动原理,使尺寸的变化能自动转化到几何形体的相应变化上,用于对形状相同,尺寸不同,但拓扑关系不变冲压模标准件上。运行该系统,改变参数值,可自动生成冲模标准件不同尺寸图形。即进行参数化绘图,极大地提高了绘图效率。1总体方案设计
1.1设计思想及开发工具
每种模具标准件有不同尺寸系列,同一系列的标准件拓扑结构是相同的,不同的只是尺寸参数,在
(11):61―62.
CAD软件具有强大的绘图和图形编辑功能,用它来设计模具,可以极大提高设计效率和制图质量。对于相同零件,由于尺寸不同,在CAD软件中仍需要重复绘制。而在冲压模设计中大部分零件如导柱、导套、模柄等都属标准件,绘制时仍然浪费大量的时间和精力。为了缩短模具开发周期,提高效率,用CAD软件内嵌的面向对象编程语言VBA对CAD软件进行二次开发,实现在CAD模型空间环境下绘变化等干扰因素的影响。在一定的频率范围内,启动、停止、正转、反转等运动方式的改变,都不会产生失步现象。采用AT89s51单片机设计的三相步进电机控制系统,外围器件少,性价比高,不需扩展存储器。整个系统具有结构简单、成本低廉、可靠性高、使用方便、通用性强和控制精度高等特点,运行平稳,控制效果良好。
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作者简介:杜家熙(1964一),河南获嘉人,副教授,工学硕士,主要从事机械制造、数控技术、CAD/CAM技术的教学与科研工作,发表论文近30篇
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[5]周忠辉.步进电机驱动的实现方法[J].仪表技术与传感器,2004
收稿日期:2006-12.22
万方数据 
基于单片机的步进电机控制器设计
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
杜家熙, 陈艳锋, 李国厚, DU Jia-xi, CHEN Yan-feng, LI Guo-hou河南科技学院,河南,新乡,453003煤矿机械
COAL MINE MACHINERY)4次
参考文献(11条)
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10.王玉琳 三相反应式步进电机的一种实用型驱动器[期刊论文]-电力电子技术 .刘清 一种控制步进电机转速的方法[期刊论文]-微特电机 2004(01)
引证文献(4条)
1.任工昌.李健 基于AT89C51的蠕动式点胶机控制系统设计[期刊论文]-微电机 .刘晓燕 单片机STC12C2052AD的比例遥控系统[期刊论文]-单片机与嵌入式系统应用 .刘晓燕.蒋朝根 基于STC系列单片机的比例遥控系统[期刊论文]-甘肃科技纵横 .黄松柏 步进电机在经济型数控机床中的应用[期刊论文]-自动化技术与应用 2010(8)
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