基于单片机的电机控制系统方案设计书.docx
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基于单片机的电机控制系统方案设计书
密级公开学号__________
学生毕业设计(论文)
题目
基于单片机的电机控制系统设计
作者
院(系)
能源工程学院
专业
电气自动化
指导教师
答辩日期
2011年5月28日
榆林学院
毕业设计(论文)诚信责任书
本人郑重声明:
所呈交的毕业设计(论文),是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。
毕业设计(论文)中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。
尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人毕业设计(论文)与资料若有不实,愿意承担一切相关的法律责任。
论文作者签名:
年月日
摘要
步进电动机是一种数字控制电动机,是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角,所以步进电动机具有很好的线性特性。
控制步进电动机的方法多种多样,但实践证明,基于单片机控制的步进电动机比传统的步进电动机控制具有更好的性能,更加简单、方便、快捷。
本设计选择用AT89S52单片机控制三相步进电动机,完成三相步进电动机的三种运行方式的控制,即单相三拍、双相三拍和三相六拍。
实现步进电动机在这三种运行方式下的正反转控制和加减速控制。
该设计充分利用了集成电路相对于传统电路的优势,具有可视化和即时性特点,可实现对步进电动机的精确控制,并将运行方式显示在七段数码管上。
实践证明,本设计结构简单,功能稳定,能够很好的实现对步进电动机的精确控制。
关键词:
步进电动机,单片机,加减速,正反转
Abstract
Steppingmotorsisakindofdigitalcontrolmotors,aopenloopcontrolcomponentswhichchangetheelectricalimpulsessignalintotheangulardisplacementorlinedisplacement.Whenmotorisaddedapulsesignal,motorwillturnastepangle,sosteppermotorhasverygoodlinearcharacteristics.Controlmethodofsteppingmotorvaried,butpracticehasproved,controlbasedonMCUthantraditionalismoresimplemoreconvenientandfaster.
ThisdesignchoosetouseAT89S52MCUtocontrolsteppermotor,torealizesteppingmotor’sthreeoperationmodecontrol,namelysingle-phasethreeclap,dualphasethreeclapandthree-phasesixpat.Realizesteppermotor’spositive&negativecontrolanddecelerationcontrolinthesethreeoperationalmodes.Thedesignofintegratedcircuitmadefulluseoftheadvantageofcomparedtotraditionalcircuit,withreal-timevisualizationandcanrealizetheprecisecontrolofsteppingmotor,andwillruninsevensegmentdigitaldisplaytube.
Practicehasprovedthatthisdesignhassimplestructure,stableperformance,andcanachieveprecisecontrolofsteppingmotorwell.
Keywords:
steppingmotor,MCU,deceleration,positiveandnegative
1绪论
步进电动机的控制系统越来越多样化、专业化,本设计从自己的角度出发,借鉴前人的优点,设计出一种简单实用的控制系统。
1.1引言
步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机,它是基于最基本的电磁感应作用,将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在不超载的情况下,步进电动机的转速、停止的位置,只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载的限制[1]。
步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成,由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。
步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。
随着步进电动机的发展,步进电动机拥有了更加广泛的应用范围,而对步进电动机的控制要求也越来越严格。
因此,人们对步进电动机的控制系统也随着进行了多次改善。
在步进电动机的发展过程中,人们使用过很多种控制方案。
1.1.1基于电子电路控制
步进电动机受电脉冲信号控制,电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。
由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱,因此必须有功率放大驱动电路。
步进电动机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体,构成步进电动机驱动系统。
此种控制电路设计简单,功能强大,可实现一般步进电动机的细分任务。
这个系统由三部分组成:
脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。
系统组成如图1-1所示
图1-1基于电子电路控制系统
此种方案即可为开环控制,也可闭环控制。
开环时,其平稳性好,成本低,设计简单,但未能实现高精度细分。
采用闭环控制,能实现高精度细分,实现无级调速。
闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和,然后通过反馈和适当的处理,自动给出脉冲链,使步进电动机每一步相应控制信号的命令,从而只要控制策略正确,电机不可能轻易失步[2]。
该方案通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数,功能相对单一,如需改变控制方案,必须要重新设计,因此灵活性比较低。
1.1.2基于PLC的控制
PLC也叫可编程控制器,是一种工业上用的计算机。
PLC作为新一代的工业控制器,由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各个行业的自动化控制系统中。
步进电动机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。
控制系统采用PLC来产生控制脉冲,通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲,控制步进电动机的转角,进而控制伺服机构的进给量,同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电动机的转动速度,进而控制伺服机构的进给速度。
环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电动机的通电顺序分配到相应的绕组。
PLC控制的步进电动机可以采用软件环形分配器,也可以采用硬件环形分配器。
采用软件环形分配器占用PLC资源较多,特别是步进电动机绕组相数大于4时,对于大型生产线应该予以考虑。
采用硬件环形分配器,虽然硬件结构稍微复杂些,但可以节省PLC资源,目前市场有多种专用芯片可以选用。
步进电动机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大,达到比较大的驱动能力,来驱动步进电动机。
采用软件来产生控制步进电动机的环型脉冲信号,并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号,这样就可以省掉专用的步进电动机驱动器,降低硬件成本。
但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒,相应的频率只能达到几百赫兹,因此,受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响,步进电动机不能在高频下工作,无法实现高速控制。
并且在速度较高时,由于受到扫描周期的影响,相应的控制精度就降低了[3]。
1.1.3基于单片机控制
采用单片机来控制步进电动机,实现了软件与硬件相结合的控制方法。
用软件代替环形分配器,达到了对步进电动机的最佳控制。
系统中采用单片机接口线直接去控制步进电动机各相驱动线路。
由于单片机的强大功能,还可以设计大量的外围电路,键盘作为一个外部中断源,设置了步进电动机正转、反转、档次、停止等功能,采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序,完成对步进电动机的最佳控制,显示器及时显示正转、反转、速度等状态。
环形分配器其功能由单片机系统实现,采用软件编程的办法实现脉冲的分配[4]。
由此可以看出,采用单片机来控制步进电动机具有很多的优点,单片机控制的步进电动机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机、大型望远镜、卫星天线定位系统等等。
所以,本设计采用基于单片机的控制方案。
1.2步进电动机的发展
步进电动机最早是在1920年由英国人开发的,50年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电动机上,步进电动机的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关,今年来,伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步,发达国家已普遍使用优越的混合式步进电动机,并逐步向大功率应用领域渗透。
步进电动机最大的生产国是日本,如日本伺服公司、东方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等,特别是东方公司,无论是电动机性能和外观质量还是生产手段,都是世界上最好的。
我国对步进电动机的研究从1958年开始,70年代以前受苏联的影响,以三相磁阻式步进电动机为主,70年代受国内研制生产数控机床和其他数控设备的推动,并受日本数控机床系统的影响,开始发展磁阻式步进电动机的系列产品。
80年代开始发展混合式步进电动机,经过多年的发展,我国步进电动机形成一种品种规格繁多的局面[5]。
1.3本设计的主要目的和内容
经过了认真的准备研究,本设计有了具体的研究范围。
1.3.1本设计的主要目的
本设计的主要目的是基于AT89S52单片机,设计出一整套能够简单、有效的控制步进电动机的控制系统,以实现步进电动机在单相三拍、双相三拍、三相六拍三种工作方式下的启动、停止、正转、反转、加速和减速。
并将工作方式显示在七段数码管上。
1.3.2本设计的主要内容
1.设计一整套步进电动机驱动电路,并通过理论及仿真的方法对所设计的驱动电路进行验证。
2.设计一整套包括键盘、显示器、计时器在内的外围电路。
3.完成整套系统的软件设计。
本章小结:
本章首先对步进电动机进行简单的介绍,然后简单介绍步进电动机的发展,最后给出了本设计的主要目的和内容。
2步进电动机概述
步进电动机相对于传统电动机具有很多的优势,因此在当今时代得到了很广泛的应用。
2.1步进电动机的特点
步进电动机又称脉冲电机或阶跃电机,国外一般称stepmotor或steppingmotor、pulsemotor、steppermotor等。
目前,随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化,传统电机分类间的界面越来越模糊。
就传统的步进电动机来说,步进电动机可以简单地定义为:
根据输入的脉冲信号,每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度,若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。
从广义上讲,步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷直流电动机,也可看作是在一定频率范围内转速与脉冲频率同步的同步电动机[6]。
步进电动机具有其自身的特色,归纳起来有:
1.可以用数字信号直接进行开环控制,整个系统简单廉价;
2.直接接收数字信号,不必进行数模转换,使用方便;
3.位移与输入脉冲信号数相对应,步距误差不长期累积,可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统,也可以要求更高精度时组成闭环控制系统;
4.无刷,电动机本体部件少,可靠性高;
5.易于起动、停止、正反转及变速,相应性也好;
6.停止时,可有自锁功能;
7.步距角选择范围大,可在几十角分至180度大范围内选择。
在小步距情况下,通常可以在低速下以高速矩运行,因而可以不经减速器直接驱动负载工作;
8.速度可以相当宽范围内平滑调节。
同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行;
9.不能直接使用普通的交流电源驱动。
2.2步进电动机的分类
步进电动机的种类很多,从广义上讲,步进电动机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。
按结构特点电磁式步进电动机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类;按相数分则可分为单相、双相和多相三种。
目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电动机[7]。
2.2.1反应式步进电动机(VariableReluctance,简称VR)
反应式步进电动机的转子是由软磁材料制成的,转子中没有绕组。
它的结构简单,成本低,步距角可以做得很小,但动态性能较差。
反应式步进电动机有单段式和多段式两种类型;
2.2.2永磁式步进电动机(PermanentMagnet,简称PM)
永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的,转子本身就是一个磁源。
转子的极数和定子的极数相同,所以一般步距角比较大。
它输出转矩大,动态性能好,消耗功率小(相比反应式),但起动运行频率较低,还需要正负脉冲供电;
2.2.3混合式步进电动机(Hybrid,简称HB)
混合式步进电动机综合了反应式和永磁式两者的优点。
混合式与传统的反应式相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激励只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电动机效率高,电流小,发热低。
因永磁体的存在,该电动机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小[8]。
经过比较,发现反应式步进电动机更适合本设计,更能与AT89S52配合,所以本设计采用反应式步进电动机。
2.3步进电动机的工作原理
图2-1反应式步进电动机
如图2-1所示,A、B、C接电源,分别有三个开关控制,A'、B'、C'分别接地。
如果给处于错齿状态的相通电,则转子在电磁力的作用下,将向磁导率最大(即最小磁阻位置)位置转动,即向趋于对齿的状态转动。
步进电动机是一种感应电动机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电动机供电,步进电动机才能正常工作,驱动器就是为步进电动机分时供电的,多相时序控制器。
如A相通电,B、C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。
如B相通电,A、C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3π,此时齿3与C偏移为1/3π,齿4与A偏移(π-1/3π)=2/3π。
如C相通电,A、B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3π,此时齿4与A偏移为1/3π对齐。
如A相通电,B、C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3π这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3π,向右旋转。
如按A,C,B,A……通电,电机就反转。
由此可见:
电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。
而方向由导电顺序决定。
不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。
往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3π改变为1/6π。
甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3π变为1/12π,1/24π,这就是电机细分驱动的基本理论依据。
不难推出:
电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。
并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。
只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。
2.3.1步进电动机的工作方式
1.单相三拍:
通电顺序为A→B→C;
2.双相三拍:
通电顺序为AB→BC→CA;
3.三相六拍:
通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA;
三种工作方式的区别如下:
表2-1反应式步进电动机三种工作方式比较
工作方式
单相三拍
双相三拍
三相六拍
步进周期
T
T
T
每相通电时间
T
2T
3T
走齿周期
3T
3T
6T
相电流
小
较大
最大
高频性能
差
较好
较好
转矩
小
中
大
电磁阻尼
小
较大
较大
振荡
容易
较容易
不容易
功耗
小
大
中
由表2-1可以看出这三种工作方式中,三相六拍的性能最好,单相三拍的性能最差,因此,在步进电动机的控制应用中,选择合适的工作方式非常重要。
2.3.2步进电动机的振荡和失步
步进电机的振荡和失步是一种普遍存在的现象,它影响应用系统的正常运行,因此要尽力去避免。
1.振荡
步进电机的振荡现象主要发生于:
步进电机工作在低频区,步进电机工作在共振区,步进电机突然停车时。
当步进电机工作在低频区时,由于励磁脉冲间隔的时间较长,步进电机表现为单步运行,当励磁开始时,转子在电磁力的作用下加速转动,到达平衡点时,电磁驱动转矩为零,但转子的转速最大,由于惯性,转子冲过平衡点,这时电磁力产生负转矩,转子在负转矩的作用下,转速逐渐为零,并开始反向转动。
当转子反转过平衡点后,电磁力又产生正转矩,迫使转子又正向转动。
如此下去,形成转子围绕平衡点的振荡。
由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用,这个振荡表现为衰弱振荡,最终稳定在平衡点。
当步进电机工作在共振区时,步进电机的脉冲频率接近步进电机的振荡频率fo或振荡频率的分频或倍频,这会使振荡加剧,严重时造成失步。
振荡失步的过程可描述如下:
在第一个脉冲到来后,转子经历了一次振荡。
当转子回摆到最大幅值时,恰好第2个脉冲到来,转子受到的电磁转矩为负值,使转子继续回摆,接着第3个脉冲到来,转子受正电磁转矩的作用回到平衡点,这样,转子经过3个脉冲仍然回到原来位置,也就是丢了三步。
当步进电机工作在高频率区时,由于换相周期短,转子来不及反冲,同时,绕组中的电流尚未上升到稳定值,转子没有获得足够的能量,所以在这个工作区中不会产生振荡。
减少步距角可以减少振荡幅值,以达到削弱振荡的目的。
2.失步
电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数称之为失步。
步进电机失步的原因有2种:
:
a转子的转速慢于旋转磁场的速度(或者说慢于换相速度)。
例如,步进电机在启动时,如果脉冲的频率较高,由于电动机来不及获得足够的能量,使其无法令转子跟上旋转磁场的速度,所以引起失步。
因此,步进电动机有一个启动频率启动时,肯定会产生失步。
注意,启动频率不是一个固定值,提高电动机的转矩、减少负载转动惯量、减少步距角都可以提高步进电机的启动频率。
b转子的平均速度大于旋转磁场的速度。
这主要发生在制动和突然换向时,转子获得过多的能量,产生严重的过冲,引起失步[9]。
2.4步进电动机控制系统概述
运动控制是一门有关如何对物体位置和速度进行控制的技术。
典型的运动控
制系统应由三部份构成:
控制部分、驱动部分、执行部分。
如图2-2所示:
图2-2运动控制系统组成
在步进电动机控制系统中运动执行部件为步进电动机。
步进电动机的运行要有一电子装置进行驱动,这种装置就是步进电动机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号,加以放大以驱动步进电动机。
而运动控制部件就是步进电动机控制系统。
因此,典型的步进电动机驱动系统主要由三部分组成:
步进控制器、驱动器和步进电动机。
不同的控制方案,步进控制器、驱动器也有不同的类型,本设计第一章已经介绍过,本设计以单片机为控制器来控制步进电动机。
单片机控制系统中采用并行控制,用单片机接口线直接去控制步进电动机各相驱动电路。
通过软件的控制,单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流,就可以控制电动机的转动,从而实现数字到角度的转换。
转动的角度大小与施加的脉冲数成正比,转动的速度与脉冲频率成正比,而转动的方向则与脉冲的顺序有关[10]。
2.4.1步进电动机的速度控制
步进电机的速度控制是通过单片机发出的步进脉冲频率来实现,对于软脉冲分配方式,可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速,对于硬脉冲分配方式,可以控制步进脉冲的频率来实现调速。
控制步进电机的速度的方法可有两种:
1.软件延时法:
改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率。
2.定时器中断法:
在中断服务子程序中进行脉冲输出操作,调整定时器的定时常数就可以实现调速。
定时器法利用定时器进行工作,为了产生步进脉冲,要根据给定的脉冲频率和单片机的机器周期来计算定时常数,这个定时器决定了定时时间,当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断,在中断子程序中进行改变P1.0的电平状态的操作,这样就可以得到一个给定频率的方波输出,改变定时常数,就可以改变方波的频率,从而实现调速。
整个系统以单片机为核心,设计出硬件系统。
以其中的几个接口控制驱动电路,由于步进电动机工作时,电动机绕组内的电流值一般都能达到数安培,而控制电动机绕组内电流变化的控制信号一般都是由逻辑电路产生的数字信号,电压一般比较低,为了防止单片机或控制信号等受到后级模拟电路的干扰,通常在驱动电源的设计时都要设计电压隔离接口,以便把数字信号和模拟信号隔离开,所以将光电隔离电路接在驱动电路和单片机出口之间。
2.4.2光电隔离器
光电隔离器是一种新型光电子器件,主要用于电信号的隔离与传输。
光电隔离器通常把发光器件与受光器件至于同一壳体内,在发光器件端口内加入控制电信号,使发光器件发光,受光器件受光,产生光电效应,输出电信号。
从而实现电光电传输和控制。
光电隔离器是以光作为中间转换环节,使得输入信号和输出信号之间完全隔离,可以消除输入回路中的噪音信号、共地杂波等对输出回路的信号干扰,可以实现直流信号到交流信号或脉冲信号之间的传送,与电磁继电器相比,具有开关速度快,电器隔离性能好,抗冲击与震动能力高,寿命长,工作可靠的特点。
TTL
图2-3光电隔离器
如图所示,隔离器输入电压受TTL反向器的控制,当反向器的输入信号为低电平时,信号反向使输出为高电平,红外发光二极管截止,光敏三极管不导通,隔离器输出为高电平,反之,隔离器输出为低电平,从而实现TTL电路控制信号的隔离传输驱动作用。
电阻R1为输入回路的限流电阻。
由于红外发光二极管是电流驱动器件,不宜采用电压源直接驱动,否则容易使器件烧坏。
R1的主要作用是限定红外发光二极管的正向电流作用。
R4为输出负载电阻,可根据实际情况选择使用。
本设计选用TIL111一般光耦器件。
2.4.3步进电动机的正反转控制
本设计中步进电动机的正反转控制由键盘控制,即按下正转则电动机正转,按下反转则电动机反转。
其原理如图2-4所示:
图2-4正反转控制原理
当按下正转按键S1时,单片机扫描到S1按下,开始执行正转程序,电动机正转;当反转按键S2按下时,单片机执行反转程序,电动机反转。
2.4.4三种工作方式的切换
前面介绍过系统共有三种工作方式,分别为单相三拍、双相三拍和三相六拍,如表2-2所示。
表2-2三种工作方式
方式
步序
Q2Q1Q0
通电绕组
单相三拍
1步
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- 基于 单片机 电机 控制系统 方案设计