單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)開題報(bào)告.doc

信息與電子工程系畢業(yè)論文(開題報(bào)告)浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告信電系電氣技術(shù)專業(yè)03級課題名稱：單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)起止時(shí)間：2006年2月15日6月2日(共16周)學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：報(bào)告日期：信息與電子工程系畢業(yè)論文(開題報(bào)告)1本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)的研究現(xiàn)狀綜述一、單片機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r1十幾年來，單片機(jī)在生產(chǎn)過程控制、白動(dòng)檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計(jì)算、商業(yè)管理和辦公室白動(dòng)化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)具有體積小、重量輕、耗能省、價(jià)格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定句、汽車火花控制、交通白動(dòng)管理和微波爐等專用控制上。近幾年來，單片機(jī)的發(fā)展更為迅速，它已滲透到諸多學(xué)科的領(lǐng)域，以及人們生活的各個(gè)方面。單片機(jī)不求規(guī)模大，只求小而全。廠家在一個(gè)芯片上制成了CPU和一定容量的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及一定數(shù)量的輸入/輸出接口(工nterface)。在一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片上構(gòu)造了完整的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，故稱之為單片機(jī)MCS-51系列中的一片8751芯片，內(nèi)部構(gòu)造了完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。從CPU、存儲(chǔ)器到輸入輸出端口，一應(yīng)俱全。只要寫入程序，就可完成中央控制或數(shù)據(jù)采集、處理及通信傳輸?shù)男畔⑻幚頇C(jī)，MCS-51單片機(jī)指令系統(tǒng)中為適應(yīng)控制的需要設(shè)有極強(qiáng)的位處理功能，具有加、減、乘、除指令；CPU時(shí)鐘高達(dá)12MHz，完成單字節(jié)乘法或除法運(yùn)算僅需要4Ns；具有多機(jī)通信功能，可作為多機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)。一般微處理器和有關(guān)元器件分軍用和民用兩級，民用產(chǎn)品主要用于辦公室及機(jī)房環(huán)境，工作溫度在0到700,軍用產(chǎn)品要求在惡劣環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，工作溫度在-65到+125；工業(yè)級產(chǎn)品的性能介于以上兩者之間，在-40到+85溫度環(huán)境可正常工作。工業(yè)產(chǎn)品可靠性比民用產(chǎn)品強(qiáng)，而價(jià)格較軍用品低。在單片機(jī)應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境，選擇工業(yè)級芯片，保證系統(tǒng)可靠性。近年來，在國際上出現(xiàn)了Mechanics和electronics復(fù)合成的Mechtronics這個(gè)新詞，我國譯為“機(jī)電一體化”。這種機(jī)械和電子技術(shù)、信息技術(shù)緊密結(jié)合的新的學(xué)科領(lǐng)域是先進(jìn)制造技術(shù)研究和普及的結(jié)果。機(jī)電一體化產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)電器控制的實(shí)時(shí)性、高可靠性、可編程和一定的人工智能。同時(shí)追求體積小、價(jià)格低，甚至低功耗等。正是針對上述種種要求而設(shè)計(jì)的單片機(jī)白然成為機(jī)電一體化控制器的最佳選擇。單片機(jī)出現(xiàn)的歷史并不長，它的產(chǎn)生與發(fā)展與微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體上同步，也經(jīng)歷了四個(gè)階段10:第一階段:1971-1974年，4位微處理器工ntel4004及8位微處理器工ntel8008，這些計(jì)算機(jī)價(jià)格便宜、功能有限，只用于消耗類電子產(chǎn)品。第二階段:1974-1978年，初級單片機(jī)階段，以工ntel公司的MCS-48為代表，8位單片機(jī)。第三階段:1978-1983年，高性能單片機(jī)階段。以工ntel公司MCS-51,Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等為代表。這一階段推出的單片機(jī)普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)、16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器接口，片內(nèi)RAM,ROM容量加大，尋址范圍可達(dá)64K字節(jié)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、外部設(shè)備控制、宏觀控制、局部網(wǎng)絡(luò)及家用計(jì)算機(jī)中。第四階段:1983年至今，8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)推出階段。例如Mostek公司的MK6800、Intel公司的MCS-96等。MCS-96集成度為12萬只晶體管信息與電子工程系畢業(yè)論文(開題報(bào)告)片，尋址范圍64K字節(jié)、5個(gè)8位并行口、一個(gè)全雙工串行口、4個(gè)16位定時(shí)器、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器等，另外MCS-96指令能處理位、字節(jié)、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一塊單片計(jì)算機(jī)的功能可以和一臺多片系統(tǒng)機(jī)相媲美。單片機(jī)己經(jīng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。二、步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上個(gè)世紀(jì)就出現(xiàn)了，它的組成、動(dòng)作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。80年代以后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級。基于微型計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)，能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力，因此，用微型計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求。步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在使用數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)制造中，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達(dá)。隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在這個(gè)應(yīng)用中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)完成兩個(gè)工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進(jìn)電機(jī)也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機(jī)同步系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也應(yīng)用在其他方面，比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動(dòng)器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中等等。2設(shè)計(jì)(論文)要解決的問題和擬采用的研究方法步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡稱PM）、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡稱VR）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡稱HB）：永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。早期的步進(jìn)電機(jī)靠一種叫環(huán)形分配器的電子開關(guān)器件，通過功率放大器使勵(lì)磁繞組按照順序輪流接通直流電源。信息與電子工程系畢業(yè)論文(開題報(bào)告)由于勵(lì)磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流與直流電源接通后，就會(huì)在間隙中形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子步進(jìn)式的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著接通切換頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會(huì)增大。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)同時(shí)與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)。1、步進(jìn)電機(jī)的控制方法及原理4步進(jìn)電機(jī)是一種能將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件,實(shí)質(zhì)上是一種數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器,功率放大器及步進(jìn)電機(jī)等組成.步進(jìn)控制器由緩沖寄存器,環(huán)形分配器,控制邏輯及正,反轉(zhuǎn)控制門等組成,能把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)形脈沖,以便控制步進(jìn)電機(jī),并能進(jìn)行正反向控制.但由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜.成本高.采用單片機(jī)控制,用軟件代替上述步進(jìn)控制器,使得線路簡單,成本低,可靠性大大增加,靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案,無需邏輯電路組成時(shí)序發(fā)生器.軟件編程可靈活產(chǎn)生不同類型步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁序列來控制各種步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式并可實(shí)現(xiàn)一機(jī)控制多臺電機(jī).提供靈活多樣的控制手段和提高控制精度對復(fù)雜繁瑣的控制易于實(shí)現(xiàn)。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下：(1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-CD,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。2、進(jìn)電機(jī)的主要特性6（1）步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以