開題報告范文-52

基于單片機的步進電機控制系統研究與開發(fā)三峽大學機械與動力學院課題來源隨著科學技術和工業(yè)生產的飛躍發(fā)展，國民經濟各個部門迫切需要各種各樣質量優(yōu)，性能好，效率高，耗能低，價格廉的機械產品。步進電機也在朝著這些方向不斷發(fā)展和創(chuàng)新。由于科技的突飛猛進，現在市場上已經出現了大量各種各樣的步進電機控制系統，但是這些步進電機控制系統還存在許多缺點和不足。我們知道，動力和運動是可以相互轉化的，從這個意義上講步進電機也是運動源。對運動的有效控制方式是對運動源的控制，因此，常常通過對步進電機的控制來實現運動控制。加上電氣的飛速發(fā)展，需要用單片機來控制步進電機。二.問題的提出及研究意義傳統的步進電機控制方法是由觸發(fā)器產生控制脈沖來進行控制的，但此種控制方法工作方式單一且難于實現人機交互,當步進電機的參數發(fā)生變化時,需要重新進行控制器的設計。而且由傳統的觸發(fā)器構成的控制系統具有控制電路復雜、控制精度低、生產成本高等缺點。為了克服傳統控制器的缺點，滿足工業(yè)生產新的控制要求,在此設計一種以單片機為核心的新型控制器。步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的電磁機械裝置，是一種輸出與輸入數字脈沖對應的增量驅動元件，具有快速啟動和停止的能力。當負荷不超過步進電機所提供的動態(tài)轉矩值時，它就可能在一瞬間時間啟動和停止，它的步矩角和轉速不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環(huán)境條件如溫度、氣壓、沖擊和振動等的影響，僅與脈沖頻率有關。它每轉一周都有固定的步數，在不丟步的情況下遠行，其步矩誤差不會長期積累。正是因為步進電機具備上述優(yōu)點，它被廣泛地用于自動控制系統中作為執(zhí)行元件。但是傳統的步進電機控制方法是由觸發(fā)器產生控制脈沖來進行控制的，但此種控制方法工作方式單一且難于實現人機交互，當步進電機的參數發(fā)生變化時，需要重新進行控制器的設計，以單片機為核心的步進電機控制系統可有效改善以上缺點，因此，本課題具有重要的實際意義。三.國內外研究現狀20世紀人類社會最偉大的科技成果是計算機的發(fā)明與應用，計算機及控制技術在機械制造設備中的應用是世紀內制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術進步。自從1952年美國第１臺數控銑床問世至今已經歷了50個年頭。數控設備包括：車、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工以及各類專用的步進電機，形成龐大的數控制造設備家族，每年全世界的產量有10-20萬臺，產值上百億美元。

世界制造業(yè)在20世紀末的十幾年中經歷了幾次反復，曾一度幾乎快成為夕陽工業(yè)，所以美國人首先提出了要振興現代制造業(yè)。90年代的全世界數控機床制造業(yè)都經過重大改組。如美國、德國等幾大制造商都經過較大變動，從90年代初開始已出現明顯的回升，在全世界制造業(yè)形成新的技術更新浪潮。如德國機床行業(yè)從2000年至今已接受3個月以后的訂貨合同，生產任務飽滿。我國步進電機制造業(yè)在80年代曾有過高速發(fā)展的階段，許多機床廠從傳統產品實現向數控化產品的轉型。但總的來說，技術水平不高，質量不佳，所以在90年代初期面臨國家經濟由計劃性經濟向市場經濟轉移調整，經歷了幾年最困難的蕭條時期，那時生產能力降到50％，庫存超過4個月。從1995年“九五”以后國家從擴大內需啟動機床市場，加強限制進口數控設備的審批，投資重點支持關鍵數控系統、設備、技術攻關，對數控設備生產起到了很大的促進作用，尤其是在1999年以后，國家向國防工業(yè)及關鍵民用工業(yè)部門投入大量技改資金，使數控設備制造市場一派繁榮。從2000年8月份的上海數控機床展覽會和2001年4月北京國際機床展覽會上，也可以看到多品種產品的繁榮景象。但也反映了下列問題：

（1）低技術水平的產品競爭激烈，互相靠壓價促銷；

（2）

高技術水平、全功能產品主要靠進口；

（3）

配套的高質量功能部件、數控系統附件主要靠進口；

（4）

應用技術水平較低，聯網技術沒有完全推廣使用；

（5）

自行開發(fā)能力較差，相對有較高技術水平產品主要靠引進圖紙、合資生產或進口件組裝。

當今世界工業(yè)國家數控機床的擁有量反映了這個國家的經濟能力和國防實力。目前我國是全世界機床擁有量最多的國家（近300萬臺），但我們的機床數控化率僅達到1.9％左右，這與西方工業(yè)國家一般能達到20％的差距太大。日本不到80萬臺的機床卻有近10倍于我國的制造能力。數控化率低，已有數控機床利用率、開動率低，這是發(fā)展我國21世紀制造業(yè)必須首先解決的最主要問題。每年我們國產全功能數控機床3000-4000臺，日本１年產５萬多臺數控機床，每年我們花十幾億美元進口7000-9000臺數控機床，即使這樣我國制造業(yè)也很難把行業(yè)中數控化率大幅度提上去。提出數控化改造的設備可達8-10萬臺，需投入80-100億資金，但得到的經濟效益將是投入的5-10倍以上。因此，這些年來承擔數控化改造的企業(yè)公司大量涌現，甚至還有美國公司加入。數控技術經過50年的2個階段和6代的發(fā)展：

第1階段：硬件數控（NC）

第1代：1952年的電子管

第2代：1959年晶體管分離元件

第3代：1965年的小規(guī)模集成電路第2階段：軟件數控（CNC）

第4代：1970年的小型計算機

第5代：1974年的微處理器

第6代：1990年基于個人PC機（PC-－BASEO）

第6代的系統優(yōu)點主要有：（1）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可達到5萬小時以上；

（2）

基于PC平臺，技術進步快，升級換代容易；

（3）

提供了開放式基礎，可供利用的軟、硬件資源豐富，使數控功能擴展到很寬的領域（如CDA、CAM、CAPP，連接網卡、聲卡、打印機、攝影機等）；

（4）

對數控系統生產廠來說，提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境，簡化了硬件。

目前，國際上最大的數控系統生產廠是日本ＦANUC公司，１年生產5萬套以上系統，占世界市場約40％左右，其次是德國的西門子公司約占15％以上，再次是德海德漢爾，西班牙發(fā)格，意大利菲地亞，法國的NUM，日本的三菱、安川。

國產數控系統廠家主要有華中數控、北京航天機床數控集團、北京凱恩帝、北京凱奇、沈陽藝天、廣州數控、南京新方達、成都廣泰等，國產數控生產廠家規(guī)模都較小，年產都還沒有超過300-400套。近10年數控機床為適應加工技術發(fā)展，在以下幾個技術領域都有巨大進步：

(1)高速

由于高速加工技術普及，機床普遍提高各方面速度，車床主軸轉速由300-400r/min、2400/min提高到8000-10000r/min，銑床和加工中心主軸轉速由400-8000r/min提高到12000r0r/min、40000r/min以上。快速移動速度由過去的10-20m/min提高到48m/min、60m/min、80m/min、120m/min在提高速度的同時要求提高運動部件起動的加速度，其已由過去一般機床的0.5G（重力加速度）提高到1.5-2G，最高可達15G，直線電機在機床上開始使用，主軸上大量采用內裝式主軸電機。

(2)

高精度化數控機床的定位精度已由一般的0.01-0.02ｍｍ提高到0.08ｍｍ左右，亞微米級機床達到0.0005ｍｍ左右，納米級機床達到0.005-0.01μｍ，最小分辨率為1ｎｍ（0.000001ｍｍ）的數控系統和機床已有產品。

數控中兩軸以上插補技術大大提高，納米級插補使兩軸聯動出的圓弧都可以達到１μ的圓度，插補前多程序段預讀，大大提高插補質量，并可進行自動拐角處理等。

(3)

復合加工、新結構機床大量出現

如5軸5面體復合加工機床，5軸5聯動加工各類異形零件。也派生出各新穎的機床結構，包括6軸虛擬軸機床，串并聯鉸鏈機床等。采用特殊機械結構，數控的特殊運算方式，特殊編程要求。

(4)

使用各種高效特殊功能的刀具使數控機床“如虎添翼”。如內冷鉆頭由于使高壓冷卻液直接冷卻鉆頭切削刃和排除切屑，在鉆深孔時大大提高效率。加工鋼件切削速度能達1000m/min，加工鋁件能達5000m/min。

(5)

數控機床的開放性和聯網管理，已是使用數控機床的基本要求，它不僅是提高數控機床開動率、生產率的必要手段，而且是企業(yè)合理化、最佳化利用這些制造手段的方法。因此，計算機集成制造、網絡制造、異地診斷、虛擬制造、異行工程等等各種新技術都在數控機床基礎上發(fā)展起來，這必然成為21世紀制造業(yè)發(fā)展的一個主要潮流

本課題將本體作為單片機的步進電機控制系統研究與開發(fā)，并用實例驗證了其科學性與規(guī)范性，為用單片機的步進電機控制系統的數控機床提供基礎。四．本文研究的主要內容一．控制系統設計本設計的功能是實現一個基于51單片機控制的4相步進電機系統,由單片機產生驅動脈沖信號,步進電機的驅動器收到驅動脈沖信號后,步進電機將會按照設定的方向轉動一個固定的角度,將電脈沖轉化成角位移。電機的轉速由脈沖信號頻率來控制決定,可以通過控制脈沖的個數來控制角位移量從而達到調速的目的。系統框圖如圖1所示:由圖1可知,步進電機控制系統中有兩個重要電路:脈沖分配電路和驅動電路。脈沖分配電路有兩個輸入信號:步進脈沖和轉相控制。脈沖分配電路在步進脈沖和轉向控制信號的共同作用下產生四相激勵信號,此激勵信號經過驅動電路送至步進電機,控制步進電機向某一方向轉動,此激勵信號的頻率決定了步進電機的轉速。驅動電路的主要作用是實現功率放大。一般脈沖分配器輸出的驅動能力是有限的,它不可能直接驅動步進電機,而要經過一級功率放大。二．硬件電路設計在單片機控制的步進電機系統中,輸入由單片機接口電路構成的4×4鍵盤完成,單片機根據輸入的鍵值控制STK672-040的輸入,再由STK672-040完成脈沖分配與功率驅動,輸出脈沖控制步進電機的運行。五．本文研究的基本目標單片機對步進電機的控制有串行控制和并行控制兩種方式。本設計采用的是串行控制方式，此方式下單片機控制系統與步進電機驅動器之間只有兩條控制線。一條發(fā)出時鐘脈沖信號來控制步進電機的轉速；另一條發(fā)出轉向信號控制步進電機的轉向。這兩個信號都是送入步進電機驅動器的輸入端，驅動器中含有環(huán)行分配器，對步進電機勵磁方式的控制和控制脈沖的分配都是由環(huán)行分配器來完成的。由于單片機控制系統與驅動器之間只有兩條控制線，從而使系統結構大為簡化?？刂葡到y按速度控制的要求從時鐘脈沖控制線發(fā)出相應的控制脈沖即可對步進電機的轉速進行控制。當需要恒速運行時，就發(fā)出恒定頻率的控制脈沖；當需要加速運行時，就發(fā)出頻率遞增的控制脈沖；當需要減速運行時，就發(fā)出頻率遞減的控制脈沖；當需要鎖定狀態(tài)時，只需要停止發(fā)脈沖并通入直流電就可以了。因此，可以方便地對電動機的轉速進行控制。轉向控制線可實現對步進電機轉向的控制，當輸出高電平“1”時，環(huán)行分配器按正方向進行脈沖分配，步進電機正向旋轉；當輸出低電平“0”時，環(huán)行分配器按反方向進行脈沖分配，步進電機反方向旋轉。六．本文研究的技術路線步進步進電機的工作原理控制電路原理單片機的接口技術步進電機的控制電路單片機匯編語言控制程序單片機的步進電機控制系統七.工作的主要階段,進度和技術指標時間階段工作進度技術指標2007.11.28—2007.12.06查找相關文獻盡量多的查找跟課題有關（橫向及縱向有關）的文獻及書籍2007.12.07—2007.12.17泛讀相關文獻與書籍對課題有個大概的了解2007.12.17—2007.12.29有針對性的（針對某一個或幾個知識點）精讀相關文獻與書籍對課題設計到的相關知識技術有比較深刻的理解2007.12.30—2007.2.30學習相關語言熟悉掌握課題涉及到的語言2007.2.30—2007.3.7熟悉本體開發(fā)工具MATLAB熟悉界面及相關功能2007.3.7—2007.3.20認真學習本體開發(fā)工具MATLAB能夠熟練的運用MATLAB開發(fā)相關電路系統2007.3.20—2007.3.31學習電路，單片機和步進電機原理分析完成單片機控制步進電機的原理2007.3.31—2007.4.10建立單片機控制步進電機電路模型運用MATLAB對系統進行分析2007.4.11—2007.4.21撰寫畢業(yè)論文完成畢業(yè)論文的撰寫工作八.最終成果及完成時間最終成果為：課題說明書一份、用MATLAB檢驗所完成的單片機的步進電機控制系統的性能，4月下旬完成課題及論文的撰寫、修改和裝訂，為畢業(yè)答辯做好準備。九．有利條件及目前存在的問題有利條件：前人已經作過很多相關方面的工作，留下很多寶貴的資料與經驗。存在的問題是：現有步進電機的最小步距角還未能達到本系統的要求，所以要在步進細分技術上作探討。利用步進電機的準確動作和步進電機的細分技術，解決角度與對應關系的問題。其中，當步進電動機的細分角度越小，越有利于提高步進電動機的角位、點位及連續(xù)控制方面的定位精度，越有利于與計算機聯機，實現全自動化控制。同時，還可以大大提高步進電機的分辨率，大大改善步進電動機在動態(tài)運轉時的特性。十.參考文獻[1]何希才,姜余祥.電動機控制電路應用實例[M].北京:中國電力出版社,2005.[2]陳理壁,步進電動機及其應用[M].上海:上?？萍汲霭嫔?1985[3]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.[4]譚建成.電機控制專用集成電路[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997.[5]王玉琳,王強.步進電機的速度調節(jié)方法[J].電機與控制應用,2006,33(1):53256.[6]李鐵才,杜坤梅.電機控制技術[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2000.[7]李志宇.單片機控制系統抗干擾設計[J].電子測量技術,2007,30(6):1002102.[8]盧勝利.智能儀器設計與實現[M].重慶:重慶大學出版社,2003.[9]王輝堂,顏自勇,陳文薌.基于帶PWM模塊單片機的步進電機細分驅動技術[J].國外電子測量技術2007,26(3):9211.[10]王強,趙宇.CPLD在步進電機控制系統中的應用[J].電子測術,2006,29(6):1182120.[11]宋強,王再宙,王志福,等.基于虛擬儀器的電動汽車牽引電機性能測試系統[J].儀器儀表學報,2007,28。[12]張俊謨.單片機中級教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.[13]顧繩谷.電機及拖動基礎(第三版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.[14]戴佳,戴衛(wèi)恒.51單片機C語言應用程序設計實例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.[15]胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].北京:清華大學出版社,2004.[16]譚浩強.C語言程序設計(第二版)[M].北京:清華大學出版社,1999.[17]何立民.MCS-51系列單片機應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,1993.[18]戢衛(wèi)平,胡耀輝,朱朝華等.單片機系統開發(fā)實例經典[