步进电机指数规律升降速的单片机控制系统设计.zip

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步进 电机 机电 指数 规律 升降 单片机 控制系统 设计
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附件 1:四川理工学院毕业设计(论文)任务书 四四 川川 理理 工工 学学 院院 毕业设计(论文)任务书毕业设计(论文)任务书 设计(论文)题目:步步进电进电机指数机指数规规律升降速的律升降速的单单片机控制系片机控制系统设计统设计 系: 机电工程系 专业: 机电一体化 班级:2003 级 1 班 学号: 030110119 学生: 唐 忠 川 指导教师: 孙 祥 国 接受任务时间 2007.03.05 教研室主任 (签名)系主任 (签名) 1毕业设计(论文)的主要内容及基本要求 用单片机对步进电机进行三相六拍的控制,通过软硬件设计,实现电机指数规律升降速。 (1) 系统总体方案拟定; (2) 数学模型建立,求控制算法; (3) 硬件设计; (4) 软件设计; 编写设计说明书,完成系统控制硬件图 1 张 A 2; 2指定查阅的主要参考文献及说明 (1) 机电一体化系统设计 (2) 计算机控制系统分析与设计 (3) 单片机应用设计 (4) 电子电工技术 (5) C语言程序设计 (6) 机床电气控制 3进度安排 设计(论文)各阶段名称起 止 日 期 1 查阅资料,进行总体方案拟定,完成开题报告 07.03.05-07.03.20 2 建立系统数学模型,求控制算法 07.03.20-07.04.15 3 进行硬件设计,软件设计 07.04.15-07.05.20 4 编写设计说明书 07.05.20-07.06.02 5 准备毕业答辩 07.06.02-07.06.15 注:本表在学生接受任务时下达 附件 2:四川理工学院毕业设计(论文)开题报告 四川理工学院毕业设计(论文)开题报告四川理工学院毕业设计(论文)开题报告 设计(论文)名称步进电机指数规律升降速的单片机控制系统设计 设计(论文)类型 B 指导教师孙祥国 学生 姓名 唐忠川学号030110119系、专业、班级机电 031 班 一、选题依据:(简述研究现状或生产需求情况,说明该设计(论文)目的意义。 ) 步进电机具有启停迅速、步距精确、控制方便等优点,因此广泛应用于需精确定位的控制 系统和仪器设备,如各类数控机床、打印机、磁盘驱动器等。随着计算机的广泛应用,步进电 机已成为微机控制系统的主要执行元件之一。 步进电机的矩-频特性决定了当启动频率较高时,启动转矩如果很小便无法带动负载,造成 失步,停止时又会发生过冲,因此,在控制过程中,要求有合理的升降速规律。以前常选用直 线规律升降速,这种控制方法简单,但是由于它的脉冲变化有个恒定的加速度,所以它不能保 证在升降速的过程中步进电机转子的角加速度的变化和它的输出力矩变化相适应,不能很好的 发挥电机的加速性能。因此有必要对脉冲频率进行合理性的研究和论证,寻求一种较理想的指 数升降速曲线,使步进电机在运行的过程中能够快速定位,并且运行步数准确。 此设计运用计算机控制设计的知识,推导指数规律升降速控制算法,理论上使步进电机发 挥良好的工作性能。并通过具体软硬件的设计过程,充分运用巩固微机原理和单片机设计,软 件设计的相关知识,锻炼自己运用知识解决问题的实际工作能力,为以后进一步发展奠定基础。 二、设计(论文研究)思路及工作方法 由步进电机动力学方程和矩-频特性曲线推导出指数规律升降速控制算法,在此基础上运用 单片机进行升降速的并行控制,完成软硬件设计。硬件设计包括单片机的存储器配置、键盘与 显示电路设计、定时中断设计等。软件设计首先通过行结构划分和程序流程的设计,再模块化 编程。 三、设计(论文研究)任务完成的阶段内容及时间安排。 1.查阅资料,进行总体方案拟定,完成开题报告 07.03.05-07.03.20 2.建立系统数学模型,求控制算法 07.03.20-07.04.15 3.进行硬件设计,软件设计 07.04.15-07.05.20 4.编写设计说明书 07.05.20-07.06.02 5.准备毕业答辩 07.06.02-07.06.15 指导教师 意见 指导教师签字: 年 月 日 难度分量综合训练程度 教研室毕 业设计 (论文) 工作组审 核意见 教研室主任: 年 月 日 设计(论文)类型:A理论研究;B应用研究;C软件设计;D-其它等。 四四 川川 理理 工工 学学 院院 毕毕 业业 设设 计(论计(论 文)说文)说 明明 书书 题 目 步进电机指数规律升降速的 单片机控制系统设计 学 生 唐 忠 川 系 别 机 电 工 程 系 专 业 班 级 机械设计制造及自动化机电 03.1 班 学 号 030110119 指 导 老 师 孙 祥 国 2 四四 川川 理理 工工 学学 院院 毕业设计(论文)任务书毕业设计(论文)任务书 设计(论文)题目: 步进电机指数规律升降速的单片机控制系统设计 系: 机电工程系 专业: 机电一体化 班级:2003 级 1 班 学号: 030110119 学生: 唐 忠 川 指导教师: 孙 祥 国 接受任务时间 2007.03.05 教研室主任 (签名)系主任 (签名) 1毕业设计(论文)的主要内容及基本要求 用单片机对步进电机进行三相六拍的控制,通过软硬件设计,实现电机指数规律升降速。 (1) 系统总体方案拟定; (2) 数学模型建立,求控制算法; (3) 硬件设计; (4) 软件设计; 编写设计说明书,完成系统控制硬件图 1 张 A 2; 2指定查阅的主要参考文献及说明 (1) 机电一体化系统设计 (2) 计算机控制系统分析与设计 (3) 单片机应用设计 (4) 电子电工技术 (5) C语言程序设计 (6) 机床电气控制 3进度安排 设计(论文)各阶段名称起 止 日 期 1 查阅资料,进行总体方案拟定,完成开题报告 07.03.05-07.03.20 2 建立系统数学模型,求控制算法 07.03.20-07.04.15 3 进行硬件设计,软件设计 07.04.15-07.05.20 4 编写设计说明书 07.05.22-07.06.05 5 准备毕业答辩 07.06.06-07.06.24 注:本表在学生接受任务时下达 摘 要 I 摘 要 从步进电机的矩-频特性可知,启动频率越高,启动转矩越小,带动负载的能力越 差。当启动频率较高时,启动时会造成失步,而停止时由于惯性作用又会发生过冲, 所以在步进电机控制中必须要采取升降速控制措施。本文根据步进电机的动力学方程 和矩-频特性曲线建立系统的数学模型,采用指数规律的升降速算法,以单片机为核心 对步进电机进行并行控制。系统的软件设计由 C51 语言编程来实现。并设计了检测系 统用于对步进电机转速和步数的检测。最后,本系统可以实现以下功能:在显示器的 提示下,由键盘输入运行的步数和稳定运行的速度;由各个功能键控制系统的运行, 按启动键后,步进电机按照输入的步数进行走步;如在运行期间按停止键,则步进电 机停止运行。研究表明,采用指数规律的升降速曲线将大大地提高微机控制步进电机 的最高工作频率,大大缩短所需的升降速时间。 关键词:步进电机,单片机,速度控制,C51 语言 ABSTRACT II ABSTRACT According to torque vs. speed characteristic of stepping motor, the higher startup speed is, the smaller startup torque is and then the worse the capability of driving load is. When the startup speed is higher, stepping motor will lose steps. While stopping, it will also lose steps because of inertia. So, it needs to take speed control measures on control of stepping motor. Mathematic model of the system is educed by dynamics equation and torque vs. speed characteristic of stepping motor. It adopts speed control arithmetic of exponential rule and deals with process of acceleration and deceleration via discrete method. Single-chip microcomputer that is the core of system controls stepping motor. The system is programmed by C51 language. The test system is designed to test the rotate speed and steps of stepping motor. Finally, according to the direction of LED display, running steps and speed are input by keyboard. The systems run is controlled by functional keys. Stepping motor will run to the given steps if the “start” key is pressed. Meanwhile, stepping motor will stop if the “stop” key is pressed during its running. The research shows: the method of acceleration and deceleration via exponential rule will greatly improve the highest running frequency of stepping motor and shorten the acceleration and deceleration time. Keywords: stepping motor; single-chip microcomputer; speed control; C51 language 目 录 III 目 录 中文摘要中文摘要.I 英文摘要英文摘要.II 第一章第一章 绪绪 论论.1 第二章第二章 系统工作原理和总体方案拟定系统工作原理和总体方案拟定.3 2.12.1 控制方案论证与比较控制方案论证与比较.3 2.1.1 步进电机控制系统的构成.3 2.1.2 步进电机的串行和并行控制.3 2.22.2 步进电机工作原理和动态特性分析步进电机工作原理和动态特性分析.4 2.2.1 反应式步进电机原理.4 2.2.2 步进电机的动态特性.6 2.32.3 步进电机升降速控制讨论步进电机升降速控制讨论.7 2.3.1 步进电机的失步.7 2.3.2 步进电机升降速曲线的分析.8 第三章第三章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型.9 3.13.1 步进电机升速的控制算法步进电机升速的控制算法.9 3.23.2 步进电机升速过程的离散处理步进电机升速过程的离散处理.11 3.33.3 步进电机降速过程的离散处理步进电机降速过程的离散处理.12 3.43.4 步进电机升速过程运行参数的计算步进电机升速过程运行参数的计算.12 第四章第四章 控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计.14 4.14.1 系统的硬件结构系统的硬件结构.14 4.24.2 系统的硬件设计系统的硬件设计.15 4.2.1 微处理器及存储器的配置.15 4.2.2 键盘与显示接口电路的设计.16 4.2.3 定时和报警电路的设计.20 4.2.4 步进电机的脉冲
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