1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化车速表步进电机的驱动控制系统的设计一、课题研究意义及现状步进电机已经成为除直流电机和交流电机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量的转换装置，是将电能转换成机械能，在人类的生活和生产进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入电气化时代的今天，传统电动机已经不能满足工业自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。除了要求电动机完成机电能量转换的功能，还提出了运动控制方面的要求，控制的目标是角速度和角位移。性能指标包括：稳速精度、调速范围、动态响应、跟随精度及定位精度等。随着科技的发展，出现了一系列新的具有控制功能的电动机系统，其中较有自己特点
2、，且应用十分广泛的就是步进电机。步进电机是最早成为适应计算机控制的运动控制电动机。许多智能循迹小车就是利用了步进电机可以转动固定角度、角位移量和调速的特点来实现的。步进电机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电机在计算机外围设备上取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快的促进了步进电机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电机推广应用到其他领域，如电加工、小功率机械加工床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。步进电动机的工作过程一般由控制器控制。控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，使驱动器按照要求的规则驱动步进电动机运行。简单的控制过
3、程可以用各种逻辑电路来实现，但线路一般较复杂，成本高，而且一旦成型，欲想改变控制方案就必须重新设计电路。自从微处理器问世以来，给步进电动机控制器设计者开辟了新的途径。各种单片计算机的迅速发展和普及，为设计功能很强而且价格低的步进电动机控制器提供了先进的技术和充足的资源。用单片计算机可以用很低的成本实现复杂的控制方案，而且由于单片机编程的灵活性，使修复控制方案成为轻而易举的事情，只要重新编程序即可。本课题通过单片机对步进电机的驱动进行精确控制，满足了现代工业对步进电机的高要求。二、课题研究的主要内容和预期目标步进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。在非超载的情况下，电机的转速、
4、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。在本设计方案中采用 STC12C2052 型单片机内部定时器改变 CP 脉冲的频率从而实现步进电机的驱动进行
5、控制，实现电机调速与正反转的功能。三、课题研究的方法及措施硬件的设计：本设计方案通过 STC12C2052 型单片机产生脉冲输出，将脉冲信号发送到步进电机的驱动芯片 X12.017 上，实现单片机对驱动芯片工作方式的控制，从而实现单片机对小车的驱动控制。主体流程框架图如下图所示。单片机 驱动芯片 步进电机P C 机cw/ccwFSCXB同时，通过两个 LED 灯与单片机对应连接，显示小车上电以及工作状态。软件的设计：包括驱动程序、正反转程序、转速快慢程序一级定时中断程序。四、课题研究进度计划毕业设计总时段： 自 2010 年 10 月 20 日至 2011 年 4 月 2 日。第一阶段（4 周
6、）：分析任务，收集资料，设计出方案的总体概况，完成开题报告、文献综述、外文翻译。第二阶段（4 周）：具体按照初步的方案，设计电路，并在逐步的设计中改进方案。完成硬件电路的电路板设计。器件采购。焊接和调试工作，完成设计总过程。撰写论文。第三阶段（2 周）：通过验收，毕业论文修改完善。五、参考文献1刘宝廷.步进电动机及其驱动控制系统M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999.2赵世强.用单片机实现对步进电动机的控制J.西部电子，1995， （6）：4044.3陈理壁.步进电动机及其应用M.北京：机械工业出版社，2002.4王兆安,黄俊.电力电子技术M.北京:机械工业出版社,2002.5丁伟雄,杨定
7、安,宋晓光.步进电动机的控制原理及其单片机控制实现J.煤矿机械.2005,(6):127129.6JiaMei Jin,Chun Sheng Zhao.Linear Stepping Ulitrasonic MotorJ.Journal of Electroceramics.2008,20(3):193196.7Hooshang Hemami,Kamran Barin,Laci Jalics.Dynamics Stability and Control of SteppingJ.Annals of Biomedical Engineering.2004,32(8):11551162.8于永，戴
8、佳，刘波.51 单片机 C 语言常用模块与综合系统设计实例精讲M.北京：电子工业出版社，2008.毕业论文文献综述电气工程及自动化步进电机的控制方式摘要：首先对步进电机的概念做了简单的介绍，并且对步进电机的发展前景做了简要的描述。然后对步进电机的传统控制、PLC 控制、DSP 控制、ARM 控制方式以及单片机控制做了系统的说明。重点描述了基于单片机的步进电机控制方式。关键字：步进电机； 单片机；控制引言步进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。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距
9、角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变化非常简单，因此广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。一步进电机的发展前景步进电动机经过几十年的发展，已成为除直流电动机和交流电动机以外的应用最广泛的第三类电动机。在开环高分辨率的定位系统中，至今还没有发现更合适取代它的产品，特别是在一些功率相当小的系统中，步进电机更具有无可替代的主流地位。预计未来步进电机的研究还会持续深入下去，
10、研究方向之一是电机和驱动的一体化，使步进电机体积更小巧、性能更优越，性价比更高，在大量的民用设备中批量化使用。二步进电机的控制方式2.1 传统方式的步进电机控制系统在传统的步进电机控制方式中, 由控制器产生控制指令，环形分配器根据指令将输入的单一脉冲串，按工作方式和转向分别依次向连接到步进电机各相绕组的功率放大器分配脉冲，以便形成旋转磁场。这种方式的各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者很大的精力和劳动。接口信号的匹配以及元器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大。2.2 基于PLC的步进电机控制系统PLC是广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。为了配合步
11、进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行控制。步进电机的控制以开环控制居多，如果用旋转编码器做速度或位置反馈，结合PLC的高速脉冲计数功能就可实现闭环控制。这种控制的优点是大大减少系统设计的工作量，没有各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。PLC具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性2.3 基于DSP的步进电机控制系统基于DSP的步进电机控制系统是由正反转控制、转速调节、设定细分倍数等组成。采用专门为两相/四相步进电机设计的L298双
12、全桥驱动芯片作为功率驱动芯片，实现对两相混合式步进电机的细分控制。由查表法生成两相电流，送入DSP的事件管理器的比较器，由此生成宽度不同的PWM脉冲来控制电机驱动芯片内模拟开关的开通和关断，最后达到控制电机两相电流的目的。使用DSP来控制步进电机，由于DSP内嵌PWM模块，非常方便实现脉冲宽度规范化和运行频率可控，从而实现步进电机的微步进均匀旋转。使用DSP允许控制算法，可以很方便的应用。编码和调试过程都可以迅速执行。基于DSP的驱动，表现出良好的性能，它们可靠，精确，反应迅速。2.4 基于ARM的步进电机控制系统基于ARM的步进电机的控制系统由控制面板、ARM单片机、驱动电路、步进电机等组成
13、。控制面板最为人机交互界面，通过与ARM的通信，实现对操作的监控功能；ARM单片机发出脉冲信号，由信号分配，功率放大驱动步进电机带动负载。该步进电动机控制系统实现了对步进电机转速和转动距离的精确控制和监测，系统具有数据处理速度快，精度高，产品成本低，系统可靠性高等优点。整个系统性价比高，体积小，便携，用户界面友好，操作简单，维护方便。2.5 基于单片机的步进电机控制系统基于单片机的步进电机的控制系统主要由单片机、电动机驱动芯片、键盘，串口方式的共阳LED显示电路、电源和时钟电路等几个单元组成。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
14、换控制、起停控制。根据具体的工作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。为了提高系统的抗干扰能力，有时候会在单片机与步进电机之间增加一级光电隔离，使驱动步进电机的强电和单片机控制系统的弱电之间不会互相影响。三结论使用单片机以软件方式驱动步进电机，不但可以通过编程方法，在一定范围内自由设定步进电机的转速、往返转动的角度以及转动次数等，而且还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求。因此，常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。步进
15、电机控制(包括控制脉冲的产生和分配 )使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了电路，也降低了成本。参考文献1董晓辉,李国宁.基于 CPLD 的步进电机控制J.铁路计算机应用,2007(4):11-13.2谢辉，唐勇. 步进电机发展回顾与前景展望J.重庆三峡学院学报，2010（3）：110113.3晋小莉，王立莹PLC直接控制步进电机系统J小型内燃机与摩托车，2006，35(4)4殷华文PLC对步进电机的控制技术J组合机床与自动化加工技术，2003(8)：65675朱力PLC控制步进电机方法的研究J山西机械，2003(增刊)l：22256孙小美，高晓蓉等.基于DSP的步进电机细分驱动技术J.机
16、车电传动，2010，（4）：2124.7Ngoc Quy Le,Jae Wook Jeon. An Open-loop Stepper Motor Driver Based on FPGAJ, Automation and Systems ,2007,108孙祥国.基于ARM单片机的步进电机控制系统设计J.机电工程技术，2007，36（6）：7173.9杜家熙，陈艳锋，李国厚.基于单片机的步进电机控制器设计J.煤矿机械，2007，2，28（2）：8890.10丁伟雄，杨定安等. 步进电机的控制原理及其单片机控制实现J.煤矿机械，2005，（6）：127129.毕业论文（20_ _届）车速表步进
17、电机的驱动控制系统的设计摘 要步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。本文的研究内容就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，可靠性高的，能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来步进电机控制系统。本文首先简要描述了步进电机的发展、应用情况、以及常见的控制系统采用的方案，常见的驱动技术，而且还分析了步进电机的工作原理，然后以单片机为主
18、控制器提出了整个系统的硬件设计方案，在此基础上对各个模块的电路进行详细的设计，接着阐述了步进电机软件控制开发的流程和程序设计。关键词：步进电机，单片机，车速表，控制AbstractStepping motor is a kind of component using electric pulse signal to control winding elements to realize angular displacement. Comparing with other electric motor, it is easier to realize accurate control, no a
19、ccumulated error and so on so forth. Thus, it is got extensive application. In order to gain excellent manipulative result, there appear a lot of stepping motor control system is used widely. Among them, the system using SCM(Single Chip Microcomputer)as the core part of the control system is used wi
20、dely.This thesis focuses on how to design a simple step motor control system, which has complete function, strong adaptability, easy to operate, high dependability, mixing electronic technique, SCM technique and motor control technique. This thesis will firstly introduce the development and applicat
21、ion situation of stepping motor and some common control system and drive techniques; whats more, it will illustrate the working principle of step motor, then, using SCM as a main controller to put forward the whole system blue print of the hardware design. Based on this, all specific designs on electrical circuit in every module will be followed. Finally, illustrate the steps of how to develop the software of control system and programmed design.Key Words: Step motor, Monolithic integrated circuit, Speedometer, Control
