步进电机控制与转速检测系统设计【自动化毕业论文】.doc

1、本科毕业论文（20 届）步进电机控制与转速检测系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要I摘 要本 设 计 主 要 介 绍 了 步 进 电 机 控 制 与 转 速 检 测 系 统 通 过 单 片 机 来 实 现 的 方法 。 全 文 主 要 分 为 原 理 介 绍 ， 硬 件 设 计 ， 软 件 设 计 。 其 中 硬 件 电 路 包 括 ：L298N 驱 动 的 步 进 电 机 的 控 制 系 统 的 设 计 、 键 盘 按 钮 电 路 的 设 计 、 显 示 电 路的 设 计 、 转 速 检 测 电 路 的 设 计 、 电 源 模 块 的

2、设 计 等 。 软 件 包 括 ： 系 统 初 始 化及 主 程 序 的 模 块 设 计 、 显 示 程 序 和 键 盘 程 序 的 模 块 设 计 、 中 断 处 理 、 定 时器 处 理 程 序 的 模 块 设 计 等控 制 模 块 由 键 盘 输 入 启 动 、 正 转 、 反 转 、 加 速 、 减 速 、 停 止 等 信 号 ， 经过 单 片 机 处 理 再 接 L298N 驱 动 步 进 电 机 实 现 相 关 功 能 。 电 机 的 运 行 状 态 经光 电 编 码 器 转 换 为 脉 冲 信 号 再 放 大 输 入 到 单 片 机 经 单 片 机 处 理 再 通 过 LED显

3、示 器 显 示 转 速 、 状 态 等 。本 文 在 设 计 过 程 是 按 照 原 理 介 绍 ， 硬 件 设 计 ， 软 件 设 计 的 顺 序 进 行 逐 步的 论 证 选 择 设 计 的 。关键词：步进电机，单片机，控制系统，硬件，软件AbstractIIAbstractThis design introduces the stepper motor control and speed detection system, “microcontroller finished.the full text is divided into principle, hardware design,

4、 software design. Hardware circuit including: L298N driven stepper motor control system design, circuit design of the keyboard button, the display circuit design, the design of the speed detection circuit, power supply module design. Software includes: system initialization and the main program modu

5、le design, showing the modular design of the program and keyboard procedures, interrupt handling, the modular design of the timer handlerThe control module consists of a keyboard input, start, forward, reverse, speed up, slow down, stop, etc. signal followed L298N drive a stepper motor microcontroll

6、er-processing for the relevant functions. The motor running state conversion by the optical encoder for the re-amplification of the pulse signal input to the microcontroller via the microcontroller processing through the LED display shows speed, status, etc.In the design process in accordance with t

7、he principle, hardware design, software design sequence step-by-step demonstration of the selection of design.Keywords：Stepper motor，Microcontroller，Control system ，Hardware software目 录III目 录摘 要 .IAbstract（英文摘要） .II目 录 .III第一章 概 述 .11.1 引 言 .11.2 设计任务 .11.2.1 课题的目的和要求 .11.2.2 主要设计内容 .21.2.3 主要设计技术指标

8、与参数 .2第二章 步进电机原理特点及控制技术 .42.1 步进电机原理 .42.2 步进电机控制技术 .42.3 步进电机的特点 .7第三章 方案论证 .93.1 显示电路的方案论证 .93.2 主控制器的选择 .93.3 键盘电路的方案论证 .103.3.1 独立按键式非编码键盘 .103.3.2 矩阵键盘 .103.4 步进电机控制模块选择 .123.5 确定设计的总体方案 .13第四章 硬件设计 .154.1 最小系统 .154.1.1 复位电路： .154.1.2 时钟电路： .164.2 驱动电路 .174.3 测速模块 .18目 录IV4.3.1 反相器 74LS14 的作用 .

9、184.3.2 光电编码器 .184.4 滤波电路 .194.5 显示电路 .204.6 键盘电路 .214.7 电源电路 .224.8 整体电路 .23第五章 软件设计 .255.1 主程序设计 .255.2 转向控制 .275.3 转速控制 .275.4 PID 控制原理程序流程 .28总 结 .30参考文献 .31致 谢 .31附 录 A .32部分程序 .32附 录 B PID 控制算法 .36一、 创建系统数学模型 .36二、 位置式数字 PID 算法 .36附 录 C 整机图 .38第一章 概述- 1 -第一章 概 述1.1 引 言近 年 来 ， 电 子 技 术 和 微 型 计 算

10、 机 的 不 断 发 展 带 动 了 步 进 电 机 的 飞 速 发 展 。在 自 动 控 制 系 统 中 ， 一 般 要 有 将 数 字 信 号 转 换 为 角 位 移 或 线 位 移 的 电 磁 装 置 ，步 进 电 机 的 工 作 特 点 恰 好 符 合 此 要 求 。控 制 系 统 对 步 进 电 机 的 控 制 通 过 步 进 电 机 驱 动 器 来 完 成 。 因 此 它 已 经 被广 泛 的 应 用 于 自 动 控 制 系 统 中 作 为 执 行 元 件 。 原 来 的 步 进 电 机 控 制 系 统 采 用分 立 元 件 或 者 集 成 电 路 组 成 的 控 制 回 路 ，

11、不 仅 调 试 安 装 复 杂 ， 要 消 耗 大 量 元器 件 ， 实 现 起 来 成 本 高 、 费 时 多 ， 而 且 一 旦 定 型 后 ， 电 路 就 很 难 改 动 ， 因 此不 得 不 完 全 重 新 设 计 控 制 器 。自 六 十 年 代 初 期 以 来 ， 单 片 机 技 术 的 快 速 发 展 ， 单 片 机 在 各 种 电 子 产 品中 的 应 用 日 趋 广 泛 ， ， 促 使 步 进 电 机 的 应 用 得 到 很 大 的 提 高 步 进 电 机 是 通过 将 电 脉 冲 信 号 转 变 为 角 位 移 或 线 位 移 的 开 环 控 制 工 作 元 件 。 在 正

12、 常 的 工作 的 前 提 条 件 下 ， 电 机 的 转 速 控 制 、 起 停 ， 取 决 于 脉 冲 发 送 信 号 的 频 率 和脉 冲 数 目 ， 而 不 能 随 负 载 变 化 的 而 受 到 影 响 ， 即 也 就 是 给 电 机 加 上 一 个 脉冲 信 号 ， 则 电 机 会 转 过 一 个 一 定 的 步 距 角 。 由 这 一 线 性 关 系 的 存 在 ， 再 加上 步 进 电 机 只 能 有 周 期 性 的 误 差 而 没 有 累 积 误 差 的 特 点 。 步 进 电 机 使 得 在速 度 、 位 置 等 自 动 控 制 领 域 的 控 制 变 的 很 的 简 单

13、。 步 进 电 机 是 通 过 调 节 输入 步 进 电 机 的 脉 冲 的 频 率 来 实 现 步 进 电 机 对 速 度 的 控 制 ， 因 为 步 进 电 机 每接 收 一 个 脉 冲 就 转 动 一 个 固 定 的 角 度 ， 这 样 就 能 够 通 过 控 制 步 进 电 机 的 一个 脉 冲 到 下 一 个 脉 冲 连 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 的 大 小 来 改 变 步 进 电 机 的 转 速 ， 从 而 实 对 现 步 进 电 机 调速 的 控 制 。1.2 设计任务1.2.1 课题的目

14、的和要求1 利 用 单 片 机 检 测 出 步 进 电 机 的 转 速 ， 控 制 步 进 电 机 正 转 ， 反 转 ， 加第一章 概述- 2 -速 减 速 目 的 。2.比 较 全 面 理 解 和 掌 握 单 片 机 的 原 理 与 应 用 。 利 用 所 学 的 电 子 技 术 课 程设 计 信 号 的 放 大 回 路 , 利 用 所 学 的 电 子 检 测 课 程 设 计 温 度 检 测 回 路 。3 通 过 设 计 进 一 步 巩 固 和 深 化 所 学 理 论 知 识 ， 提 高 分 析 问 题 、 解 决 问题 的 能 力 ， 掌 握 电 路 实 验 的 基 本 技 能 和 方

15、法 。4 掌 握 电 子 产 品 从 设 计 ， 制 定 方 案 ， 元 件 购 买 ， 检 测 ， 外 协 加 工 ， 装配 到 成 品 的 全 部 生 产 过 程 。5 熟 练 掌 握 万 用 表 、 示 波 器 及 单 片 机 仿 真 软 件 的 使 用 。6 熟 练 掌 握 电 路 原 理 图 的 绘 制 ,印 刷 电 路 板 的 制 作 。1.2.2 主要设计内容1、 步 进 电 机 控 制 与 转 速 检 测 系 统 的 硬 件 设 计本 系 统 是 以 89C52 为 核 心 ， 构 成 一 个 转 速 检 测 ， 显 示 系 统（ 1） 对 转 速 传 感 器 输 出 信 号

16、放 大 电 路 的 设 计（ 2） 显 示 和 键 盘 电 路 的 硬 件 设 计（ 3） 模 数 转 换 电 路 的 硬 件 设 计（ 4） 电 源 电 路 的 硬 件 设 计2、 步 进 电 机 控 制 与 转 速 检 测 系 统 的 软 件 设 计（ 1） 系 统 初 始 化 及 主 程 序 的 模 块 设 计（ 2） 显 示 程 序 和 键 盘 程 序 的 模 块 设 计（ 3） 中 断 处 理 ， 定 时 器 处 理 程 序 的 模 块 设 计（ 4） 模 数 转 换 处 理 程 序 的 模 块 设 计1.2.3 主要设计技术指标与参数转 速 测 量 范 围 ： 0-1800 转转

17、速 测 量 精 度 ： 0.5 级第一章 概述- 3 -具 有 步 进 电 机 控 制 与 转 速 的 检 测 ， 显 示 功 能 。 具 有 控 制 步 进 电 机 正 转 ，反 转 ， 加 速 减 速 功 能 。第二章 步进电机原理特点及控制技术- 4 -第二章 步进电机原理特点及控制技术2.1 步进电机原理步 进 电 机 是 通 过 用 电 脉 冲 信 号 进 行 正 反 转 ， 加 减 速 控 制 ， 并 将 电 脉 冲信 号 转 换 成 相 应 的 角 位 移 或 线 位 移 的 控 制 电 动 机 。 说 通 俗 点 ， 就 是 接 收 一个 电 脉 冲 ， 步 进 电 机 就 会

18、 转 动 一 个 固 定 角 度 或 者 前 进 一 步 ， 因 此 ， 步 进 电机 也 可 以 叫 做 脉 冲 电 动 机 。 步 进 电 机 与 其 他 控 制 类 的 电 机 的 最 区 别 是 ， 它是 通 过 输 入 的 脉 冲 信 号 来 进 行 各 项 的 控 制 ， 也 就 是 说 电 机 的 总 转 动 角 度 或 者角 位 移 是 由 输 入 的 脉 冲 数 目 决 定 的 ， 而 电 机 的 转 速 是 由 脉 冲 信 号 的 频 率 的 高低 来 决 定 的 。 步 进 电 机 是 通 过 输 入 的 脉 冲 信 号 来 控 制 的 ， 它 可 以 把 脉 冲 信 号

19、变 成 角 位 移 或 者 线 位 移 ， 所 以 它 可 以 通 过 单 片 机 来 控 制 ， 而 且 其 兼 容 性 也 非常 好 。 步 进 电 机 的 角 位 移 或 线 位 移 量 的 大 小 与 电 脉 冲 的 个 数 成 正 比 ， 而 它的 转 速 或 线 速 度 的 大 小 与 电 脉 冲 频 率 成 正 比 。 在 正 常 工 作 范 围 内 这 些 关 系会 保 持 稳 定 而 不 会 因 负 载 大 小 、 电 源 电 压 、 环 境 条 件 的 等 的 波 动 而 变 化 。通 过 改 变 接 收 的 脉 冲 频 率 的 高 低 ， 顺 序 ， 可 以 实 现 步

20、进 电 机 的 大 范 围 的 调速 ， 并 能 使 电 机 快 速 启 动 ， 制 动 和 反 转 。一 般 情 况 下 电 机 的 转 子 是 永 磁 体 构 成 的 ， 当 电 流 通 过 定 子 绕 组 时 定 子 会产 生 一 个 矢 量 磁 场 ， 转 子 在 磁 场 的 作 用 下 会 旋 转 一 个 固 定 的 角 度 ， 使 得 转 子与 定 子 的 磁 场 方 向 保 持 一 致 。 接 着 当 定 子 的 矢 量 磁 场 再 旋 转 一 个 角 度 。 转子 也 会 随 着 该 磁 场 旋 转 这 个 角 度 。 所 以 电 机 没 接 收 到 一 个 电 脉 冲 ， 电

21、 动 机就 会 旋 转 一 个 固 定 角 度 向 前 进 一 步 。 电 机 的 输 出 角 位 移 大 小 与 输 入 得 到 脉 冲个 数 成 正 比 关 系 。 如 果 改 变 绕 组 通 电 的 先 后 顺 序 ， 电 机 就 会 反 向 旋 转 。 因此 可 以 控 制 输 入 脉 冲 数 量 、 频 率 高 低 以 及 电 动 机 各 相 绕 组 的 通 电 先 后 顺 序来 控 制 步 进 电 机 的 转 动 的 旋 转 角 度 ， 转 速 ， 以 及 正 反 转 。2.2 步进电机控制技术步 进 电 动 机 是 一 种 可 以 把 电 脉 冲 信 号 转 换 成 相 应 角

22、位 移 或 线 位 移 的 控 制电 动 机 ， 它 的 正 常 工 作 需 要 一 个 专 门 的 驱 动 电 源 ， 驱 动 电 源 的 输 出 信 号 跟 随第二章 步进电机原理特点及控制技术- 5 -外 部 的 脉 冲 信 号 变 化 。 每 接 收 一 个 脉 冲 信 号 都 可 使 步 进 电 机 旋 转 一 个 固 定 的角 度 ， 这 个 角 度 就 称 为 步 距 角 。 接 收 的 脉 冲 的 总 数 量 决 定 了 电 机 旋 转 的 总 角度 ， 脉 冲 的 频 率 的 高 低 决 定 了 电 动 机 旋 转 的 速 度 ， 改 变 绕 组 的 通 电 先 后 顺 序可

23、 以 改 变 电 机 旋 转 的 方 向 。也 就 是 说 步 进 电 机 是 一 电 脉 冲 信 号 转 变 成 线 位 移 或 者 角 位 移 的 电 执 行 元件 但 是 他 不 能 直 接 接 到 交 流 电 源 上 ， 必 须 要 用 专 门 的 驱 动 电 源 即 步 进 电 机 控制 驱 动 器 。 典 型 的 步 进 电 机 控 制 系 统 步 进 电 机 控 制 驱 动 器 可 以 发 出 连 续 的 脉冲 频 率 ， 一 般 从 几 赫 兹 到 几 千 赫 兹 内 连 续 变 化 ，步 进 电 机 从 结 构 上 可 分 为 三 相 单 三 拍 、 三 相 双 三 拍 和

24、三 相 六 拍 3 种 ，其 基 本 原 理 如 下 ：1、换相顺序的控制步进电机通电后换相的这一个过程叫做脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍下工作时，他的各相通电先后顺序为 ABCA，步进电机输入电控制脉冲的时候必须要严格按照这一顺序分别控制 A、B、C 各相的通断。三相双三拍步进电机通电顺序为 ABBCCAAB，三相六拍步进电机的通电顺序为AABBBCCCAA，步进电机通电控制脉冲的时候就必须要按照这一顺序来控制 A,B,C 各相的通断，否则步进电机就不能正常运转。2、 步 进 电 机 的 换 向 控 制在 步 进 电 机 转 动 的 正 常 运 转 过 程 中 通 过 改 变 脉 冲

25、的 先 后 顺 序 ， 也 就 是 改变 励 磁 绕 组 的 通 电 先 后 顺 序 来 改 变 电 机 的 正 反 转 。假 如 给 定 的 电 机 工 作 方 式 为 正 序 换 相 时 电 ， 电 机 就 会 正 转 。 若 步 进 电 机为 三 相 六 拍 的 的 励 磁 方 式 的 励 磁 方 式 ， 则 正 序 顺 序 的 序 为A AB B BC C CA A。 如 果 通 过 反 序 通 电 顺 序 换 向 ， 则A AC C CB B BA A， 则 电 机 就 反 转 。 类 比 可 得 到 其 他 情 况 。3、 步 进 电 机 的 起 停 控 制由 于 步 进 电 机 的 电 气 特 性 愿 意 ， 电 机 运 转 时 会 有 步 进 感 ,及 振 动 。 所 以为 了 要 使 电 机 运 行 能 够 平 滑 ， 并 且 减 小 振 动 ， 可 以 在 步 进 电 机 的 控 制 脉 冲 的