【正文】 論文）任務(wù)書 專業(yè) 機電一體化 班級 機電 121 姓名 許永康 一、課題名稱： 基于 單片機的步進電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 二、主要技術(shù)指標： ,選擇其伺服控制器的設(shè)計方案 。而選用單片機作為控制器 ,極大的降低了系統(tǒng)成本 ,且可靠性高 ,控制靈活。 二、 課題研究的主要內(nèi)容： 本研究以 42BYGH101型兩相混合式步進電機為研究對象 ,擬設(shè)計一款以單片機作為控制核心 ,具有啟 /停、調(diào)速、換向等功能 ,并通過液晶顯示器對控制器的運行狀態(tài)進行實時顯示的步進電動機伺服控制器 ,主要研究內(nèi)容有 : 1)根據(jù)所選兩相混合式步進電機的工作原理及性能指標 ,選擇其伺服控制器的設(shè)計 方案 ,采用模塊化設(shè)計方法完成各功能模塊的硬件電路設(shè)計。而兩相混合式步進電機 ,工作時要求定子磁極的極性交變 ,即繞組電流能正、 反向流動 ,電流流過繞組的方向是雙向的 ,因此選擇雙電壓極性驅(qū)動電路驅(qū)動步進電機。因此電機轉(zhuǎn)速控制是運動控制系統(tǒng)中的一個十分重要的控制環(huán)節(jié)，其性能的優(yōu)劣性對運動控制系統(tǒng)的性能起著重要作用。 步進電機 。步進電動機的調(diào)速過程是通過調(diào)整驅(qū)動脈沖頻率來實現(xiàn)的 ,而步進電動機的位移量的多少由輸入脈沖數(shù)來決定 ,兩者呈正比例關(guān)系。而電機本體、驅(qū)動器和控制器是構(gòu)成步 進電機伺服系統(tǒng)不可分割的三大組成部分。步進電機按照勵磁方式來分 ,主要有永磁式步進電動機 (PM)、反應(yīng)式步進電動機 (VR)、混合式步進電動機 (HB)三類。 此電動機又叫做磁阻式步進電動機 ,這種步進電動機的工作過程 :定子的多相勵磁繞組與轉(zhuǎn)子通過磁導(dǎo)的變化情況來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 ,實現(xiàn)反應(yīng)式步進電動機的工作過程?；旌鲜讲竭M電動機又叫做感應(yīng)子式步進電動機 ,主要由定子、轉(zhuǎn)子、機殼、端蓋構(gòu)成。這種早期的伺服系統(tǒng)是采用交磁電機擴大機一直流電動機的驅(qū)動方式 ,由于交磁電機的頻率響應(yīng)差 ,電動機轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量及電氣時間常數(shù)都比較大 ,因此響應(yīng)速度比較慢。 20世紀 60年代中期 ,由小功率型伺服步進電機和液壓扭矩放大器組成的開環(huán)伺服系統(tǒng)一度廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中 ,其中日本 FUNAC公司研制的電液脈沖馬達伺服系統(tǒng)最具代表性。 20世紀 80年代以來隨著大規(guī)模集成電路、電力電子學(xué)的發(fā)展 ,特別是計算機 對交流電動機的磁場進行矢量控制技術(shù)的重大突破 ,使長期以來人們一直試圖在調(diào)速和伺服控制中應(yīng)用交流電動機取代直流電動機的設(shè)想得以實現(xiàn)。 21世紀至今 ,主要以 DSP為核心的 步進電機伺服控制系統(tǒng) ,實現(xiàn)了伺服控制系統(tǒng)的速度環(huán)、位置環(huán)和電流環(huán)的全數(shù)字化控制。 20世紀 70年代 ,迫于對國外伺服控制產(chǎn) 品的壓力 ,中國的華中數(shù)控、廣泰數(shù)控、時光科技等伺服廠家 ,開始開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的伺服控制產(chǎn)品 ,其中時光科技有限公司主要針對中大功率異步電機伺服控制器市場 ,其驅(qū)動技術(shù)、成本、等均有很明顯的優(yōu)勢。一些伺服廠家不得不選用國外的伺服系統(tǒng)。 步進電機伺服控制目前存在的主要問題 目前 ,我國的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品化的發(fā)展規(guī)模 ,但也存在如下問題 : 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 6 ,多采用 PLC、 DSP等進行控制 ,系統(tǒng) 發(fā)成本高及控制復(fù)雜 ,制約著中小型企業(yè)的應(yīng)用需求。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 7 第二章 總體方案設(shè)計及步進電機的選擇 步進電動機伺服控制器的技術(shù)路線包括以下六部分 ,技術(shù)路線圖如圖 示 : ,確定所選取的硬件器件 ,并設(shè)計符合要求的硬件電路 。 Protel軟件生成系統(tǒng) PCB圖 ,制作硬件電路板實物 ,加載軟件程序。國產(chǎn)步進 電動機步距角為 、 、 、 度等。定位轉(zhuǎn)矩即 是在繞組未通入電信號時 ,電磁轉(zhuǎn)矩的最大數(shù)值。 在步進電動機的工作狀態(tài)下 ,首先是從啟動頻率 始運轉(zhuǎn) ,隨著電動機轉(zhuǎn)動的頻率越來越高 ,電動機在某一頻率上有可能會產(chǎn)生失步現(xiàn)象 ,而電動機未產(chǎn)生失步前的那個極限頻率值即為運行頻率。該電動機具有動態(tài)性能好 ,輸出力矩值較大 ,穩(wěn)定性高的優(yōu)點 ,其缺點是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。和 B39。 一 A),兩相雙四拍 (AB — BA39。 A 一 AB)和兩相八拍工作方式等。當定子繞組按四拍和八拍通電時 ,轉(zhuǎn)子分別轉(zhuǎn)過 度和 度。定子由娃鋼片堆疊制成 ,轉(zhuǎn)子鐵心由娃鋼片制成 ,轉(zhuǎn)子永磁體由鉛鎳鉆制成 ,轉(zhuǎn)子軸由不誘鋼材料制成。伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程按時間先后大致可分為液壓伺服系統(tǒng)、電氣伺服系統(tǒng)、氣動伺服系統(tǒng)三個階段。電氣伺服系統(tǒng)具有精度高、易于控 .制等優(yōu)點。目前 ,伺服系統(tǒng)正朝著數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展隨著伺服控制技術(shù)的突飛猛進 ,伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)涵蓋許多控制領(lǐng)域。 環(huán)伺服系統(tǒng)以步進電動機或電液脈沖馬達為驅(qū)動執(zhí)行元件 ,其被控對象的輸出對控制器的輸入沒有影響。 圖 開環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖 閉環(huán)伺服系統(tǒng)以伺服電機為驅(qū)動執(zhí)行元件 ,此種伺服系統(tǒng)的輸入與輸出量之間是順向與反向作用兩者兼有的伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)具有定位準確 ,控制精度高 ,但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,成本較高。此種伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好 ,成本低廉 ,但精度相對不高。 AT89S51作為步進電機伺服控制器的核心控制器 ,主要進行脈沖信號及方向電平的發(fā)送工作。在本課題中 ,約定“ 1”為高電平 ,“ 0”為低電平?；诓竭M電動機工作的獨特性 ,需要為其設(shè)計專門的驅(qū)動裝置 ,以滿足步進電動機正常的工作狀態(tài)的要求。而單片機作為系統(tǒng)的核心控制器 ,主要實現(xiàn)方向、時鐘信號的分配 ,驅(qū)動控制模塊接常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 13 收到控制指令后 ,由 L297的脈沖分配器自動產(chǎn)生勵磁相序 ,經(jīng) L298N的雙 H橋式驅(qū)動器進行功率放大 ,最終輸出符合步進電動機的驅(qū)動要求的驅(qū)動信號 ,使得步進電機運轉(zhuǎn)。 L297主要由脈沖分配器 (譯碼器 ),兩個固定斬波頻率的 PWM恒流斬波器以及輸出控制邏輯組成。L297的優(yōu)勢是僅需輸入方向、時鐘信號及模式信號 ,就可對其進行控制工作。 L297的引腳功能說明如表 。 L298N的引腳功能說明如表 。而獨立式鍵盤唯一的缺點就是每當按下按鍵或釋放按鍵過程中 ,將產(chǎn)生大約 5~l0ms 的抖動。在步進電機伺服控制器中 ,LCD1602 顯示狀態(tài)為 :第一行 ,顯示速度信息 ,以 n/min為單位 ,其初始值定為 120轉(zhuǎn) 。鍵盤顯示模塊圖如圖 所示。由于無直接的電氣連接 ,這樣既顆合傳輸了信號 ,又有隔離干擾的作用。軟件的模塊結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。//延時函數(shù) void int iled ()。 void clock (unsigned int Delay)。 sbit E=P0A2。 sbit aO=P2A2。 sbit a4=P2A6。 char STATECCW[]?(CCW}。 //運行狀態(tài) “ oid main () { EA=1。 //脈沖方式 EX1 = 1。 whi le (1) { P2_l=P2_lA0x01。 RW1。 a++)。 else goto start。 Delay 一 ) for (i=0。 SPEED[l]=1000*6/RunSpeed%l 00/10+48。硬件法是用一個定時器來實現(xiàn) ,在每次進入定時中斷后 ,改變定 時器的定時常數(shù)。 按鍵顯示模塊的設(shè)計 按鍵處理程序?qū)崟r掃描 P2. 2P2. 7 端口的電平值的變化 ,當用戶按下相應(yīng)按鍵 ,按鍵值變?yōu)榈碗娖?,程序掃描到低電平信號 ,就會發(fā)出相應(yīng)的外部中斷請求 ,則執(zhí)行相應(yīng)的模塊子程序 ,同時在 L⑶上實時顯示系統(tǒng)的速度與狀態(tài)信息 ,直到按 下停下按鍵后 ,系統(tǒng)將處于停止狀態(tài)。 show_lcd(SpeedChar Li): 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 22 i++。外部中斷 0 的 C語言程序部分代碼如下 : void INT— 0() interrupt 0 { if(a0==0) RunSpeed=0: 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 23 delay— runs (10)。} } 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 24 第四章 實驗結(jié)果及分析 為了驗證所設(shè)計的基于 AT89S51 的電機控制器的正確性與有效性、控制回路和控制程序是否滿足系統(tǒng)要求，在實驗室完成了控制系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)速實驗。 第二步 : 轉(zhuǎn)速閉環(huán)測試主要是測試電機轉(zhuǎn)速在數(shù)字 PID 閉環(huán)控制下的控制精度和響應(yīng)速度。 a. 轉(zhuǎn)速為 20 r /min 時兩相波形輸出圖形 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 25 b. 轉(zhuǎn)速為 50 r /min 時兩相波形輸出圖形 c. 轉(zhuǎn)速為 100 r /min 時兩相波形輸出圖形 圖 不同情況運行時的驅(qū)動脈沖波形 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 26 圖 轉(zhuǎn)速 50 r /min 時測速光電門輸出波形 從試驗結(jié)果可以看出，設(shè)計的控制系統(tǒng)能滿足指標要求，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度均在允許范圍內(nèi)。 表 轉(zhuǎn)度測試結(jié)果 理論速度 /（ 1min??r ） 20 50 100 理論速度 /（ 1min??r ） 99 誤差值 1 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 27 第五章 結(jié)束語 步進電機是一 種輸出與輸入數(shù)字脈沖對應(yīng)的增量驅(qū)動元件，隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用會更加廣泛。由于不斷的上機操作與實踐，不但加強了自己動手能力，同時對一些計算機軟件的應(yīng)用有了一定的掌握與理解，并加強了網(wǎng)上學(xué)習(xí)和查閱資料的能力。無論是基礎(chǔ)知識還是專業(yè)知識都被 設(shè)計統(tǒng)一起來，使零散的知識系統(tǒng)化，形成了一種能力，這也是畢業(yè)設(shè)計所要達到的目的。特別對未來要充滿期盼，充滿希望，要微笑著走人生的每一步。而你開開朗的個 性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很快的融入我們這個新的實驗室。只是今后大家就難得再聚在一起吃每年元旦那頓飯了吧，沒關(guān)系，各奔前程，大家珍重。 在這份 畢業(yè)論文總結(jié) 報告即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！ 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 30 畢業(yè)設(shè)計（論文）成績評定表 一、指導(dǎo)教師評分表（總分為 70 分） 序 號 考 核 項 目 滿 分 評 分 1 工作態(tài)度與紀律 10 2 調(diào)研論 證 10 3 外文翻譯 5 4 設(shè)計（論文）報告文字質(zhì)量 10 5 技術(shù)水平與實際能力 15 6 基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識與成果價值 15 7 思想與方法創(chuàng)新 5 合計 70 指導(dǎo)教師綜合評語： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 二、答辯小組評分表（總分為 30 分） 序 號 考 核 項 目 滿 分 評 分 1 技術(shù)水平與實際能力 5 2 基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識與成果價值 5 3 設(shè)計思想與實驗方法創(chuàng)新 5 4 設(shè)計（論文）報告內(nèi)容的講述 5 5 回答問題的正確性 10 合計 30 答辯小組評價意見（建議等第）： 答辯小組組長教師簽名： 年 月 日 三、系答辯委員會審定表 1． 審定意見 2．審定成績（等第） _____ ___ 系主任簽字： 年 月 日 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 31 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 32 原文已完。轟燃一旦發(fā)生，室內(nèi)所有可燃物會在極短時間內(nèi)同時全面著火，室內(nèi)整個空間都充滿火焰，可燃物燃燒速率和室內(nèi)溫度急劇上升，并且室內(nèi)會產(chǎn)生大量有毒煙氣，氧氣濃度也隨之急劇下降。 二、轟燃及相關(guān)研究 （一）轟燃定義 NFPA 921 中轟燃定義為：室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展的一個過渡階段，熱輻射作用下的所有可燃物在轟燃時幾乎同時著火，火焰迅速在室內(nèi)所有物體傳播蔓延，室內(nèi)形成一片火?！，F(xiàn)在應(yīng)用最多的三個轟燃判據(jù)為：（ 1）室