搜索
三江学院毕业设计（论文）开题报告题目基于微机实验平台小型步进电机的控制学生姓名、学号专业电子信息工程指导教师姓名职称工程师一、背景意义：在电气时代的今天，电机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。传统电机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。当传统电机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统要求的时候，一系列具备控制功能的新型电机系统便诞生了。其中应用十分广泛的一类，便是步进电机。步进电机是工业程控及仪表中的主要控制组件之一。因步进电机具有快速启停、精确步进、可以直接接收数字量等特点，所以在很多场合都得到了广泛的应用。特别在工业程控系统中，使用开环控制模式，微型计算机可以很容易控制步进电机的位置和速度，不需要使用位移传感器，这使得步进电机的应用更加广泛。学会使用微型计算机控制步进电机也就显得很重有必要了。二、文件综述：（一）、步进电机步进电机是伺服系统的执行元件。从原理上讲步进电机是一种低速同步电机，只是由于驱动器的作用，使之步进化、数字化[1]。1.1、步进电机分类按步进电机的运行方式可将步进电机分为：开环运行的步进电机、闭环自同步运行的步进电机。开环运行的步进电机能将数字脉冲输入转换为模拟量输出[1]。闭环自同步运行的步进电机系统是交流伺服系统的一个重要分支[1]。步进电机按结构分类：反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）等[4][6]。1.2、步进电机的结构与工作方式：步进电机的结构并不特别复杂，我们可以以反应式步进电机的结构为例对步进电机的结构进行相应的了解。图2-1：反应式步进电机的结构图图2-1是一个三相反应式步进电机结构图。从图中可以看出，它分成转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠成，有6个磁极（大极），每两个相对的磁极（N、S级）组成一对，共有3对。每对磁极都缠有统一绕组，也即形成一相，这样三对磁极有三个绕组，形成三相。可以得出四相步进电机有四对磁极、四个绕组；五相步进电机有五对磁极、五个绕组……依此类推[4][6]。现阶段步进电机的工作方式主要分为整步方式和半步方式。以步进角1.8度四相混合式步进电机为例，在整步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转1.8度，旋转一周，则需要200个脉冲，在半步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转0.9度，旋转一周，则需要400个脉冲。1.3、步进电机的特点及应用因为步进电机的结构与其他类型电机相差很大，所以特点比较突出。步进电机的主要缺点有：控制不当容易产生共振；难以运转到较高的转速；难以获得较大的转矩；在体积重量方面没有优势，能源利用率低；超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。步进电机主要优点有:①步距值不受各种干扰因素的影响。如电压的大小、电流的数值、波形及温度的变化等,相对来说都不影响步距值。也就是说,转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率,而转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。②误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度(实际步距值)与理论步距值之间总有一定的误差,从某一步到任何一步,也就是走任意步数以后,也总有一定的误差。但因每转一圈的累积误差为零,所以步距的误差不是积累的。③控制性能好。起动、转向及其他任何运行方式的改变,都在少数脉冲内完成。步进电机的缺点曾一度限制了步进电机甚至步进系统的发展。然而随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用,步进电动机及驱动器的研制和发展进入了新阶段。过去,人们认为伺服系统一定优于步进系统的观念也发生着很大的变化,现代的步进系统已完全不是过去的步进系统。定位驱动装置已经过“步进—直流伺服—交流伺服”,再度回到步进系统。步进系统的回归源自于其无需反馈就形成了开环控制系统,使系统结构大大简化、使用维护更加方便、工作可靠,在一般使用场合具有足够高的精度等特点。现在步进电机已经广泛应用在机械、治金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领域。例如机械行业中,在数控机床上的应用,可以算是典型的例子。可以说步进电动机是经济型数控机床的核心。而由步进系统实现开环控制,使得改变加工对象快捷、系统调试方便、工作可靠、成本较低的数控机床成为当前机床发展的主要方向之一。其它行业中应用实例有如:印刷机械、包装机械、梭织机、电脑绣花机、钟表、户外自动广告牌、自动移靶机、计算机外设、自动绘图仪、吸脂机等。（二）、实验平台：2.1、TPC-2003A实验系统特点该系统由一块PCI总线扩展卡和一个扩展实验台组成，PCI总线卡插在机箱内任一PCI插槽上，提供PCI-ISA总线的转换与驱动。PCI卡与实验台之间由一条50芯扁平电缆连接。实验台上包括通用实验电路和常用微机接口电路。能满足多种微机原理和微机接口的实验。其主要特点如下：1.PCI总线全新结构设计，适应现代微机发展的技术要求。系统以PC为主机，通过PCI总线扩展卡将PCI总线信号转换成ISA总线信号引入实验台，供接口实验使用。2.满足《微机原理与接口技术》、《数字逻辑与数字系统》课程教学实验要求。实验台上设有I/O地址译码电路、常用接口实验电路、A/DD/A转换电路、数码显示电路、双色发光二极管点阵电路、二进制开关输入及LED显示、电机电路、温度检测等。全面支持“微机原理”“微机接口”“微机控制”等各项实验内容。3.开放式结构，模块化设计支持开放实验，便于老师和学生设计开发新的实验。实验台上除固定电路外还设有用户扩展实验区，用户可以自己设计实验电路，在用户试验区插上所选芯片并连线即可以实验。另外系统还提供了32位数据扩展及32位存储器读写模块、字符，图形液晶显示实验模块、红外收发实验模块、无线通信实验模块、键盘显示实验模块等多种扩展实验模块供教学实验选择。4.功能强大的软件集成开发环境，支持Windows2000,WindowsXP等操作系统。随机附带有TPC-2003A集成实验开发环境软件，可以方便的对程序进行编辑、编译、链接和调试，可以查看实验原理图，实验接线，实验程序并进行实验演示。5.实验程序可以使用宏汇编和C语言。集成实验开发软件可以自动识别汇编语言还是C语言源程序，可以对汇编程序和C语言程序进行调试.6.实验台自备电源，具有电源短路保护确保系统安全。2.2、接口电路本次毕业设计主要涉及的电路如下图2.2-1所示：图2.2-1：连接电路利用8255输出脉冲序列，开关K0～K6控制步进电机转速，K7控制步进电机转向。8255CS接288H～28FH。PA0～PA3接BA～BD；PC0～PC7接K0～K7。当K0～K6中某一开关为“1”（向上拨）时步进电机启动。K7向上打电机正转，向下打电机反转。（三）、基本芯片3.1、8255可编程I/O接口：8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。3.2、8253可编程定时器：8253是NMOS工艺制成的可编程计数器/定时器，有几种芯片型号，外形引脚及功能都是兼容的，只是工作的最高计数速率有所差异，例如8253（2.6MHz），8253-5(5MHz)。8253内部有三个计数器，分别称为计数器0、计数器1和计数器2，他们的机构完全相同。每个计数器的输入和输出都决定于设置在控制寄存器中的控制字，互相之间工作完全独立。每个计数器通过三个引脚和外部联系，一个为时钟输入端CLK，一个为门控信号输入端GATE，另一个为输出端OUT。每个计数器内部有一个8位的控制寄存器，还有一个16位的计数初值寄存器CR、一个计数执行部件CE和一个输出锁存器OL。执行部件实际上是一个16位的减法计数器，它的起始值就是初值寄存器的值，而初始值寄存器的值是通过程序设置的。输出锁存器的值是通过程序设置的。输出锁存器OL用来锁存计数执行部件CE的内容，从而使CPU可以对此进行读操作。顺便提一下，CR、CE和OL都是16位寄存器，但是也可以作8位寄存器来用。工作原理8253具有3个独立的计数通道，采用减1计数方式。在门控信号有效时，每输入1个计数脉冲，通道作1次计数操作。当计数脉冲是已知周期的时钟信号时，计数就成为定时。参考文献：[1]史敬灼.步进电机伺机服控制技术.科学出版社,2006.7.[2]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].2004.[3]戴佳等.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].2007.[4]王晓明.电机的ADSP控制.北京航空航天大学出版社,2010.[5]张毅刚等.MCS一51单片机应用设计[M].黑龙江:哈尔滨工业大学出版社，1997.[6]王晓明.电机的单片机控制（第二版）.北京航空航天大学出版社，2007.[7]王宗培.步进电机及其控制系统[M].1986.[8]陈理壁.步进电机及其应用[M].1989.[9]李华.MCS-51系列单片机应用接口技术[M].1993.[10]梁普选.VisualC++程序设计与实践.北京:北京交通大学出版社.2005.三、基本内容及重点难点:以TPC-2003A微机实验箱（北京清华教科仪厂研发）为平台,设计一个小型步进电机控制系统。要求在充分熟悉和了解所提供硬件平台的基础上，通过所编写的范例程序实现对小型步进电机的常规控制（开闭环速度及转角控制）。所用编程语言为C++、或汇编。具体涉及硬件电路有8255可编程I/O，8253可编程定时/计数器，八段数码显示管等。本次设计是基于已有的实验平台，但是实验平台以前从未接触过，要消化理解实验平台的使用，认知理解实验平台的接口电路；以前对于电机的了解的太少，需要认真理解分析电机的工作方式及其各项参数，并争取在控制程序上有所突破；软件程序分支可能较多，要认真分析控制期间的各项操作。四、计划与提纲：4.2、论文整体构架：一引言1、步进电机的应用与特点2、文章的选题意义3、文章的主要内容二任务分析与方案确定1、设计的目标任务2、设计的总体方案三硬件电路设计1、电源电路…………………………………………………………..62、单片机电路………………………………………………………..73、显示电路…………………………………………………………...94、整体电路………………………………………………………….11四软件设计………………………………………………......131、软件设计方案……………………………………………………132、功能模块子程序…………………………………………………14五软硬件系统调试………………………………………......211、硬件调试………………………………………………………....212、软件调试………………………………………………………....22小结……………………………………………………………24六参考文献..............................................................................26首先，第一章为绪言，详细阐述论文的意义背景及其必要性，阐述论文研究内容。其次，第二章为硬件模块，将本次论文的硬件条件做一个描述，本次的毕业设计是基于TPC-2003A实验箱。所以，在第二章将对于实验箱上的基本芯片以及与本次设计相关的接口做一定的描述。第三章为软件设计，阐述软件背景。对于控制小型步进电机各项功能进行细化，并对于各项功能的实现做一个详细的设计。第四章实物调试及总结，展示实物调试结果，并对本次设计进行总结。最后为致谢词，参考文献以及附件。4.1、时间计划：