电力电子课程设计报告

1、成绩 沈阳化工大学课程设计报告 题 目 电机调速系统设计院 部 名 称 信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气1204 学 生 姓 名 姜振 学 号 12140423 指 导 教 师 孔晓光 目录1设计任务和要求22设计思路33系统硬件设计43.1 硬件电路的工作原理43.2步进电机模块53.3主要元件介绍：53.3.1步进电机：54软件编程105 调试过程136 总结与体会147 参考资料158附录151设计任务和要求单片机课程设计是考察学生利用所学过的专业知识，进行综合的电机控制系统设计并最终完成实际系统连接，能够使学生对电气与自动化的专业知识进行综合应用，培养学生的创新能

2、力和团队协作能力，提高学生的动手实践能力。最终形成一篇符合规范的设计说明书，并参加综合实践答辩，为后期的毕业设计做好准备。本次设计考核的能力主要有：1) 专业知识应用能力，包括电路分析、电子技术、单片机、检测技术、电气控制、电机与拖动、微特电机及其驱动、计算机高级语言、计算机辅助设计、计算机办公软件等课程，还包括本专业的拓展性课程如变频器、组态技术、现场总线技术、伺服电机等课程。2) 项目设计与运作能力，团队协作能力，技术文档撰写能力，PPT汇报与口头表达能力。3) 电气与自动化系统的设计与实际应用能力。2设计思路电路基本理论:步进电机是一种将电脉冲转变为角位移的执行机构，通俗一点讲：当步进驱

3、动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可通过控制脉冲数来控制角位移量，从而达到准确的定位目的。通过对步进电机的软件设计和硬件设计包括步进电机的结构、原理及应用，根据原理和硬件的设计利用c语言编写程序，经过反复运行和调试，实现单片机对步进电机的控制。步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到

4、准确定位的目的。控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。控制步进电机的速度，即给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。基于单片机和proteus的步进电机控制电路的基本组成如图所示：根据设计要求，采用的方案如下。硬件部分实现电机转动，包括控制开关模块；电机转动模块。软件部分实现对步进电机的控制功能，主要设计思想通过控制台控制程序的开关来控制电机的转动。电源驱动89C51单片机，在89C51中装载程序，通过开

5、关按键来输入信号，89C51向驱动电路提供信号使步进电机动作。3系统硬件设计3.1 硬件电路的工作原理总电路图通过对开关k1 k2 k3的开关，来实现对步进电机的正反转和停止，通过k4 k5来进行加减速，并且有相应的LED灯的显示。3.2步进电机模块该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动 功能：单片机输出的程序通过转换器和电机驱动器给步进电机一个脉冲信号，使步进电机实现正转与反转。3.3主要元件介绍：3.3.1步进电机：步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非

6、常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确

7、定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。步进电机28BYJ48：步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信 号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。 四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC- CD-DA-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）四相步进电机有两种运行

8、方式，一、四相四拍；二、四相八拍。要想搞清楚四相八拍运行方式下步进电机的转速如果计算，需要先清楚两个基本概念。1、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.2、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）

9、。这两个概念清楚后，我们再来计算转速，以基本步距角1.8的步进电机为例（现在市场上常规的二、四相混合式步进电机基本步距角都是1.8），四相八拍运行方式下，每接收一个脉冲信号，转过0.9，如果每秒钟接收400个脉冲，那么转速为每秒400X0.9=360，相当与每秒钟转一圈，每分钟60转。：橙黄粉蓝十六制（P1口）10000x0811000x0c01000x0401100x0600100x0200110x0300010x0110010x09所以可以定义正转励磁序列为A-AB-B-BC-C-CD-D-DAuchar code FFW=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x0

10、8,0x09;/反转励磁序列为AD-D-CD-C-BC-B-BA-Auchar code REV=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;步进电机28BYJ48的主要技术参数：3、四相步进电机的脉冲分配规律 目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序 与波形分别如图1 a、b、c所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时

11、序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。3.3.2 STC89C52单片机Atmel公司生产的STC89C52单片机是一种低功耗/低电压高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源

12、，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。单片机部分引脚功能介绍：XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容的一端；在STC89C52 片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。89C51/8031正常工作时，该引脚应有脉冲信号输出。XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反向放大器的输入端，在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。RST/VPD（9脚）：RST：复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持

13、两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。RST/VPD（9脚）：VPD ：RST引脚的第二功能，备用电源输入端。当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将+5V电源自动接入该引脚，为RAM提供备用电源，以保证RAM中的信息不丢失，使得复位后能继续正常运行。EA/Vpp（31脚）：Vpp：对8751片内EPROM固化编程时，编程电压输入端（12-21V）。P0口：漏极开路的8位准双向I/O口，每位能驱动8个LS型TTL负载。P0口可作为一个数据输入/输出口；在CPU访问片外存储器时，P0口为分时复用的低8位地址总线和8位数据总线。P1口：带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱

14、动4个LS型TTL负载。P3口：带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。P3口除作为一般I/O口外，每个引脚都有第二功能。4软件编程4.1主流程图开始If（k5=0）If（k2=0）If（k1=0）判断按键减速按键加速停止反转正转按键If（k4=0）If（k3=0）4.2主要程序：#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int /uchar table=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09; uchar table=0x01,0x02,0x04,0

15、x08;void delay(void) uint i; i=500; while(i-); main() uchar i,j; for(j=0;j250;j+) for(i=0;i4;i+) P1=tablei; delay(); while(1);单双八拍#include reg51.hunsigned char code RUN8=0xf1,0xf3,0xf2,0xf6,0xf4,0xfc,0xf8,0xf9; /步进电机相序表void delay(unsigned int t);/步进电机驱动void motor_ffw() unsigned char i; for (i=0; i8;

16、 i+) /一个周期转3.75*8=30度 P1 = RUNi&0x1f; /取数据 delay(100); /调节转速 /*延时函数*/void delay(unsigned int t) unsigned int k; while(t-) for(k=0; k60; k+)/用for的空循环延长程序的执行时间 main() while(1) motor_ffw(); /调用旋转处理函数 5 调试过程在仿真过程中要注意元件的选择，还有仿真跟实物存在的差异，仿真的数据不一定就适合实物，所以要根据实物来进行修改，通过不断的调试才能符合要求，在连接电路时要看好引脚。6 总结与体会本次课程设计是我到

17、目前为止觉得最有意义也是收获最大的一次实验设计，可以说虽在实践的过程中麻烦复杂，但是在做出一点成功之后，很有成就感。身为电子系自动化专业的学生，设计是我们将来必须的技能，而这次课程设计恰恰是给我们一个应用自己所学知识的平台。 因为这次课程设计需要动脑动手，把自己课堂上学到的软件和硬件知识全部应用进来，要想完成好这次课程设计，首先需要弄懂步进电机的工作原理，与外部电路的连接，单片机原理，C语言程序设计等。这其中有以前课堂上学过的也有需要我们自学研究的。这不仅考察了自己原来的知识程度还加强了我们独立获取知识并加以运用的能力。 这次课程设计我不仅学到了很多知识，还制作出了自己想要的控制任务。很有成就感。在这次三人小组的分工合作中，使我体会到了分工合作的力量和重要性。在合作团结中，通过相互帮助相互指点，使我们彼此负责的那部分任务都有了更好的了解和掌握。 通过这次课程设计，我对步进电机的了解拓宽了，对单片机和外围电路的认识也更加清晰了，这为我以后工作提供了坚实的基础。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中还培养了我的设计思维