开题报告范文-52

基于单片机的步进电机控制系统研究与开发三峡大学机械与动力学院课题来源随着科学技术和工业生产的飞跃发展，国民经济各个部门迫切需要各种各样质量优，性能好，效率高，耗能低，价格廉的机械产品。步进电机也在朝着这些方向不断发展和创新。由于科技的突飞猛进，现在市场上已经出现了大量各种各样的步进电机控制系统，但是这些步进电机控制系统还存在许多缺点和不足。我们知道，动力和运动是可以相互转化的，从这个意义上讲步进电机也是运动源。对运动的有效控制方式是对运动源的控制，因此，常常通过对步进电机的控制来实现运动控制。加上电气的飞速发展，需要用单片机来控制步进电机。二.问题的提出及研究意义传统的步进电机控制方法是由触发器产生控制脉冲来进行控制的，但此种控制方法工作方式单一且难于实现人机交互,当步进电机的参数发生变化时,需要重新进行控制器的设计。而且由传统的触发器构成的控制系统具有控制电路复杂、控制精度低、生产成本高等缺点。为了克服传统控制器的缺点，满足工业生产新的控制要求,在此设计一种以单片机为核心的新型控制器。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件，具有快速启动和停止的能力。当负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值时，它就可能在一瞬间时间启动和停止，它的步矩角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等的影响，仅与脉冲频率有关。它每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下远行，其步矩误差不会长期积累。正是因为步进电机具备上述优点，它被广泛地用于自动控制系统中作为执行元件。但是传统的步进电机控制方法是由触发器产生控制脉冲来进行控制的，但此种控制方法工作方式单一且难于实现人机交互，当步进电机的参数发生变化时，需要重新进行控制器的设计，以单片机为核心的步进电机控制系统可有效改善以上缺点，因此，本课题具有重要的实际意义。三.国内外研究现状20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第１台数控铣床问世至今已经历了50个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专用的步进电机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有10-20万台，产值上百亿美元。

世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从90年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从2000年至今已接受3个月以后的订货合同，生产任务饱满。我国步进电机制造业在80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到50％，库存超过4个月。从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1999年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从2000年8月份的上海数控机床展览会和2001年4月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题：

（1）低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销；

（2）

高技术水平、全功能产品主要靠进口；

（3）

配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口；

（4）

应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用；

（5）

自行开发能力较差，相对有较高技术水平产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。

当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近300万台），但我们的机床数控化率仅达到1.9％左右，这与西方工业国家一般能达到20％的差距太大。日本不到80万台的机床却有近10倍于我国的制造能力。数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国21世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床3000-4000台，日本１年产５万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口7000-9000台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。提出数控化改造的设备可达8-10万台，需投入80-100亿资金，但得到的经济效益将是投入的5-10倍以上。因此，这些年来承担数控化改造的企业公司大量涌现，甚至还有美国公司加入。数控技术经过50年的2个阶段和6代的发展：

第1阶段：硬件数控（NC）

第1代：1952年的电子管

第2代：1959年晶体管分离元件

第3代：1965年的小规模集成电路第2阶段：软件数控（CNC）

第4代：1970年的小型计算机

第5代：1974年的微处理器

第6代：1990年基于个人PC机（PC-－BASEO）

第6代的系统优点主要有：（1）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到5万小时以上；

（2）

基于PC平台，技术进步快，升级换代容易；

（3）

提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如CDA、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等）；

（4）

对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。

目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本ＦANUC公司，１年生产5万套以上系统，占世界市场约40％左右，其次是德国的西门子公司约占15％以上，再次是德海德汉尔，西班牙发格，意大利菲地亚，法国的NUM，日本的三菱、安川。

国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等，国产数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过300-400套。近10年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步：

(1)高速

由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由300-400r/min、2400/min提高到8000-10000r/min，铣床和加工中心主轴转速由400-8000r/min提高到12000r0r/min、40000r/min以上。快速移动速度由过去的10-20m/min提高到48m/min、60m/min、80m/min、120m/min在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，其已由过去一般机床的0.5G（重力加速度）提高到1.5-2G，最高可达15G，直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。

(2)

高精度化数控机床的定位精度已由一般的0.01-0.02ｍｍ提高到0.08ｍｍ左右，亚微米级机床达到0.0005ｍｍ左右，纳米级机床达到0.005-0.01μｍ，最小分辨率为1ｎｍ（0.000001ｍｍ）的数控系统和机床已有产品。

数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到１μ的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角处理等。

(3)

复合加工、新结构机床大量出现

如5轴5面体复合加工机床，5轴5联动加工各类异形零件。也派生出各新颖的机床结构，包括6轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。

(4)

使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度能达1000m/min，加工铝件能达5000m/min。

(5)

数控机床的开放性和联网管理，已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流

本课题将本体作为单片机的步进电机控制系统研究与开发，并用实例验证了其科学性与规范性，为用单片机的步进电机控制系统的数控机床提供基础。四．本文研究的主要内容一．控制系统设计本设计的功能是实现一个基于51单片机控制的4相步进电机系统,由单片机产生驱动脉冲信号,步进电机的驱动器收到驱动脉冲信号后,步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度,将电脉冲转化成角位移。电机的转速由脉冲信号频率来控制决定,可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量从而达到调速的目的。系统框图如图1所示:由图1可知,步进电机控制系统中有两个重要电路:脉冲分配电路和驱动电路。脉冲分配电路有两个输入信号:步进脉冲和转相控制。脉冲分配电路在步进脉冲和转向控制信号的共同作用下产生四相激励信号,此激励信号经过驱动电路送至步进电机,控制步进电机向某一方向转动,此激励信号的频率决定了步进电机的转速。驱动电路的主要作用是实现功率放大。一般脉冲分配器输出的驱动能力是有限的,它不可能直接驱动步进电机,而要经过一级功率放大。二．硬件电路设计在单片机控制的步进电机系统中,输入由单片机接口电路构成的4×4键盘完成,单片机根据输入的键值控制STK672-040的输入,再由STK672-040完成脉冲分配与功率驱动,输出脉冲控制步进电机的运行。五．本文研究的基本目标单片机对步进电机的控制有串行控制和并行控制两种方式。本设计采用的是串行控制方式，此方式下单片机控制系统与步进电机驱动器之间只有两条控制线。一条发出时钟脉冲信号来控制步进电机的转速；另一条发出转向信号控制步进电机的转向。这两个信号都是送入步进电机驱动器的输入端，驱动器中含有环行分配器，对步进电机励磁方式的控制和控制脉冲的分配都是由环行分配器来完成的。由于单片机控制系统与驱动器之间只有两条控制线，从而使系统结构大为简化。控制系统按速度控制的要求从时钟脉冲控制线发出相应的控制脉冲即可对步进电机的转速进行控制。当需要恒速运行时，就发出恒定频率的控制脉冲；当需要加速运行时，就发出频率递增的控制脉冲；当需要减速运行时，就发出频率递减的控制脉冲；当需要锁定状态时，只需要停止发脉冲并通入直流电就可以了。因此，可以方便地对电动机的转速进行控制。转向控制线可实现对步进电机转向的控制，当输出高电平“1”时，环行分配器按正方向进行脉冲分配，步进电机正向旋转；当输出低电平“0”时，环行分配器按反方向进行脉冲分配，步进电机反方向旋转。六．本文研究的技术路线步进步进电机的工作原理控制电路原理单片机的接口技术步进电机的控制电路单片机汇编语言控制程序单片机的步进电机控制系统七.工作的主要阶段,进度和技术指标时间阶段工作进度技术指标2007.11.28—2007.12.06查找相关文献尽量多的查找跟课题有关（横向及纵向有关）的文献及书籍2007.12.07—2007.12.17泛读相关文献与书籍对课题有个大概的了解2007.12.17—2007.12.29有针对性的（针对某一个或几个知识点）精读相关文献与书籍对课题设计到的相关知识技术有比较深刻的理解2007.12.30—2007.2.30学习相关语言熟悉掌握课题涉及到的语言2007.2.30—2007.3.7熟悉本体开发工具MATLAB熟悉界面及相关功能2007.3.7—2007.3.20认真学习本体开发工具MATLAB能够熟练的运用MATLAB开发相关电路系统2007.3.20—2007.3.31学习电路，单片机和步进电机原理分析完成单片机控制步进电机的原理2007.3.31—2007.4.10建立单片机控制步进电机电路模型运用MATLAB对系统进行分析2007.4.11—2007.4.21撰写毕业论文完成毕业论文的撰写工作八.最终成果及完成时间最终成果为：课题说明书一份、用MATLAB检验所完成的单片机的步进电机控制系统的性能，4月下旬完成课题及论文的撰写、修改和装订，为毕业答辩做好准备。九．有利条件及目前存在的问题有利条件：前人已经作过很多相关方面的工作，留下很多宝贵的资料与经验。存在的问题是：现有步进电机的最小步距角还未能达到本系统的要求，所以要在步进细分技术上作探讨。利用步进电机的准确动作和步进电机的细分技术，解决角度与对应关系的问题。其中，当步进电动机的细分角度越小，越有利于提高步进电动机的角位、点位及连续控制方面的定位精度，越有利于与计算机联机，实现全自动化控制。同时，还可以大大提高步进电机的分辨率，大大改善步进电动机在动态运转时的特性。十.参考文献[1]何希才,姜余祥.电动机控制电路应用实例[M].北京:中国电力出版社,2005.[2]陈理壁,步进电动机及其应用[M].上海:上海科技出版社,1985[3]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.[4]谭建成.电机控制专用集成电路[M].北京:机械工业出版社,1997.[5]王玉琳,王强.步进电机的速度调节方法[J].电机与控制应用,2006,33(1):53256.[6]李铁才,杜坤梅.电机控制技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000.[7]李志宇.单片机控制系统抗干扰设计[J].电子测量技术,2007,30(6):1002102.[8]卢胜利.智能仪器设计与实现[M].重庆:重庆大学出版社,2003.[9]王辉堂,颜自勇,陈文芗.基于带PWM模块单片机的步进电机细分驱动技术[J].国外电子测量技术2007,26(3):9211.[10]王强,赵宇.CPLD在步进电机控制系统中的应用[J].电子测术,2006,29(6):1182120.[11]宋强,王再宙,王志福,等.基于虚拟仪器的电动汽车牵引电机性能测试系统[J].仪器仪表学报,2007,28。[12]张俊谟.单片机中级教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.[13]顾绳谷.电机及拖动基础(第三版)[M].北京:机械工业出版社,2005.[14]戴佳,戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2007.[15]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:清华大学出版社,2004.[16]谭浩强.C语言程序设计(第二版)[M].北京:清华大学出版社,1999.[17]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993.[18]戢卫平,胡耀辉,朱朝华等.单片机系统开发实例经典[