题目:利用P LC与变频器实现多速度控制
专业:电气自动化技术
班级:自控3 112
作者: 王洋洋
指导教师: 赵连娟
摘要
本文主要介绍了本人与本组同学研究和设计基于可编程控制器的变频调速系统的若干成果。在本次的设计中，我主要学习了电子感应开关的电路设计，运算，校正，本文介绍了电子感应开关的原理及应用。经过本次设计和研究，使我对所有器件有了新的认识，尤其对P LC有了更多的了解：P LC是能进行行逻辑运算，顺序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程的工业计算机。首先我们查阅各个器件的资料，先对其有个明确的认识，然后通过老师的指点明白了整个系统的大概工作原理框图后，通过学习资料与老师指点将硬件设备连接成功。
关键词：P LC、变频器
目录
第 1 章设计综述 (1)
1.1课题研究的背景 (1)
1.2开发环境的介绍 (2)
1.3课题的主要任务和论文的组织 (3)
第2章变频器与P LC技术概要 (4)
2.1变频器概述 (4)
2.2PLC概述 (6)
2.2.1 PLC 的特点 (7)
2.2.2 PLC 控制的优点 (8)
2.3异步电动机调速 (9)
2.3.1 变频调速方法 (9)
第 3 章 R S—485 串行通讯 (11)
3.1RS—485串行通讯的特点 (11)
3.2RS—485串行接口标准 (11)
3.3RS—485数据传输协议 (12)
第 4 章系统的硬件开发 (16)
4.1变频器的选择 (16)
4.2变频器参数设置 (16)
4.2.1 功能与参数范围 (17)
4.2.2 频率给定功能 (18)
4.2.3 具体参数设置 (20)
4.3PLC的选择 (21)
4.3.1 PLC 的选择 (21)
4.3.2 I/O 点数的分配 (23)
4.4通信系统硬件组成 (23)
4.5硬件之间的连接 (25)
4.5.1 变频器和电机的距离确定电缆和布线方法 (25)
4.5.2 PLC 与输入/输出设备的连接 (26)
第 5 章系统的软件开发第及系统的调试与实现 (28)
5.1RS-485通信软件的设计 (28)
5.2速度控制软件的设计 (30)
5.3系统的调试 (31)
5.4系统的实现 (34)
第 6 章总结与展望 (37)
6.1总结 (37)
6.2展望 (37)
致谢 (38)
参考文献 (39)
第1章设计综述
1.1课题研究的背景
众所周知，所有的生产机械、运输机械在传动时都需要调速。首先，机械在起动时，根据不同的要求需要有不同的起动时间，这样就要求有不同的起动速度相配合；其次，机械在停止时，由于转动惯量的不等，所以自由停车时间也各不相同，为了达到人们所需求的停车时间，就必须在停车时采取一些调速措施，以满足对停车时间的要求；第三，机械在运行当中，根据不同的情况也要求进行调速。
如传送带在日常生产中是很常用的一种电力输送工具，但是往往要求传送带在检测到有物料时能够迅速的启动并运行，当物料运到相应的设备口时能准确的停止，对物料进行加工处理，期间传送带要根据加工要求以各种速度运行或者快速返回，最后还需要可靠停车。
传统的电动机一般有单一速度、双速、三速等，但是一个电机的各种速度值是固定的，使电动机在变速时会有明显的冲撞，因为它不能完成各种速度之间的无级变化。当传感器检测到信号时电机启动或者停止往往有滞后现象，使物料不能按照指定的位置启、停，给生产带来了难以避免的误差。
P LC控制系统和传统的工业控制相比，它吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果，得到了更新的发展。P LC控制系统适用于各种普通的电动机，是以应用为中心、计算机技术为基础、辅助特定设备高质量的完成电动机对各种速度的要求。而变频器可以很容易改变电动机的速度，且具有精度高、稳定性好、可靠性高、存储容量大、灵活性好等特点。将变频器和P LC两者运用RS -485通讯使其相结合，可以充分发挥两者的忧点，具有良好的可扩展性和可维护性。
若把P LC程序中所需要的多种速度输出到变频器，然后通过变频器的参数变换实现迅速、可靠的对电动机多种速度控制，则可以解决传统电动机的速度单一和不能准确可靠启动、停止等问题和不足。而在变频器和P LC之间运用RS -485通讯可以很容易和方便把两者相连接起来，而且RS -485还具有抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远且造价低廉的优点。变频器和P LC之间的组合，变频器在该系统中所起的作用就是对笼型异步电动机进行无级调速。P LC在该系统中所起的作用是对系统进行自动控制。只要计算出P LC所需要多种速度、大小、时间的要求和变频器的频率控制相结合就可以完成，如启动速度和时间，低速、高速、刹车时间等。
本课题即是在这种背景下，对电动机特性和变频器系统及P LC系统进行硬件及软
件的研究、分析和设计，并给出一套完整的解决方案，实现对一台电动机的起动、停止、变速等多种速度要求。
1.2 开发环境的介绍
本系统的开发环境由硬件环境与软件环境两部分组成。
其中硬件开发环境采用了亚龙YL——235A 型光机电一体化实训考核装置。它包含了三菱P LC主机、三菱变频器、皮带输送机部件、电动机、电源、按钮、气管、P LC编程线缆、计算机、键盘。硬件开发环境见图1— 1。
图1- 1系统硬件开发环境
软件开发环境为对应的P LC编程环境。它提供了一套完备的面向变频器和电动机的开发和调试工具，包含编程器、编译器、连接器、转换器、调试器。配合变频器和电动机可以完善直接的在线调试。软件开发环境主界面见图1－2。
图 1-2 P LC 编程主界面
1.3课题的主要任务和论文的组织
课题研究的主要内容是以电脑和键盘对三菱P LC进行编程，通过RS -485连接三菱变频器，根据P LC和变频器的通信协议，用程序控制变频器工作；根据变频器的的多种频率变化改变电动机的多种速度控制；电动机通过联轴器和传送带轴相连使传送带实现正转、反转、起动、停止、加速、减速等多种速度变化。
重点研究内容主要有：
·电动机调速机械特性和调速原理；
·变频器基本形式和调速原理；
·P LC的特点和工作原理；
·P LC和变频器之间的连接方法和通信协议；
第2章变频器与P LC技术概要
2.1变频器概述
一、变频器的组成
异步电动机用变频器调速运转时通常由变频器主电路给异步电动机提供调压调频电源，此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损坏外，还应保护异步电动机及传动系统等。
1、主电路
给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“转动回路”。
2、控制回路
给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。控制电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。
二、变频原理
在交—直—交变频调速系统中，变频器有3种主要结构形式。
1、用可控整流器调压如图2- 1，这种装置结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用可控整流器，当电压或转速调得较低时，电网端的功率因数较低；输出环节多采用由功率开关元件组成的三相六拍逆变器（每周换流6次），输出的谐波较大，这是该种调压控制方法的缺点。
图2-1 整流电流
2、用不可控整流器整流，斩波器调压如图2-2，这种调压控制方法是在主回路增设的斩波器上用脉宽调压，而整流环节采用二极管不可控整流器。这样显然多增加了一个功率环节，但输入功率因数高，克服了前种方法的一个缺点，而逆变器输出信号的谐波仍较大。
图2-2 斩波调压
3、用不可控整流器整流，PWM型逆变器调压如图2-3，在这种控制方法中，由于采用不可控整流器整流，故输入功率因数高；采用PWM型逆变器则输出谐波可以减少。这样，前两种调压控制方法中存在的缺点问题都解决了。采用可控关断的全控式功率开关元件以后，开关频率才得以大大提高，逆变器的输出波形几乎是正弦波，因此成为当前被采用的一种调压控制方法。
图2-3 PWM调压
1、多速度控制功能工作时能保证在整个频率范围内实现精确的转矩控制。
2、快速响应功能变频器采用了单片机控制，特别是采用了高速数字信号处理器（DSP ），其计算速度快，转速调整响应快，因此在提升设备中应用，对防止“滑落”很有效。
3、A VR功能保证了高启动转矩的实现当线电压下降时，使用A VR（自动电压调整）功能，可以维持高启动转矩。
4 、电动机参数自动调整功能变频器与电动机参数调整的步骤自动进行，从
而简便了使用操作，因此可以更有效也更易于实现强力运行。
5、模糊逻辑加、减功能此功能根据电动机负载和制动要求自动地计算出最佳加速/减速时间，这就省掉了试机并避免了出错，负载固定时在某一电压下电动机的电流达最小，当电流最小时，功率最小，自动追踪最小的电压。
6、降低能源消耗，自动节能运行功能变频器会自动地选择操作参数，使电
动机在满足负载转矩要求的情况下以最小电流运行，这就使之与传统变频器相比，更能降低能源消耗。
7、多段转速功能内装速度设定和定时器设定功能，因而能进行7段转速特性曲线运转（能选择连续、继续、保持最终值），对各种速度，都用任意加速时间、旋转方向、运转时间。
8、内装PI或PID调节功能。
9、由于采用SV PWM控制和高工作频率的IGBT、IPM，其输出电流波形大为改善，而且消耗电流大为降低。
2.2 PLC 概述
1、P LC的扫描
用户程序通过编程器输入并存放在P LC的用户存储器中，当P LC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时执行多个操作的，它只能按分时操作原理工作，即每一时刻只执行一个操作。由于CPU的运算处理速度很高，使得外部出现的结构从宏观上看好像是同时完成的。这种按分时原则、顺序执行程序的各种操作的过程称为CPU对程序的扫描。执行一次扫描的时间称为扫描周期。当P LC投入运行时，它首先执行系统程序和CPU自检等工作，然后开始顺序执行用户程序。P LC的用户程序由若干条指令（语句）组成，这些指令在存储器中是按步序号的顺序排列的。用户程序的执行是按顺序扫描工作方式完成的。在没有中断或跳转控制的情况下，CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再返回第一条指令开始新的一轮扫描，P LC就是这样周而复始地重复上述的扫描周期。顺序扫描的工作方式简单直观，它为P LC的可靠运行提供了非常有用的保证。一方面，所扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用。另一方面，通过自诊断，检查CPU模块内部的硬件是否正常；通过CPU设置的监控定时器，判断每次扫描是否超过规定时间，从而避免了因CPU内部故障使程序执行进入死循环而造成的影响。第三方面，通过通信功能，使P LC与编程器、上位计机或别的带微处理器的智能装置进行通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
2、P LC的工作过程
P LC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的方式工作的，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
1）输入采样阶段。在输入采样阶段，P LC用扫描方式，把所有输入端的外部输入信号的通/断状态一次写入到输入映像寄存器中，此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的内容也不会随之改变。输入信号变化了的状态，只能在下一个扫描周期的输入采样阶段才被读入。换句话说，在输入采样阶段采样结束之后，无论输入信号如何变化，输入映像寄存器的内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入新的内容。
2）程序执行阶段。在程序执行阶段，P LC逐条解释和执行程序。若是梯形图程序，则按先上后下、先左后右的顺序进行扫描（执行）。若遇到跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。在顺序执行程序时，所需要的输入状态有输入映像寄存器读出，所需要的其他软元件的状态从元件映像寄存器中读出，而将执行时由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个扫描周期。P LC总的响应延迟时间一般只有几十ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求
输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的P LC或采取其他措施。
2.2.1 PLC 的特点
1、编程方法简单易学梯形图是使用得最多的P LC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂。
2、功能强，性能价格比高
一台小型P LC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强P LC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。
4 、可靠性高，抗干扰能力强P LC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的十分之一到百分之一，因触点接触不良造成的故障大为减少。P LC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上。
5、系统的设计、安装、调试工作量少P LC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
6、维修工作量小、维修方便P LC的故障率很低，具有完善的自诊断和显示功能。P LC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据P LC上的发光二极管或编程器提供的信息方便地查明故障的原因，用更换模块的方法迅速地排除故障。
7、体积小，能耗低对于复杂的控制系统，使用P LC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型P LC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的12～110。P LC控制系统的配线比继电器控制系统的少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少很多安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。
2.2.2 PLC 控制的优点
一、高可靠性
1、所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与P LC内部电路之间电气上隔离。
2、各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms。
3、各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
4 、采用性能优良的开关电源。
5、对采用的器件进行严格的筛选。
6、良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
7、大型P LC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
二、丰富的I/O接口模块
P LC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
三、采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型P LC以外，绝大多数P LC均采
用模块化结构。P LC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
四、编程简单易学
P LC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
五、安装简单，维修方便
P LC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与P LC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
2.3 异步电动机调速
2.3.1 变频调速方法
从异步电动机的转速关系式N=( 1-S )N0=60F1/P ( 1-S )可知，若要改变异步电动机转速，可以有以下3种方法：
1、改变电动机的极对数p，以改变电动机的同步转速N0从而达到调速的目的。这种调速方法称为变极调速；
2、改变电动机的转差率S，可采取的方法很多，如对笼型异步电动机，改变定子电压及电磁型调速、绕线转子异步电动机改变转子电阻或电动势等；
3、改变异步电动机的电源频率F1，以改变N0进行调速，称为变频调速。
从异步电动机的转速关系式N=( 1-S )N0=60F1/P ( 1-S )可知，
2.3.2变频调速控制的特点
从异步电动机的转速关系式N=( 1-S )N0=60F1/P ( 1-S )可知，只要平滑地调节异步电动机的供电频率F1，就可以平滑调节异步电动机的同步转速N0，从而实现一般电动机的无级调速，从机械特性分析，其调速性能比调磁极对数与转差率好得多，近似直流电动机调压的机械特性。改变笼型异步电动机的供电频率，也就是改变电动机的同步转数n。从而可以实现调速，这就是变频调速的基本工作原理。
实现变频调速的关键是如何获得一个单独向感应电动机供电的经济可靠的电源。目前在变频调速系统中广泛采用的是静止变频装置。它是利用大功率半导体器件，先将50HZ 的工频电源经整流器整流成直流，然后再经逆变器换成频率与电压均可调节的变频电压输出给受控感应电动机，这种系统称为交—直—交变频系统。当然也可以将三相50HZ的
工频电源直接经三相变频器转成变频电压而输出给电动机，这种系统称为交—交变频系统。
一、基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速
恒磁通变频调速实质上就是调速时要保证电动机的电磁转矩恒定不变。这是因为电磁转矩与磁通是成正比的。如果磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩就小，电动机的负载能力下降，要想负载能力恒定就得加大转子电流，这就会引起电动机过电流发热而烧毁；如果磁通太强，电动机会出于过励磁状态，使励磁电流过大，同样会引起电动机过电流发热。所以变频调速一定要保持磁通恒定。
从上式可知，每极磁通φ1的值是由E1和F1共同决定，对E 1和F1进行适当控制，就可以使气隙磁通φ1保持额定值不变。由于14 .4 4 N1F对某一电动机来讲是一个固定常数，所以只要保持E 1F1为常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。
当E1和F1的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，即可认为U1和E1是相等，这就是恒压频比控制方程式：U1/F1=常数
当频率较低时，U1和E1都变得小，此时定子电流却基本不变，所以定子的阻抗压降，特别是电阻压降，相对此时的U1来说是不能忽略的。可以在低速时人为地提高定子相电压U1以补偿定子的阻抗压降的影响，使气隙磁通φ1保持额定值基本不变。笼型异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率提供电源，即所谓变频器（VVVF）调速控制。
二、基频以上恒功率（恒电压）变频调速
恒功率变频调速又称为弱磁通变频调速。这是考虑有基频F1N开始向上调速的情况，频率有额定值F1N向上增大，如果按照U1/F1常数规律控制，电压也必须由额定值U1N向上增大，但实际上电压U1受额定电压U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1N 不变。根据公式φ≈U1/4 .4 4 F1 N1分析主磁通φ1随着F1的上升而应减小，这与直流电动机弱磁调速的情况一样，属于近似的恒功率调速方式。证明如下在F1>F1N、U1>U1N时，E 1=4 .4 4 F1N 1φ1
可见，随F1升高，即转速升高，Ω1增大，主磁通φ1必须相应下降，才能保持电压恒定，而电磁转矩越低这样T 1与Ω1可以近似为乘积不变，PN = T *Ω1≈ 常数，随着转速的提高，要使电压恒定，磁通就自然下降，当转子电流变时，其电磁转矩就会减小，而电磁功率却保持恒定不变，其控制条件为E2/F1≈常数。
变频调速平滑性好，效率高，机械特性硬调速范围广，只要控制端电压随频率变化的规律，可以适用不同负载特性的要求。
第 3 章 R S—485 串行通讯
3.1 R S—485 串行通讯的特点
1、RS -485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2～6）V 表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2～6）V 表示。接口信号电平较低，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。
2、RS -485的数据最高传输速率为10MBps。
3、RS -485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。
4 、RS -485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米。RS -485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS -485接口方便地建立起设备网络。
因RS -485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS -485接口组成的半双工网络一般只需二根连线，所以RS -485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS -485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS -485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS -485采用DB-9（针）。
3.2 RS—485 串行接口标准
一、平衡传输
RS -485数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A ，另一线定义为B。通常情况下，发送驱动器 A 、B之间的正电平在+2～+6V ，是一个逻辑状态，负电平在-2V～-6V ，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS -485中还有一“使能”端，“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。
二、RS -485电气规定
RS -485采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS -485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。RS -485总线，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS -485串行总线标准。RS -485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mv 的
电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS -485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS -485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS -485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。RS -485的共模输出电压是-7V 至+ 12V 之间，RS -485满足所有RS-422的规范，所以RS -485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。RS-485其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10MBps。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100KBps速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1MBps。
三、RS -485的网络安装注意要点
RS -485支持32个节点，因此多节点构成网络。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点：
* 采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。
* 应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。
总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。
3.3 RS—485 数据传输协议
RS -485是主从式多机通讯协议，此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息按本协议发出。
一、数据在网络上传输
控制器通信使用主—从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。
主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则从设备不作任何回应。协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。
从设备回应消息也由协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误(无相应的功能码)，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。
在对等网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。
在消息位，本协议仍提供了主—从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从设备得到回应。同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。
二、查询—回应
1、查询
查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。
2、回应
如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。
三、消息帧
1、帧格式
传输设备将消息转为有起点和终点的帧，这就允许接收的设备在消息起始处开始工作，读地址分配信息，判断哪一个设备被选中（广播方式则传给所有设备），判断何时信息已完成。错误消息也能侦测到并能返回结果。
消息发送至少要以10ms时间的停顿间隔开始。传输的第一个域是设备地址。网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域（地址域）接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后，一个至少10ms时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。
整个消息帧必须作为一连续的流转输。如果在帧完成之前有超过5ms时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于5ms的时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的CRC域的值不可能是正确的。一典型的消息
帧如下所示：起始间隔设备地址功能代码数据数量及数据CRC校验结束
2、地址域
消息帧的地址域包含一个字符8BIT。可能的从设备地址是0...24 7 (十进制)。单个设备的地址范围是1...24 7。主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时，也把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一个设备作出回应。
地址0是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。
3、如何处理功能域
消息帧中的功能代码域包含了一个字符8BITS。可能的代码范围是十进制的1...255。当然，有些代码是适用于所有控制器，有此是应用于某种控制器，还有些保留以备后用。
当消息从主设备发往从设备时，功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为。例如去读取当前检测参量的值或开关状态，读从设备的诊断状态，允许调入、记录、校验在从设备中的程序等。
当从设备回应时，它使用功能代码域来指示是正常回应(无误)还是有某种错误发生（称作异议回应）。对正常回应，从设备仅回应相应的功能代码。对异议回应，从设备返回一等同于正常代码的代码，但功能代码的最高位为逻辑1。
例如：一从主设备发往从设备的消息要求读一组保持寄存器，将产生如下功能代码：00000011（十六进制03H）
对正常回应，从设备仅回应同样的功能代码。对异议回应，它返回：
10000011（十六进制83H）
除功能代码因异议错误作了修改外，从设备将一独特的代码放到回应消息的数据域中，这能告诉主设备发生了什么错误。
主设备应对程序得到异议的回应后，典型的处理过程是重发消息，或者诊断发给从设备的消息并报告给操作员。
从主设备发给从设备消息的数据域包含附加的信息：从设备用于进行执行由功能代码所定义的行为所必须的数据。
如果没有错误发生，从设备返回的数据域包含请求的数据。如果有错误发生，此域包含一异议代码，主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动。
在某种消息中数据域可以是0长度。例如，主设备要求从设备回应通信事件记录，从设备回应不需任何附加的信息。数据域最长为70字节。
错误检测域包含一字节8BITS。错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗长检测方法得出的。CRC域附加在消息的最后，故CRC字节是发送消息的最后一个字节。具有竞争力。
第 4 章系统的硬件开发
4.1 变频器的选择
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4
个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
变频器选型时要确定以下几点：
1、采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。
2、变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3、变频器与负载的匹配问题；
1）电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
2）电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
3）转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
4 、在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
5、变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
6、对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
4.2 变频器参数设置
变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。
控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。
最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，
电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。
最高运行频率：一般的变频器最大频率到60HZ，有的甚至到400HZ，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。
载波频率: 载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。
电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。
跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；
在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。
4.2.1 功能与参数范围
用户在功能预置时，首先确定系统所需要的功能，然后再预置功能所要求的
参数。变频器操作手册中将各种功能化分为多个功能组,这些功能组的名称即是功能代码的范围，详见表 4 - 1。
1．功能码
表示各种功能的代码称为功能码，如三菱FR—540系列变频器中，“PR79”为功能码，表示操作模式选择功能。
2．参数码
表示各种功能所需要的参数代码，称为参数码。如”PR.79”功能码确定后，
再置“2”即“PR.79=2”说明选择了外部操作模式，“2”即为参数码。
表 4 - 1 功能做代码范围
序列号功能组名称功能码范围
1基本功能PR.0～PR.9
2标准运行功能PR. 10～PR.37
3输出端子功能PR.4 1～PR.4 3
4 第二功能PR.4 2～PR.50
5显示功能PR.52～PR.56
6自动在启动功能PR.57～PR.58
7附加功能PR.59
8运行选择功能PR.60～PR.79
设计题目：基于单片机的步进电机控制系统设计 设计目的： 综合运用所学的《单片机原理及应用》的理论知识，通过实践加强对所学知识的理解，具备设计单片机应用设计系统的能力。以单片机为核心设计一个步进电机控制系统，要求能够通过键盘设置步进电机的正转和反转，加速和减速。并在LED 数码管显示器上显示步进电机转速。通过了解系统的软硬件构成及其特点，详细掌握怎样通过单片机控制其输出来控制步进电机的运转，并对应地在数码管上显示出来，更加系统的了解步进电机的组成，工作原理，控制方法。 设计要求： 【1】进行方案论证，说明步进电机控制系统的工作原理 【2】设计控制系统所需的硬件电路，给出电路原理图和元器件清单。 【3】给出软件流程图并编写程序源代码。 【4】完成系统的调试，给出调试结果并分析。 【5】了解单片机的内部结构，组成，学习单片机的工作原理以及内部工作状态，并熟悉在不同时刻，单片机的输入输出情况 【6】了解步进电机的分类和用途，掌握步进电机的内部结构以及工作原理，并学习单片机简单控制步进电机的正转和反转，加速和减速 【7】使用keil和proteus等软件进行系统的仿真，并在开发板硬件上实现。锻炼自己的编程，调试能力。 设计条件： 步进电机的工作原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件步进电机。在非超载的情况下，电机的转速，停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。称为“步距角”。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时也可以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。 电机的位置和速度与导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定
课程设计报告 题目步进电机正反转及调速 控制系统的设计 课程名称微机原理及应用 院部名称机电工程学院 专业电气工程及其自动化班级10电气1班 学生姓名管志成 学号1004103027 课程设计地点C304 课程设计学时20 指导教师李国利 金陵科技学院教务处制
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，具有快速启动能力,定位精度高，能够直接接受数字量，因此被广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、精确定位、计算机外围设备等，在现代控制领域起着非常重要的作用。 本设计基于Proteus 7.8设计环境，运用了8086 CPU芯片以及74273芯片、74244芯片和步进电机以及7位小功率驱动芯片ULN2003A、按钮、指示灯等辅助硬件电路，设计了步进电机正反转及调速系统。绘制软件流程图，进行了软件设计并编写了源程序，最后对软硬件系统进行联合调试。该步进电机的正反转及调速系统具有控制步进电机正反转的功能，还可以对步进电机进行调速，不同的按钮对应不同的速度，并且在没有速度按钮按下的时候，步进电机自动切换到停止状态。 关键词：步进电机；正反转；调速控制；ULN2003A芯片；8086微机系统
一、概述 1.1 课程设计的目的 (4) 1.2课程设计的要求 (4) 二、总体设计方案及说明 2.1 系统总体设计方案 (5) 2.2系统工作框图 (5) 三、系统硬件电路设计 3.1 Intel 8086 微处理器的简介 (6) 3.2 步进电机的原理 (7) 3.3 ULN2003A的简介 (8) 3.4 74154芯片简介 (9) 3.5 74LS273芯片简介 (10) 3.6 8086最小系统的设计 (11) 3.7 步进电机及其驱动电路的设计 (12) 3.8 电机状态显示电路的设计 (12) 3.9 输入采样电路的设计 (13) 3.10系统总电路图 (14) 四、系统软件部分设计 4.1 系统流程图 (15) 4.2 系统软件源程序 (16) 4.2.1电机绕组通电顺序设定 (16) 4.2.2 延时子程序设计 (16) 4.2.3 汇编源程序及说明 (16) 五、总结 5.1 系统软硬件的联合调试 (21) 5.2 问题分析和解决方案 (23) 5.3 心得与体会 (23) 六、参考文献 (23) 附录：总电路图 (25)
综合课程设计 题目两相步进电机 学院计信学院 专业10自动化 班级2班 学生姓名 指导教师文远熔 2012 年12 月28 日
两相步进电机课程设计报告 步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O 接口、中断、键盘、LED 显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。 关键字: 步进电机单片机
北华航天工业学院 课程设计报告（论文） 课程名称：微机控制技术课程设计 设计课题：步进电机的控制系统 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 设计时间：2013年06月11日
北华航天工业学院电子工程系 微机控制技术课程设计任务书 姓名：专业：班级： 指导教师：职称：教授时间：2013.6.11 课程设计题目：步进电机的控制系统 设计步进电机单片机控制系统，其功能如下： 1．具有对步进电机的启停、正反转、加减速控制； 2．控制按钮分别为正转、反转、加速、减速、以及停止键； 3．能够通过三位LED数码管（或液晶显示器）显示当前的转动速度，并且由两只不同颜色的发光二极管分别指示正转和反转，因此可以清楚的显示当前转动方向和转速； 4．要求每组选择的步进电机控制字不同； 5．用单片机做控制微机； 应用软件：keil protues 成果验收形式： 1.课程设计的仿真结果 2.课程设计的报告书 参考文献： 【1】张家生. 电机原理与拖动基础【M】. 北京：北京邮电大学出版社，2006. 【2】马淑华，王凤文，张美金. 单片机原理与接口技术【M】.北京：北京邮电大学出版社，2007. 【3】顾德英，张健，马淑华.计算机控制技术【M】. 北京：北京邮电大学出版社，2006. 【4】张靖武，周灵彬. 单片机系统的PROTEUS设计与仿真【M】. 北京：电子工业出版社，2007 第16周 时间 安排 指导教师教研室主任： 2013年06 月11日
内容摘要 步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。 关键词：步进电机单片机数码管显示
目录 引言 (1) 第1章绪论 (2) 1.1步进电机的概述 (2) 1.1.1 步进电机的特点 (2) 1.1.2步进电机的工作原理简述 (2) 1.2四相八拍步进电机 (2) 1.2.1 四相步进电机工作原理 (2) 1.2.2 八拍得工作方式 (4) 1.3单片机概述 (4) 1.3.1 单片机原理简述 (4) 1.3.2 8031单片机 (5) 1.4总体方案设计 (5) 1.4.1 系统的组成 (5) 1.4.2 系统的工作原理 (6) 第2章系统软件设计 (7) 2.1显示子程序的设计 (7) 2.2键盘子程序的设计 (8) 2.3正反转程序流程图 (11) 2.3.1 正反转程序流程图 (11) 2.3.2 转速快慢程序流程图 (14) 2.4定时中断流程图 (17) 2.5语音报警系统 (19) 2.6主程序设计 (20) 参考文献 (23) 致谢 (24)
引言 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一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来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。在本设计方案中采用单片机内部的定时器改变脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行控制，实现电机调速与正反转的功能。 关键词：步进电机，单片机，调速系统
安徽技术师范学院学报,2002,16(4):61～63Journal of Anhui T echnical Teachers College 单片机控制步进电机系统设计 刘国永1 陈杰平2 (1.蚌埠高等专科学校机械电子系,安徽蚌埠 233030;2.安徽技术师范学院工程技术系,安徽凤阳 233100) 摘 要:本文提出了采用单片机控制步进电机方案,可以从键盘输入步进电机相关数据,步进电机根据这些数据来进行工作,并且可根据需要,实时对步进电机工作方式进行设置,具有实时性和交互性的特点。 关键词:单片机;步进电机;系统;设计 中图分类号:TM 301.2 文献标识码:A 文章编号:1007-3302(2002)04-0061-03 目前,步进电机在工业生产及一些仪器上应 用十分广泛,但步进电机的驱动信号往往还是用一些专用的模拟芯片控制器或者是信号发生器来产生,缺乏灵活性、可靠性。在一些智能化要求较高的场合,用模拟芯片控制器及信号发生器来控制步进电机有一定的局限,可以采用单片机控制步进电机以改进其性能。1 实现原理 1.1 分析 以反应式步进电机为例,其典型结构图如图1所示。这是一个四相步进电机,当相控制绕组接通脉冲电流时,在磁拉力作用下使相的定、转子对齐,相邻的B 相和D 相的定、转子小齿错开。若换成B 相通电,则磁拉力使B 相定、转子小齿对齐(转过),而与B 相相邻的C 相和A 相的定、转子小齿又错开,即步进电机转过一个步距角。若按A ※B ※C ※D ※A …规律循环顺序通电,则步进电机按一定方向转动。若改变通电顺序为A ※D ※C ※B ※A ,则电机反向转动。这种控制方式称为四相单四拍。若按AB ※BC ※CD ※DA ※AB 或A ※AB ※B ※BC ※C ※CD ※D ※DA ※A 顺序通电则称为四相双拍或四相单、双八拍。无论采用哪种控制方式,在一个通电循环内,步进电机的转角恒为一个齿距角。所以,可以通过改变步进 收稿日期:2002-10-14 电机通电循环次序来改变转动方向,可以通过改 变通电频率来改变其角频率。运用单片机的输出功能,通过编程实现输出四个信号分别给步进电机的四相A 、B 、C 、D ,并通过输出时信号的循环次序,来设定步进电机的转动方向及输出信号的频率以便设定步进电机的转动频率。 图1 反应式步进电机结构图 1.2 实现原理 采用单片机产生A 、B 、C 、D 的四相信号,当采用单片机进行控制时,需要在单片机和步进电机中间设隔离电路以使强弱电分离。由于步进电机的驱动电流相对较大,可增设放大电路来提供步进电机的工作电流。系统电路由五部分组成,即单片机、隔离、放大、电源及步进电机。2 硬件部分设计2.1 单片机电路 为减少成本,本系统采用8031单片机,为了便于升级,采用27256EPROM ;另外,扩展RAM
摘要 本文介绍的是在DICE-AT2型自控原理实验箱上，通过编写汇编语言实现对步进电机转速的调节以及正转—停止—反转的控制。 在试验箱上将电路搭好，打开软件，输入程序，将宏汇编程序经过汇编，连接后形成.EXE文件装入系统，运行程序观察电机转速及转向的变化。 程序运行后电机的变化跟预期相符，各项步骤运行正常。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 关键词：步进电机；汇编编程；8088cpu；计算机控制
Abstract Is introduced in this paper on the DICE - AT2 control principle experiment box, by writing assembly language implementation of the stepping motor speed regulation and control forward, stop, reverse. In test chamber, general layout is good, open software, input program, the macro assembler after assembly, connection formation. EXE file into the system, run the program to observe the changes of motor speed and steering. Program is running after the change of the motor with expectations, the various steps to run normally. Stepper motor is the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement of open loop control stepping motor. Stepper motor as the executive element, it is one of the key products of electromechanical integration, widely used in all kinds of automation control system. With the development of microelectronics and computer technology, step ? Keywords:Stepping motor; Assembler programming; 8088 CPU; The computer control
1/17 AN1495 APPLICATION NOTE 1INTRODUCTION Microstepping a stepper motor may be used to achieve one or both of two objectives; 1) increase the position resolution or 2) achieve smoother operation of the motor. In either case the basic the-ory of operation is the same. The simplified model of a stepper motor is a permanent magnet rotor and two coils on the stator separated by 90 degrees, as shown in Figure 1. In classical full step operation an equal current is delivered to each of the coils and the rotor will align itself with the resulting magnetic vector along one of the 45 degree axis. To step the motor, the current in one of the two coils is reversed and the rotor will rotate 90 degrees. The complete full step sequence is shown in figure 2. Half step drive,where the current in the coil is turned off for one step period before being turned on in the opposite direction, has been used to double the step resolution of a motor. In either full and half step drive,the motor can be positioned only at one of the 4 (8 for half step) defined positions.[4][5] Therefore,the number of steps per electrical revolution and the number of poles on the motor determine the resolution of the motor. Typical motors are designed for 1.8 degree steps (200 steps per revolution)or 7.5 degree steps (48 steps per revolution). The resolution may be doubled to 0.9 or 3.75 degrees by driving the motor in half step. Further increasing the resolution requires positioning the rotor at positions between the full step and half step positions. Figure 1. Model of stepper motor MICROSTEPPING STEPPER MOTOR DRIVE USING PEAK DETECTING CURRENT CONTROL Stepper motors are very well suited for positioning applications since they can achieve very good positional accuracy without complicated feedback loops associated with servo sys-tems. However their resolution, when driven in the conventional full or half step modes of operation, is limited by the configuration of the motor. Many designers today are seeking alternatives to increase the resolution of the stepper motor drives. This application note will discuss implementation of microstepping drives using peak detecting current control where the sense resistor is connected between the bottom of the bridge and ground. Examples show the implementation of microstepping drives with several currently available chips and chip sets. REV . 2AN1495/0604
机器人课程设计报告范例
**学校 机器人课程设计名称 院系电子信息工程系 班级10电气3 姓名谢士强 学号107301336 指导教师宋佳
目录 第一章绪论 (2) 1.1课程设计任务背景 (2) 1.2课程设计的要求 (2) 第二章硬件设计 (3) 2.1 结构设计 (3) 2.2电机驱动 (4) 2.3 传感器 (5) 2.3.1光强传感器 (5) 2.3.2光强传感器原理 (6) 2.4硬件搭建 (7) 第三章软件设计 (8) 3.1 步态设计 (8) 3.1.1步态分析： (8) 3.1.2程序逻辑图： (9) 3.2 用NorthStar设计的程序 (10) 第四章总结 (12) 第五章参考文献 (13)
第一章绪论 1.1课程设计任务背景 机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成．这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统现在机器人普遍用于工业自动化领域，如汽车制造，医疗领域，如远程协助机器人，微纳米机器人，军事领域，如单兵机器人，拆弹机器人，小型侦查机器人（也属于无人机吧），美国大狗这样的多用途负重机器人，科研勘探领域，如水下勘探机器人，地震废墟等的用于搜查的机器人，煤矿利用的机器人。如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想到的，就可以去创造实现；纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明 1.2课程设计的要求 设计一个机器人系统，该机器人可以是轮式、足式、车型、人型，也可 以是仿其他生物的，但该机器人应具备的基本功能为：能够灵活行进，能感知光源、转向光源并跟踪光源；另外还应具备一项其他功能，该功能可自选（如亮灯、按钮启动、红外接近停止等）。 具体要求如下： 1、根据功能要求进行机械构型设计，并用实训套件搭建实物。 2、基于实训套件选定满足功能要求的传感器； 3、设计追光策略及运动步态； 4、用NorthStar设计完整的机器人追光程序；
一、PID控制系统 PID是比例,积分,微分的缩写。 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数T ,T i 越小，积分作用就越强。反之T大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID 控制器。
二阶系统数学模型 二阶系统方框图如下图所示 R(s) E(s) C(s) *0 图2-2标准形式二阶系统结构图 二阶系统闭环传递函数的标准形式 _ C(s) _ R(s) (2-1) 得出自然频率（或无阻尼振荡频率） (2-2) 阻尼比 ':=^/T TK (2-3) 令式（2-1 ）的分母多项式为零，得二阶系统的特征方程 s 2 ? 2 — n …J =0 (2-4) 其两个根（闭环极点）为 (2-5) 显然，二阶系统的时间响应取决于 和二这两个参数。应当指出对于结构和功用不同 的二阶系统，?和*冷的物理含意是不同的 s i 、 2
文理学院芙蓉学院课程设计报告 课程名称：专业综合课程设计 专业班级：自动化1001班学号：40 学生：志航 指导教师：建英 完成时间： 2013年 6月13 日 报告成绩： 芙蓉学院教学工作部制
摘要 本文先介绍了混合式步进电机的结构和工作原理，分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用，论述了正弦波细分驱动可以实现等步距角、等力矩均匀细分驱动的原理，提出了一种基于H桥和其他分立元件分配脉冲的驱动技术，该方案可实现步进电机的单拍、半拍、双拍三种工作方式。本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、液晶显示电路组成，单片机是控制系统的核心。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍。 关键词：单片机；正弦脉宽调制；混合式步进电机；细分驱动
Abstract In this paper, the working principle and configuration of three-phase hybrid Stepper are introduced, then based on technologies such as stepper motor controller, PWM inverter and microcontroller. In the thesis, we develop a single chip computer -based digital controlling system for a three-phase hybrid stepper motor that is mainly constructed from a AT89C51 single chip computer and ST7920IC which is used as the core of control parts. The system's whole architecture, the design of hardware and software are introduced in detail. KEY WORDS: Microcontroller，SPWM，Hybrid stepper motor，Micro-stepping driver
华北科技学院计算机系综合性实验 实验报告 课程名称微机原理及应用 实验学期 2011 至 2012 学年第二学期学生所在系部电子信息工程学院 年级 2009 专业班级 学生姓名学号 任课教师 实验成绩 计算机系制
《微机原理及应用》课程综合性实验报告 开课实验室：计算机接口实验室2012年5月29日 实验题目微机控制步进电机调速系统 一、实验目的 1、了解计算机控制步进电机原理 2、掌握步进电机正转反转设置方法 3、掌握步进电机调速工作原理及程序控制原理 二、设备与环境 TPC-2003A 微机。 Vc++编译器。 三、实验内容 硬件接线图参考实验指导书。 软件编程在TPC-2003A自带的VC++编译环境下使用。 在通用VC++下编程，需要拷贝相关的库文件。 用汇编语言编写控制程序需注明原理。 四、实验结果及分析 1、实验步骤 1、按如下实验原理图连接线路，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。8255 CS接288H～28FH。PC0～PC3接BA～BD；PA口接逻辑电平开关。 2、编程：当K0～K6中某一开关为“1”（向上拨）时步进电机启动。K7向上拨电机正转，向下拨电机反转。 实验原理图
2.实验结果 按照实验步骤连接实验电路，检查无误后运行程序。可以看到，当开关k0到k6依次为高电平时，电机转速越来越慢，k0闭合时速度最快，k6闭合时速度最慢，当k0到k6的低位有闭合时，步进电机按最低位的转速运行，因为程序中的查询方式是从k0-k6，即在程序的优先级别中k0的级别是最高的而k7的优先级别是最低的。k7控制电机的正转与反转。 3.实验分析 （1）步进电机的工作原理： 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转。驱动 电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。 如图(b)所示：本实验使用的步进电机用直流＋5V 电压，每相电流为0.16A，电机线圈 由四相组成：即： φ1（BA） φ2（BB） Φ3（BC） Φ4（BD） 驱动方式为二相激磁方式，各线圈通电顺序如下表所示。图（b） 表中首先向φ1 线圈－φ2 线圈输入驱动电流，接着φ2－φ3，φ3－φ4，φ4－φ1，又返回到φ1－φ2，按这种顺序切换，电机轴按顺时针方向旋转。 实验可通过不同长度的延时来得到不同频率的步进电机输入脉冲，从而得到多种步进速度。
单片机实验 课程名称：步进电机表实验 授课班级：2010级自动化三班 任课教师：文远熔 计划学时：32学时 实验组员：张藤耀赵福亮王聪慧 秦菱蔚梁钦郑欢
目录 摘要………………………………………………………………………… 第一章概述…………………………………………………………………………………………. 1.1实验目的………………………………………………………………………… 1.2实验要求………………………………………………………………………… 1.3步进电机的介绍…………………………………………………………………… 1.4 研究思路………………………………………………………………………… 第二章硬件设计………………………………………………………….. 2.1 51单片机介绍…………………………………………………………………… 2.2 UIN2003A…………………………………………………………………………… 2.3 ZLG7290…………………………………………………………………………… 2.3.1 7290工作原理………………………………………………………………… 2.3.2 7290引脚图…………………………………………………………………… 第三章相关图像………………………………………………………………. 3.1 总电路图……………………………………………………………………… 3.2 7290控制数码管……………………………………………………………………… 3.3 程序流程图………………………………………………………………………… 3.3.1 控制框图………………………………………………………………………… 3.3.2 流程图………………………………………………………………………… 第四章调试………………………………………………………………………第五章心得体会…………………………………………………………………附录【一】系统程序……………………………………………………………附录【二】参考文献…………………………………………………………….
步进电机工作原理、驱动控制系统与选型 一、感应子式步进电机工作原理 （一）反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图： 2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て。 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，
电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力 F与（dФ/dθ）成正比 其磁通量Ф=Br*S ；Br为磁密；S为导磁面积； F与L*D*Br成正比；L为铁芯有效长度；D为转子直径；Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。 力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态） 因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。 （二）感应子式步进电机
步进电机驱动方式（细分）概述 众所周知，步进电机的驱动方式有整步，半步，细分驱动。三者即有区别又有联系，目前，市面上很多驱动器支持细分驱动方式。本文主要描述这三种驱动的概述。 如下图是两相步进电机的内部定子示意图，为了使电机的转子能够连续、平稳地转动，定子必须产生一个连续、平均的磁场。因为从宏观上看，电机转子始终跟随电机定子合成的磁场方向。如果定子合成的磁场变化太快，转子跟随不上，这时步进电机就出现失步现象。 既然电机转子是跟随电机定子磁场转动，而电机定子磁场的强度和方向是由定子合成电流决定且成正比。即只要控制电机的定子电流，则可以达到驱动电机的目的。下图是两相步进电机的电流合成示意图。其中Ia是由A-A`相产生，Ib是由B-B`相产生，它们两个合成后产生的电流I就是电机定子的合成电流，它可以代表电机定子产生磁场的大小和方向。 有了以上的步进电机背景描述后，对于步进电机的整步、半步、细分的三种驱动方式，都会是同一种方法，只是电流把一个圆(360°)分割的粗细程序不同。 整步驱动 对于整步驱动方式，电机是走一个整步，如对于一个步进角是3.6°的步进电机，整步驱动是每走一步是走3.6°。
下图是整步驱动方式中，电机定子的电流次序示意图： 由上图可知，整步驱动每一时刻只有一个相通电，所以这种驱动方式的驱动电路可以是很简单，程序代码也是相对容易实现，且由上图可以得到电机整步驱动相序如下： BB’→A’A→B’B→A A’→B B’ 下图是这种驱动方式的电流矢量分割图： 可见，整步驱动方式的电流矢量把一个圆平均分割成四份。 下图是整步驱动方式的A、B相的电流I vs T图： 可以看出，整步驱动描出的正弦波是粗糙的。使用这种方式驱动步进电机，低速时电机会抖动，噪声会比较大。但是，这种驱动方式无论在硬件或软件上都是相对简单，从而驱
科技大学 课程设计报告 学生：学号： 专业班级： 课程名称： 学年学期：2 0 —2 0 学年第学期 指导教师： 20 年月
课程设计成绩评定表
目录 一、设计题目………………………………………………………………. 二、设计目的………………………………………………………………. 三、设计原理及方案……………………………………………………….
四、实现方法………………………………………………………………. 五、实施结果………………………………………………………………. 六、改进意见及建议………………………………………………………. 七、设计体会………………………………………………………………. 、 一、设计题目 编程实现步进电机的控制 二、设计目的 1.了解步进电机控制的基本原理 2.掌握控制步进电机转动的编程方法 3.了解8086控制外部设备的常用电路 4.掌握8255的使用方法 三、设计原理及方案 3.1设计原理 步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换（实验中的步进电机有四相线圈，每次有二相线圈有电流，有电流的相顺序变化），来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。 利用8255对四相步进电机进行控制。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…）等。 通过编程对8255的输出进行控制，使输出按照相序表给驱动电路供电，则步进电机的输入
目录 第1章 DSP步进电机控制系统简介 (1) 1.1 TMS320LF2407 DSP简介 (1) 1.2两相步进电机结构 (2) 1.3两相步进电机的原理 (3) 1.4两相步进电机的供电方式 (3) 第2章 DSP硬件系统设计 (4) 2.1 系统总框图 (4) 2.2 各硬件介绍 (4) 2.2.1 TMS320LF2407芯片说明 (4) 2.2.2电源电路 (5) 2.2.3复位电路 (6) 2.2.5 LED电路 (7) 2.2.6 RAM (7) 2.2.7 步进电机驱动电路 (8) 2.2.8 74LS08电路 (9) 第3章软件设计 (10) 3.1 程序设计思路 (10) 3.2 程序流程图 (10) 3.3 程序设计 (11) 3.3.1 初始化程序 (11) 3.3.2 键盘扫描程序 (12) 3.3.3 中断服务程序 (13) 3.3.4 主程序 (14) 第4章编程与调试 (18) 4.1 调试步骤 (18) 4.2 调试结果 (19) 第5章致谢与总结 (20) 附录 (21) 总电路原理图 (21) 参考文献 (22)
第1章 DSP步进电机控制系统简介 1.1 TMS320LF2407 DSP简介 TMS320LF240x系列DSP是专为数字电机控制和其它控制系统而设计的。它内部不但有高性能的C2xx CPU内核，配置有高速数字信号处理的结构，且有单片电机控制的外设。TMS LF2407将数字信号处理的高速运算功能与面向电机的强大控制功能结合在一起，成为传统的多微处理器单元和多片系统的理想替代品，可用于控制功率开关转换器，可提供多电机的控制等。TMS LF2407采用诸如自适应控制、卡尔曼滤波和控制等先进的控制算法，支持多项式的高速实时算法，因而可减少力矩纹波、降低攻耗、减少振动，从而延长被控设备的寿命，TMS320LF2407采用4级流水线结构与改进的哈佛结构。片内外设及存储器资源如下: （1）双8路或单16路的10位A/D转换器，转换时间为375ns（该指标视型号而不同）。 （2）片内存储器：32K字闪存、2.5K字RAM，其中包含544字的双端口RAM(DARAM)，2K字的单端口RAM(SARAM)。 （3）41个可独立编程的多路复用I/O引脚。 （4）两个事件管理器EV A、EVB，适用于控制各种类型的电机，为工业自动化方面的应用奠定了基础。两个事件管理器EV A、EVB包含有如下资源：2个16位通用定时器；8个16位PWM通道；对外部事件进行定时捕捉的3个捕捉单元，其中2个具有直接与光电编码器输出脉冲相连接的能力；防止击穿故障的可编程PWM死区控制。 （5）串行通信接口SCI模块。 （6）串行外设接口SPI模块。 （7）带锁相环PLL的时钟模块。 （8）5个外部中断（复位、两个驱动保护中断与两个可屏蔽中断）。
目录 摘要 (1) ABSTRACT (2) 第1章绪论 (1) 1.1课题研究的目的和意义 (1) 1.2国内外研究概况 (1) (2) 第2章步进电机系统设计方案 (2) 2.1步进电机的概述 (2) 2.2步进电机的驱动方式论证 (3) 2.3 步进电机运行控制 (6) 第3章系统硬件设计 (9) 3.1主控芯片介绍 (9) 3.2驱动电路 (11) (12) 3.4显示电路设计 (12) 3.5按键设计 (13)
第4章系统软件设计 (13) 4.1主程序设计 (13) 4.2按键子程序 (15) 第5章系统仿真与调试 (15) 5.1系统的仿真 (15) 5.2系统的调试 (16) 总结 (16) 参考文献 (17) 致谢 (18) 附录 (18)
摘要 步进电机有启动快、步进精确、定位准等特点。随着现在自动化的需求，步进电机的应用已经非常广泛，在现在的自动化工厂中，起着重要的作用。 利用Proteus软件，进行电路的搭建和仿真。以单片机为核心通过连接外围电路组成控制步进电机调速的控制系统，通过方向信号，改变步进电机的旋转方向，调节频率，从而改变速度。本文通过介绍驱动电路，从中选择驱动方式，从而实现步进电机的细分驱动功能，确定步进电机的运行方式，并详细介绍了细分驱动电流的计算方法，细分能使步进电机的运行更稳定可靠，减少运行噪音。其中驱动电路的核心是以TB6560AHQ芯片搭建的电路，转速能达到五个级别的调速范围，最高转速能达到500多转。最后进行仿真，然后画出相对应的PCB板进行焊接，完成相应的实物。整个设计思路还是比较简单，操作容易，成本也比较低。 关键词：步进电机；单片机；细分驱动