范文一:PLC控制电机正反转
作业名称:PLC控制电动机正反转
班级:机械2093
姓名:张 悦
学号:3092101318
2012年5月
摘要
三相异步电动机一般采用降压起动、能耗制动。针对传统的继电器一接触器
控制的降压起动、能耗制动方法存在的不足,将OMRON公司的CPM2*型可编程序控
制器(PLC)与接触器相结合,用于三相异步电动机的Y一△降压起动、能耗制动控
制,改进后的方法克服了传统方法手工操作复杂且不够可靠的缺点,控制简单易
行。
关键词:三相异步电动机;PLC控制系统;
Abstrcut
the Three-phase asynchronous motor step-down start, generally USES
the braking energy. In traditional relay a contact device control
step-down start braking energy, the shortcomings of the methods, the
company will CPM2 * type OMRON PLC and contactor, combining for
three-phase asynchronous motor step-down start a train of Y, braking
energy control, the improved method can overcome the disadvantage of
traditional method manual operation complex and not reliable enough
shortcomings, simple and easy to control.
Key words: the three-phase asynchronous motor; PLC control system
可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心,将自动控制技术、计算机技术
和通信技术融为一体而发展起来的崭新的工业自动控制装置。目前PLC已基本
替代了传统的继电器控制而广泛应用于工业控制的各个领域,PLC已跃居工业自
动化三大支柱的首位。
生产机械往往要求运动部件可以实现正反两个方向的起动,这就要求拖动电
动机能作正、反向旋转。由电机原理可知,改变电动机三相电源的相序,就能改
变电动机的转向。按下正转启动按钮SB1,电动机正转运行,且KM1,KMY接
通。2s后KMY断开,KM 接通,即完成正转启动。按下停止按钮SB2,电动
机停止运行。按下反转启动按钮SB3,电动机反转运行,且KM2,KMY接通。
2s后KMY断开,KM 接通,即完成反转启动。
设计三相异步电动机一般采用降压起动、能耗制动。针对传统的继电器一接
触器控制的降压起动、能耗制动方法存在的不足,将OMRON公司的CPM2*型可编
程序控制器(PLC)与接触器相结合,用于三相异步电动机的Y一△降压起动、能
耗制动控制,改进后的方法克服了传统方法手工操作复杂且不够可靠的缺点,控
制简单易行。
三相交流异步电动机是应用最为广泛的电气设备,但它直接起动时产生的电
流击和转矩冲击会对电网、电动机本身及其负载机械设备带来不利影响,因此常
常采用降压起动。一般有四种方式。即定子回路串电阻起动、Y一△降压起动、
自耦变压器起动和延边三角形起动,其中Y一△降压起动简单经济,使用比较普
遍。传统的Y一△降压起动采用继电器一接触器控制,但由于其操作复杂、可靠
性低等缺点,必将被PLC控制所取代。
摘要 2
前言 3
第一章 PLC概述
1.1 PLC的产生 5
1.2 PLC的定义 5
1.3 PLC的特点及应用 5
1.4 PLC的基本结构 7
第二章 硬件设计
2.1、控制要求 9
2.2、资源分配表 9
2.3、I/O接线图 9
2.4、时序图/顺序功能图/电气原理图 10
2.5、软件设计(梯形图) 11
2.6、调试过程 12
第三章 三相异步电动机控制设计
3.1 电动机可逆运行控制电路 13
3.2 启动时就星型接法30秒后转为三角形运行直到停止 反之亦然15
3.3. 三相异步电动机正反转PLC控制的梯形图、指令表 17
3.4 三相异步电动机正反转PLC控制的工作原理 18
3.5 指令的介绍 19
小 结 21
参考文献 22
第一章 PLC概述
1.1 PLC的产生
1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程序控制器,并应用于通用汽车公司的生产线上。当时叫可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller),目的是用来取代继电器,以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。紧接着,美国MODICON公司也开发出同名的控制器,1971年,日本从美国引进了这项新技术,很快研制成了日本第一台可编程控制器。1973年,西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。
随着半导体技术,尤其是微处理器和微型计算机技术的发展,到70年代中期以后,特别是进入80年代以来,PLC已广泛地使用16位甚至32位微处理器作为中央处理器,输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路,使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。这时的PLC已不仅仅是逻辑判断功能,还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能,称之为可编程序控制器(Programmable Controller)更为合适,简称为PC,但为了与个人计算机(Persona1 Computer)的简称PC相区别,一般仍将它简称为PLC(Programmable Logic Controller)。
1.2 PLC的定义
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备,都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”
可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置,自研制成功开始使用以来,它已经成为了当代工业自动化的主要支柱之一。
1.3 PLC的特点及应用
1) PLC特点
(1)编程简单,使用方便
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言,其符号与继电器电路原理图相似。有继电器电路基础的电气技术人员只要很短的时间就可以熟悉梯形图语言,并用来编制用户程序,梯形图语言形象直观,易学易懂,。
(2)控制灵活,程序可变,具有很好的柔性
可编程序控制器产品采用模块化形式,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。可编程序控制器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,硬件配置确定后,可以通过修改用户程序,不用改变硬件,方便
快速地适应工艺条件的变化,具有很好的柔性。
(3)功能强,扩充方便,性能价格比高
可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件,有很强的逻辑判断、数据处理、PID调节和数据通信功能,可以实现非常复杂的控制功能。如果元件不够,只要加上需要的扩展单元即可,扩充非常方便。与相同功能的继电器系统相比,具有很高的性能价格比。
(4)控制系统设计及施工的工作量少,维修方便
可编程序控制器的配线与其它控制系统的配线比较少得多,故可以省下大量的配线,减少大量的安装接线时间,开关柜体积缩小,节省大量的费用。可编程序控制器有较强的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。一般可用接线端子连接外部接线。可编程序控制器的故障率很低,且有完善的自诊断和显示功能,便于迅速地排除故障。
(5)可靠性高,抗干扰能力强
可编程序控制器是为现场工作设计的,采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,硬件措施如屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离、后备电池等,例如,西门子公司S7-200系列PLC内部EEPROM中,储存用户原程序和预设值在一个较长时间段(190小时),所有中间数据可以通过一个超级电容器保持,如果选配电池模块,可以确保停电后中间数据能保存200天。软件措施如故障检测、信息保护和恢复、警戒时钟,加强对程序的检测和校验。从而提高了系统抗干扰能力,平均无故障时间达到数万小时以上,可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场,可编程序控制器已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
(6)体积小、重量轻、能耗低,是“机电一体化”特有的产品。
2) PLC应用
目前,可编程序控制器已经广泛地应用在各个工业部门。随着其性能价格比的不断提高,应用范围还在不断扩大,主要有以下几个方面:
(1) 逻辑控制
可编程序控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑运算的能力,可以实现逻辑运算,用触点和电路的串、并联,代替继电器进行组合逻辑控制,定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备,也可以用于自动生产线,其应用领域最为普及,包括微电子、家电行业也有广泛的应用。
(2) 运动控制
可编程序控制器使用专用的运动控制模块,或灵活运用指令,使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。随着变频器、电动机起动器的普遍使用,可编程序控制器可以与变频器结合,运动控制功能更为强大,并广泛地用于各种机械,如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等场合。
(3) 过程控制
可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量,通过模拟量I/0模块,实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换和D/A转换,并对被控模拟量实行闭环PID(比例-积分-微分)控制。现代的大中型可编程序控制器一般都有PID闭环控制功能,此功能已经广泛地应用于工业生产、加热炉、锅炉等设备,以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。
(4) 数据处理
可编程序控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以是运算的中间参考值,也可以
通过通信功能传送到别的智能装置,或者将它们保存、打印。数据处理一般用于大型控制系统,如无人柔性制造系统,也可以用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
(5) 构建网络控制
可编程序控制器的通信包括主机与远程I/0之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备(如计算机、变频器)之间的通信。可编程序控制器与其他智能控制设备一起,可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
当然,并非所有的可编程序控制器都具有上述功能,用户应根据系统的需要选择可编程序控制器,这样既能完成控制任务,又可节省资金。
1.4 PLC的基本结构
可编程序控制器简称为PLC(Programmable Logic Controller)主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。(如下图一所示)
图一 PLC控制系统示意图
可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机,它的硬件结构与一般微机控制系统相似,甚至与之无异。可编程序控制器主要由CPU(中央处理单元)、存储器(RAM和EPROM)、输入/输出模块(简称I/O模块)、编程器和电源五大部分组成。
1) CPU模块
CPU模块又叫中央处理单元或控制器,它主要由微机处理器(CPU)和存储器组成。CPU的作用类似于人类的大脑和心脏。它采用扫描方式工作,每一次扫描要完成以下工作:
(1)输入处理:将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。
(2)程序执行:逐条读入和解释用户程序,产生相应的控制信号去控制有关的电路,完成数据的存取、传送和处理工作,并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。
(3)输出处理:将输出映像寄存器的内容送给输出模块,去控制外部负载。
2) I/O模块
I/O模块是系统的眼、耳、手、脚,是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类:一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接收开关、关电开关、压力继电器等来的开关量输入信号;另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。
可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器,可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
CPU模块的工作电压一般是5V,而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高,如直流24V和交流220V。从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件,或使可编程序控制器不能正常工作,所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。I/O模块除了传递信号外,还有电平转换与噪声隔离的作用。
3) 编程器
编程器除了用来输入和编辑程序外,还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。
编程器可以永久地连续在可编程序控制器上,将它取下来后可编程序控制器也可以运行。一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用,一台编程器可供多台可编程序控制器公用。
4)开关量I/O模块
开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。电压等级有直流5V,12V,24V,48V和交流110V,220V等。输入输出电压的允许范围很宽,如某交流220V输入模块的允许低电压为0~70V,高电压为70~256V,频率为47~63HZ。
各I/O点的通/断状态用发光二极管或其它元件显示在面板上,外部I/O接线一般接在模块的接线端子上,某些模块使用可拆除的插座型端子板,在不拆去端子的外部连线的情况下,可以迅速地更换模。开关量I/O模块可能4,8,16,32,64点。
第二章 硬件设计
2.1、控制要求
对于较大容量的交流电动机,启动是可采用Y-△降压启动。电动机开始启动是△形连接,延时一定时间后,自动切换到Y形连接运行。Y-△转换用两个接触器切换完成,由PLC输出点控制。正转时按下反转开关无反应,按下停止按钮,电动机停止转动,按下反转按钮,启动Y形连接。此时按下正转按钮系统无反应。
2.2、资源分配表
2.3、I/O接线图
SB1 SB2 FR
2.4、时序图/顺序功能图/电气原理图
2.5、软件设计(梯形图)
2.6、调试过程
首先进行编写程序,下载,然后再接线,然后在打开开关,进行调试,看是否能达到要求,如果出现问题,在检查接线问题,如果没有问题在看程序,是否正确,如果没有达到要求在进行调试,当按下按钮SB1,△形接通,5S后△接通,Y形断开,再按下SB1无反应。按下按钮SB3,Y形△形断开。按下SB2, Y型接通;再按下SB1无反应。 系统调试分几种情况:
硬件调试:接通电源,检查可编程序控制器能否正常工作,接头是否接触良好。 软件调试:按要求输入梯形图,检查后编译通过,在线工作后把程序写入可编程序控制器的程序存储区。
运行调试:在硬件调试和软件调试正确的基础上,使PLC进入运行状态,观察运行情况,看是否能够实现正反转、快速、中速、慢速、单步、定步控制。 根据以上调试情况,此电机控制系统设计符合控制要求。
通过调试找出问题的所在,相应的修改程序。在编程过程中难免会有不足之
处,因此通过调试,再修改程序可以更好实现相应的功能。例如原来我用PO1、PO2、PO3来控制电机运行的快速、中速、慢速,发现按钮不能自锁,后来通过20.00、20.01、20.02三个中间继电器,并补充了一些程序实现了自锁功能。
第三章 三相异步电动机控制设计
为了使电动机能够正转和反转,可采用两只接触器KM1、KM2换接电动机三相电源的相序,但两个接触器不能吸合,如果同时吸合将造成电源的短路事故,为了防止这种事故,在电路中应采取可靠的互锁,上图为采用按钮和接触器双重互锁的电动机正、反两方向运行的控制电路。
3.1 电动机可逆运行控制电路
图三 电动机可逆运行控制电路
线路分析如下: (1) 正向启动:
1、合上空气开关QF接通三相电源 2、按下正向启动按钮SB3,KM1通电吸合并自锁,主触头闭合接通电动机,电动机这时的相序是L1、L2、L3,即正向运行。
(2) 反向启动:
1、合上空气开关QF接通三相电源
2、按下反向启动按钮SB2,KM2通电吸合并通过辅助触点自锁,常开主触头闭合换接了电动机三相的电源相序,这时电动机的相序是L3、L2、L1,即反向运行。
(3)互锁环节:具有禁止功能在线路中起安全保护作用。
1、接触器互锁:KM1线圈回路串入KM2的常闭辅助触点,KM2线圈回路串入KM1的常闭触点。当正转接触器KM1线圈通电动作后,KM1的辅助常闭触点断开了KM2线圈回路,若使KM1得电吸合,必须先使KM2断电释放,其
辅助常闭触头复位,这就防止了KM1、KM2同时吸合造成相间短路,这一线路环节称为互锁环节。
2、按钮互锁:在电路中采用了控制按钮操作的正反传控制电路,按钮SB2、SB3都具有一对常开触点,一对常闭触点,这两个触点分别与KM1、KM2线圈回路连接。例如按钮SB2的常开触点与接触器KM2线圈串联,而常闭触点与接触器KM1线圈回路串联。按钮SB3的常开触点与接触器KM1线圈串联,而常闭触点压KM2线圈回路串联。这样当按下SB2时只能有接触器KM2的线圈可以通电而KM1断电,按下SB3时只能有接触器KM1的线圈可以通电而KM2断电,如果同时按下SB2和SB3则两只接触器线圈都不能通电。这样就起到了互锁的作用。
(4)电动机的过载保护由热继电器FR完成。
图四
电动机可逆运行控制电路的调试
1、检查主回路路的接线是否正确,为了保证两个接触器动作时能够可靠调换电动机的相序,接线时应使接触器的上口接线保持一致,在接触器的下口调相。
2、检查接线无误后,通电试验,通电试验时为防止意外,应先将电动机的接线断开。
(5)故障现象预处理;
1、不启动;原因之一,检查控制保险FU是否断路,热继电器FR接点是否用错或接触不良,SB1按钮的常闭接点是否不良。原因之二按纽互锁的接线有误。
2、起动时接触器“叭哒”就不吸了;这是因为接触器的常闭接点互锁接线有错,将互锁接点接成了自己锁自己了,起动时常闭接点是通的接触器线圈的电吸合,接触器吸合后常闭接点又断开,接触器线圈又断电释放,释放常闭接点又
接通接触器又吸合,接点又断开,所以会出现“叭哒”接触器不吸合的现象。
3、不能够自锁一抬手接触器就断开,这是因为自锁接点接线有误。
3.2启动时就星型接法30秒后转为三角形运行直到停止 反之亦然
1.用PLC实现Y-△起动的可逆运行电动机控制电路。如图1所示,其控制要求如下:
(1)按下正转按钮SB1,电动机以Y-△方式正向起动,Y形联结运行30s后转换为△形运行。按下停止按钮SB3,电动机停止运行。
(2)按下反转按钮SB2,电动机以Y-△方式反向起动,Y形联结运行30s
2.用PLC实现电动机反接制动控制电路。如图六所示,其工作原理如下: (1)按下正向起动按钮SB2,运行过程如下:中间继电器KA1线圈得电,KA1常开触点闭合并自锁,同时正向接触器KM1得电,主触点闭合,电动机正向起动;在刚起动时未达到速度继电器KV的动作转速,常开触点KS-Z未闭合,中间继电器KA3断电,KM3也处于断电状态,因而电阻R串在电路中限制起动电流;当转速升高后,速度继电器动作,常开触点KS-Z未闭合,KM3线圈得电,其主触点短接电阻R,电动机起动结束。
(2)按下停止按钮SB1,运行过程如下:中间继电器KA1线圈失电,KA1常开触点断开接触器KM3线圈电路,电阻R再次串在电动机定子电路限制电流;同时,KM1线圈失电,切断电动机三相电源;此时电动机转速仍然较高,常开触点KS-Z仍闭合,中间继电器KA3线圈也还处于得电状态,在KM1线圈失电的同时又使得KM2线圈得电,主触点将电动机电源反接,电动机反接制动,定子电路一直串联有电阻R以限制制动电流;当转速接近零时,速度继电器常开触点KS-Z断开,KA3和KM2线圈失电,制动过程结束,电动机停转。
(3)按下反向起动按钮SB3,运行过程如下:如果正处于正向运行状态,反向按钮SB3同时切断KA1和KM1线圈;然后中间继电器KA2线圈得电,KA2常开触点闭合并实现自锁,同时正向接触器KM2得电,主触点闭合,电动机反向起动;由于原来电动机处于正向运行,所以首先制动。制动结束后,反向速度在未达到速度继电器KV的动作转速时,常开触点KS-F未闭合,中间继电器KA4断电,KM3也处于断电状态,因而电阻R仍串在电路中限制起动电流;当反向转速升高后,速度继电器动作,常开触点KS-F闭合,KM3线圈得电,其主触点
图七 三相绕线感应电动机串电阻起动电路
(a)主电路(b)控制电路
3.3. 三相异步电动机正反转PLC控制的梯形图、指令表
三相异步电动机正反转PLC控制的梯形图、指令表
图八 三相异步电动机正反转PLC控制
3.4 三相异步电动机正反转PLC控制的工作原理
图1-3和图1-4a I/O接线图中,SB为停机按钮,SB1为正转启动按钮,SB2为反转启动按钮,KM1为正转控制接触器,KM2为反转控制接触器。继电控制电路的工作分析不再赘述,PLC控制的工作过程,参照其I/O接线图和梯形图,分析如下:
(1)正转启动过程
点动SB1→X2吸合→A区X2闭合→Y1吸合-→Y1输出触点闭合→KM1吸合→电动机正转→B区Y1闭合→自锁Y1→C区Y1分断→互锁Y2
(2)停机过程
点动SB→X1吸合→A区X1分断→Y1释放→各器件复位→电动机停止 反转启动与停机过程,请读者自行分析。
图1-4c的指令语句表,是用英文助记符描述梯形图中各部件的连接关系和编程指令。常用助记符指令见表1-4。
3.5 指令的介绍
注:1. 派生连接指令的xx系指连接指令的两位助记符简写;xxx系指连接
指令的两位或者三位助记符全写。
2. 基本指令语句格式:<助记符> <元件> <参数>。如 OUT T1 K50,意为驱动5s计时器T1。
3. 功能指令语句格式:<助记符> <源元件> <目标元件>。如 BCD C1 K1Y0,意为将C1中的数据转换成BCD码,传送到以Y0为首的1组4个元件中。
小结
本次作业论文能顺利完成,是因为在设计当中我得到了许多人的帮助以及查找了很多的资料。。虽然中间有着不完美,但却是我自己不断地查阅资料、思考和动手的结果。经过几天的忙碌和工作,本次作业已经接近尾声,作为一个本科学生的作业论文,由于经验的匮乏,难免有许多考虑不周全的地方,如果没有导师的督促指导,以及一起工作的同学们的支持,想要完成这个设计是难以想象的。
在完成论文的过程中充分应用到了再课堂上老师讲授的知识。我们的老师是一个非常慈祥的老人,在他的身上看到了自己亲人的身影,感到很亲切,我们班的同学好多都这样感觉的。而且老师的课很有意思,听着听着不知不觉三节课就过去了。特别是老师提问,那是一个惊心动魄呀,我们都是打起十二分的精神迎战周老师的魔咒。不过我还是比较幸运的,每次问题都回答得大差不差。最让人难受的就是老师讲着讲着课提问了,当你还在思考时不小心和老师的眼睛碰撞了,然后他就喊“那个,站起来讲一下”。我喜欢坐在前排,这样的事情发生在我身上好几次了,后来搞得我都不敢看老师了。
这个老师我们很喜欢,和蔼可亲而且只是渊博,在此祝老师身体健康长命百岁!
参考文献
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范文二:步进电机_正反转
步进电机控制
-----自动正反转
1、控制要求:
设置初始正转转速为10r /m i n ,反转转速为15r /m i n ,要求按下启动按钮后,步进电机正转4圈后,停5s ,再反转6圈,再停5s 再正转4圈,如此循环。并且可以随时可以通过触摸屏改变步进电机的转速和旋转圈数。
2、P L C I /O 分配表:
3、P L C 外部接线:
4、P L C 内部程序:
5、注意事项:
算术运算指令M U L 、D I V 运算后的结果占32位。脉冲输出指令P L S Y 在程序中只能出现一次,因此要将M 10和M 100并联输出。
Y 2是用来控制步进电机转动方向,当Y 2得电时,步进电机反转,失电时,步进电机正转。
范文三:步进电机正反转
课程设计报告
题 目 步进电动机正反转课程设计
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 邢文韬 学 号 1004103019 课程设计地点 工科楼 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
摘要:本次课程设计是对于步进电机的设计、仿真以及调试。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,也可通过控制脉冲的频率来控制电机的转速和加速度;从而达到调速的目的。
本次设计中,要求使用8086CPU 作为主控制器,通过与外部接口芯片的配合工作,以实现控制步进电机的启动、停止、正转、反转等功能。设计要求为,通过编写正确的汇编程序,并使用仿真软件PROTEUS 进行该控制系统的仿真。
关键字: 步进电机 正反转控制 8086CPU
目 录
一 、概述……………………………………………………………………………………3 二、总体设计方案及说明………………………………………………………………3 三 、系统硬件电路设计……………………………………………………………………4 1.8086的工作原理……………………………………………………………4 2.8086的引脚介绍……………………………………………………………4 3.74LS 273功能介绍…………………………………………………………5 4. 74L S 154功能表…………………………………………………………6 5.74LS244功能介绍……………………………………………………………………7 6. 输入模块工作原理………… …………………………………………………………8 7. 输出模块工作原理…………… ………………………………………………………8 8. 步进电动机工作原理简介…………………………… ………………………………9 四 、系统软件部分设计………………………………… ……………………………… 10 1.系统软件流程图………………………………………………………… …………10 2.系统源程序………………………… ………………………………………………10 五 、课程设计心得体会………………………………………………………………… 12 六 、参考文献…………………………………………………………………………… 12 附录:原理图…………………………………………………………………………… 13
一、概述
1. 设计目的:用汇编语言设计一个步进电机的控制,在Proteus 仿真环境下完成,
功能上实现步进电机的基本功能。
2.设计要求:编制完整的程序并在Proteus 仿真环境下进行调试,并能控制步进电机的启动和停止,正传和反转。撰写符合学校要求的课程设计报告,并通过老师准备的现场答辩,简述其运行流程。
3.设计认识:本次设计使我对步进电机有了更深入的了解。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或者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。
二、总体设计方案与说明
据步进电机的励磁顺序列写控制步进电机顺序转动的输出的数据表 → 初始化8255的工作方式 → 设定需要步进电机转过的步数 → 顺序依次逐个延时(调用延时函数1:延时较长,实现慢转)输出表中数据 → 设定需要步进电机快速转过的步数 → 顺序依次逐个延时(调用延时函数2:延时较短,实现快转)输出表中数据 → 设定需要反向转过的步数 → 逆序依次逐个延时(调用延时函数1,慢速)输出表中数据 → 设定需要步进电机快速反向转过的步数 → 逆序依次逐个延时(调用延时函数2,快速)输出表中数据。以此循环,则可实现让步进电机先低速正转到高速正转,再从高速正转到低速反转,再高速反转,周而复始。
三、系统硬件部分设计
1.8086的工作原理
3.1 8086最小模式模块图
1. 最小模式:只有一个8086,控制信号全由8086/8088产生。M 不太大 , I/O较少时使用 。 引脚MN/ MX 接电源即可。
最小模式配置,硬件包括: 3片74LS273,用来作为地址锁存器;1片74LS154,用来作为译码器;当系统中所连的存储器和外设较多时,需要增加数据总线的驱动能力,这时,要用两片8286/8287作为总线收发器。
2.8086引脚介绍
(1)、AD15~AD0(address data bus)地址/数据复用引脚(双向工作) 分时复用的地址/数据线。
(2)、A19/S6~A16/S3(Address/Status)输出,是分时复用的地址/状态线。用作地址线时,A19~A16与A15~A0一起构成访问存储器的20位物理地址。
(3)、BHE/ S7 (Bus High Enabale/Status)总线高字节有效信号。三态输出,低电平有效,用来表示当前高8 位数据线上的数据有效。
(4)、NMI (Non Maskable Interrupt Request)不可屏蔽中断请求信号。由外部输入,上升沿触发,不受中断允许标志的限制。
(5)、INTR (Interrupt Request)可屏蔽中断请求信号。由外部输入,电平触发,高电平有效。
(6)、RD (Read )读信号。三态输出,低电平有效,表示当前CPU 正在读存储器或IO 端口。
(7)、CLK (Clock )主时钟引脚(输入)。由8284时钟发生器输入。8286CPU 可使用的最高时钟频率随芯片型号不同而异,8086为5MHz ,8086-1为10MHz ,8086-2 为8MHz 。 (8)、RESET (reset )复位信号。由外部输入,高电平有效。
(9)、READY (ready )准备就绪信号。由外部输入,高电平有效,表示CPU 访问的存储器或IO 端口已准备好传送数据。
(10)、TEST 测试信号。由外部输入,低电平有效。CPU 执行WAIT 指令时,每隔5 个时钟周期对TEST 进行一次测试,若测试TEST 无效,则CPU 处于踏步等待状态,直到TEST 有效,CPU 才继续执行下一条指令。
(11)、MN/MX 工作模式选择信号。由外部输入,MN/MX 为高电平时,CPU 工作在最小模式;MN/MX为低电平时,CPU 工作在最大模式。
(12)、GND/VCC电源地和电源。8086CPU 只需要单一的+5V电源,由VCC 引脚输入。 (13)、INTA 中断响应信号。向外部输出,低电平有效。在中断响应周期,该信号表示CPU 响应外部发来的INTR 信号,用作读中断类型码的选通信号。
(14)、ALE 地址锁存允许信号。向外部输出,高电平有效。在最小模式系统中用作地址锁存器的片选信号。
(15)、DEN 数据允许信号,三态输出,低电平有效。 (16)、DT/R 数据发送/接收控制信号 (17)、M/IO 存储器/IO 端口访问信号。
(18)、WR 写信号。三态输出,低电平有效,表示当前CPU 正在写存储器或IO 端口。 (19)、HOLD 总线请求信号。由外部输入、高电平有效。表示有其他共享总线的处理器/控制
器向CPU 请求使用总线。
(20)、HLDA 总线请求响应信号。向外部输出,高电平有效。CPU 一旦测试到有HOLD 请求,就在当前总线周期结束后,使HLDA 有效,表示响应这一总线请求,并立即让出总线使用权。在不要求使用总线的情况下,CPU 中指令执行部件可继续工作。HOLD 变为无效后,CPU 也将HLDA 置成无效,并收回对总线的使用权,继续操作。
3.74LS273功能介绍
74LS273引脚图
74LS273是一种带清除功能的8D 触发器, 1D ~8D 为数据输入端,1Q ~8Q 为数据输出端,正脉冲触发,低电平清除,常用作数据锁存器, 地址锁存器。 D0~D7:出入;Q0~Q7:输出
第一脚WR :主清除端,低电平触发,即当为低电平时,芯片被清除,输出全为0(低电平);
CP (CLK ):触发端,上升沿触发,即当CP 从低到高电平时,D0~D7的数据通过芯片,为0时将数据锁存,D0~D7的数据不变。
4.74LS154的功能表
5.74LS244功能介绍
74LS244真值表:
L =低逻辑电平 H =高逻辑电平 X =高或低的逻辑电平 ? =高阻抗
74LS244引脚图及引脚功能: 1A1~1A4,2A1~2A4 输入端
/1G, /2G 三态允许端(低电平有效) 1Y1~1Y4,2Y1~2Y4 输出端
图
1 74244逻辑引脚功能图
6. 输入模块工作原理
输入模块原理图
假设正转时,按下SW1,A0电位被拉电,A0A1A2A3相应为0111,从而信号到输入输出模块,相应的1C2C3C4C 对应0111,则电动机的BCD 端的电平为高电平,电动机正转运行,同理,反转也是如此。
7. 输出模块工作原理图
输出模块原理图
程序扫描端口,判断有无按钮按下,然后将端口的数据传入到8086中,经过控制与处理,使输出模块的输入做出相应的变化,从而步进电动机做出相应反应。
8. 步进电动机工作原理简介
步进电动机原理图
ULN2003是一个7路反向器电路,即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平,当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平,继电器得电吸合。 功能特点:高电压输出50V
输出钳位二极管
输入兼容各种类型的逻辑电路 应用继电器驱动器
四.系统软件部分
1. 系统软件流程图:
2. 系统源程序
.MODEL SMALL
.8086
.STACK
.CODE
.STARTUP
MOV DX,0200H
MOV AL,0B3H
OUT DX,AL
AGAIN: MOV DX,0400H
IN AL,DX
TEST AL,01H
JZ CLOCKWISE
TEST AL,02H
JZ UNCLOCKWISE
JMP AGAIN
CLOCKWISE: MOV SI,0
LOP0: MOV DX,0200H
MOV AL,FFW[SI]
OUT DX,AL
CALL DELAY
MOV DX,0400H
IN AL,DX
TEST AL,02H
JZ UNCLOCKWISE
TEST AL,04H
JZ STOP
INC SI
CMP SI,8
JB LOP0
JMP CLOCKWISE
UNCLOCKWISE:MOV SI,0
LOP1: MOV DX,0200H
MOV AL,REV[SI]
OUT DX,AL
CALL DELAY
MOV DX,0400H
IN AL,DX
TEST AL,01H
JZ CLOCKWISE
TEST AL,04H
JZ STOP
INC SI
CMP SI,8
JB LOP1
JMP UNCLOCKWISE
STOP: MOV DX,0200H
MOV AL,0B3H
OUT DX,AL
JMP AGAIN
DELAY PROC NEAR
PUSH BX
PUSH CX
MOV BX,25
DEL1: MOV CX,295
DEL2: LOOP DEL2
DEC BX
JNZ DEL1
POP CX
POP BX
RET
DELAY ENDP
.DA TA
FFW DB 069H,068H,06CH,064H,066H,062H,063H,061H
REV DB 051H,053H,052H,056H,054H,05CH,058H,059H
END
五.课程设计心得体会
经过这周的课程设计, 做关于步进电机正反转控制的设计,自己认真查阅资料, 学习关于这方面的知识, 比如说要了解8086芯片中各个引脚的功能, 步进电机到底是怎样工作的,其工作原理是什么。在理论学习的基础上, 又下了一次苦工夫, 算是明白了设计一个系统的过程; 也让我体会到要想成功地设计某个东西, 光学好专业知识是不够的, 必须要系统的知识, 无论在哪方面都要有个明白的概念, 只有这样才不至于在设计过程中摸不着头脑, 也要知道哪些是需要查找的资料,这样做起设计来才会节省更多的时间。而且在设计中,把死板的课本知识变得生动有趣,激发了学习的积极性。把学过的计算机编译原理的知识强化,能够把课堂上学的知识通过自己设计的程序表示出来,加深了对理论知识的理解。以前对与计算机操作系统的认识是模糊的,概念上的,现在通过自己动手做实验,从实践上认识了操作系统是如何处理命令的,如何协调计算机内部各个部件运行,对计算机编译原理的认识更加深刻。
六、参考文献
[1]李大友. 微型计算机原理. 北京:清华大学出版社,2002.
[2] 周明德. 微型计算机系统原理及应用(第四版). 北京:清华大学出版社,2002
[3] 李顺增,吴国东,赵河明,乔志伟. 微机原理及接口技术. 北京:机械工业出版社,2006
附录:
范文四:步进电机正反转
步进电机控制设计
摘要
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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(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。结合对步进电机的了解, 然后对步进电机的控制原理包括步进电机的控制方式和驱动方式作了系统的说明, 采用8051单片机来控制步进电机, 并给出了步进电机的双相三拍控制单片机控制和三相六拍的单片机控制的具体实现方法,用汇编程序进行控制运行。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。
电机的控制系统由AT80C51单片机控制,具有抗干扰能力强,可靠性高而且系统扩展容易等优势。本次课程设计中着重于通过控制脉冲数来控制位移,实现准确定位。基于步进电机本身的优越性和应用的广泛性,这正是用单片机控制步进电机课程设计的实际意义。
关键字:步进电机 ,角位移, 单片机 ,脉冲
目 录
1 课题描述.................................................................................................................... 1
2总体实现原理............................................................................................................. 1
3 步进电机原理及硬件设计........................................................................................ 2
3.1 单片机电路...................................................................................................... 2
3.1.1 AT89C51单片机的组成结构 ................................................................ 2
3.1.2 AT89C51单片机的引脚及功能 ............................................................ 4
3.2步进电机........................................................................................................... 6
3.2.1 步进电机的工作原理............................................................................ 6
3.2.2控制原理................................................................................................. 7
3.2.3步进电机的驱动方式............................................................................. 8
3.2.4最小系统................................................................................................. 9
3.3输入显示部分................................................................................................. 10
3.4 电源................................................................................................................ 10
4 软件程序设计.......................................................................................................... 11
4.1 主程序的设计................................................................................................ 11
4.2 定时中断设计................................................................................................ 12
4.3 外部中断设计................................................................................................ 13
4.4 系统软件程序................................................................................................. 14
总结.............................................................................................................................. 19
致谢.............................................................................................................................. 20
参考文献...................................................................................................................... 21
1 课题描述
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的,此种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是,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。由单片机控制的步进电机克服了以上缺点。它具有很高的精度,一般用在精确定位方面。
步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件,具有快速起动和停止的特点。其驱动速度和指令脉冲能严格同步,具有较高的重复定位精度,并能实现正反转和平滑速度调节。它的运行速度和步距不受电源电压的波动及负载的影响,因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。常见的步进电机分三种:永磁式(PM)、反应式(VR)、混合式(HB),永磁式步进一般分为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家早已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度,这种步进机应用最为广泛。目前使用单片机控制,单片机为微控制器的下位机和以计算机为上位机的步进电机控制系统,用软件代替步进控制器, 使得线路简单, 成本低, 可靠性大大增加, 灵活改变步进电机的控制方案, 无需逻辑电路组成时序发生器,软件编程可灵活产生步进电机励磁序列来控制步进电机的运行方式。用此方式设计步进电机控制系统顺应了目前国内外控制系统微机化发展的趋势,充分利用了单片机的优点,使得通用性得到了提高。伴随不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。
2总体实现原理
步进电机的系统总体框图如图1,在系统中采用AT89C51单片机产生A 、B 、
C 、D 四相信号(更具实际需要,可以扩充更多相信好)。当采用单片机控制时,需要在单片机和步进电机之间设置隔离电路以使强弱分开。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5部分 组成,即:输入显示部分;AT89C51 单片机;直流电压和步进电机。
图1 系统总体框图
3 步进电机原理及硬件设计
3.1 单片机电路
本系统采用A89C51单片机产生控制信号单片机内部的内存即可满足要求。如需要扩展较多的外部RAM 和ROM 可加上数据缓冲器。步进电机控制信号通过AT89C51单片机其中一个口进行扩充。为了增加步进电机工作的灵活性,在启动步进电机工作之后,当有键按下,设置产生外部中断,达到灵活控制电机的目的。下面介绍一下AT89C51单片机。
3.1.1 AT89C51单片机的组成结构
AT89C51单片机内部硬件结构框图如图2所示。它由一个8位中央处理器(CPU )、一个256B 片内RAM 及4KBFlashROM 、21个特殊功能寄存器、4个
8为并行I/O口以及中断系统等部分组成,各功能部件通过片内单一总线连成一个整体,集成在一块芯片上。
(1) CPU
CPU 是单片机的核心部分,CPU 包括两个基本部分:运算器和控制器。 ①运算器
运算器即算术逻辑单元ALU, 是进行算术或逻辑运算的部件。可实现算术运算和逻辑运算。操作的结果一般送回累加器ACC ,而其状态信息送至程序状态寄存器PSW 。
②控制器
控制器是用来控制计算机工作的部件。控制器接收来自存储器的指令,使各部件协调工作,完成指令所规定的操作。
时钟源外部事件
外部中断P0P1P2P3RXD TXD
图2 A T89C51单片机内部结构示意图
(2)内部存储器
①内部数据存储器
AT89C51芯片内共有256B (地址为00H-FFH )的数据存储器,其中高128B (地址为:80H-FFH )被专用寄存器占用,能作为寄存器供用户使用的只是低128B(地址为:00H-7FH), 用于存放可读写的数据,如程序执行过程中的变量。
②内部程序存储器
AT89C51共有(地址为:0000H-0FFFH )的flash 程序存储器,用于存放程序、原始数据或表格常数。
(3)定时/计数器
AT89C51共有两个16位的定时/计数器都可以设置成计数方式,用于对外部事件进行计数;也可设置成定时方式,并可以根据计数或定时的结果实现对单片机运行的控制。
(4)并行I/O口
用于进行单片机内外的传输,4个8位的I/O口(P0、P1、P2、P3)。每个8位的口,既可用作输入口,也可用作输出口,每个口即可以8位同步读写,又可对每一位进行单独的操作。标准I/O口的主要功能相当于一个8位锁存器,能存储一个字节的二进制数据,以保持与之相连接的8条口线各自电位的高低状态。
3.1.2 AT89C51单片机的引脚及功能
AT89C51共有40个引脚,下面介绍一下它们的主要功能。
(1)P0口
P0口某一位的结构图如图3所示,一个输出锁存器、两个三态缓冲器、一
图3 P0口的结构示意图
个转换开关MUX 、一个输出驱动电路(T1和T2)和一个与门及一个非门组成。
(2)P1,P2,P3口
P1口是唯一的单功能口,位结构图如图4所示,仅能作为通用I/O口使用,P1口是8位准双向口,作通用输入/输出口使用, Pl 口有别于P0口,它接有内部上拉电阻。P1口的每以一位可以独立地定义为输人或者输出,因此,
P1口既可作为8位并行输入/输出口,又可作为8位输入/输出端。CPU 既可以对P1口进行字节操作,又可以进行位操作。当作输入方式时,该位的锁存器必须顶写1。
P2口是8位准双向输入/输出接口,当外接程序存储据时,P2口给出地址的高8位,此时不能用作通用,I /O 口。当外按数据存储器时,若RAM 小于256KB ,用R0、R1作间址寄存器,只需要P0口送出地址低8位,P2口可以用
图4 P1口的位结构图
作通用I /O ;若RAM 大于256KB ,必须用16位寄存器DPTR 作间址寄存器.则P2口只能在一定限度内作一股I /O 口使用。
P3口是多功能口,同P0口一样,当做输入口时,必须先向锁存器写“1”,使场效应管T 截止。
(3)主电源引脚GND 和Vcc
GND(20):接地;Vcc(40):正常操作时接十5V 电源
(4)外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
当外接晶体振荡器时,XTAL1和XTAL2分别接在外接晶体两端,当采用外部时钟方式时,XTAL1接地,XTAL2接外来振荡信号。
(5)控制引脚
RST/Vpp(9):当振荡器正常运行时,在此引脚上出现二个机器周期以上的高电平使单片机复位。Vcc 掉电期间,此引脚可接备用电源,以保持内部RAM 的数据。当Vcc 下降掉到低于规定的水平,而VPD 在其规定的电压范围内,VPD 就向内部RAM 提供备用电源。
ALE(30):当访问外部存储器时,由单片机的P2口送出地址的高8位,P0口送出地址的低8位,数据也是通过P0口传送。作为P0口某时选出的信息到底是低8位地址还是传送的数据,需要有一信号同步地进行分别。当ALE 信号(允
许地址锁存) 为高电平(有效) .P0口送出低8位地址,通过ALE 信号锁存低8位地址。
PSEN(29):程序存储器读选通信号,低电平有效。
EA /Vpp(31):当EA 保持高电平时,访问内部程序存储器(4K8),但当PC(程序计数器) 值超过OFFFH 时,将自动转向执行外部程序存储器内的程序当EA 保持低电平时,则只访问外部程序存储器(从0000H 地址开始) ,不管单片机内部是否有程序存储器。
3.2 步进电机
3.2.1 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。它将脉冲信号转变成角位移,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。步进电机的驱动电路根据控制信号工作,控制信号由单片机产生。
设计中采用了 20BY-0 型步进电机,该电机为四相步进电机,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,就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时,对应的磁极产生磁场,并与转子形成磁路,这时,如果定子和转子的小齿没有对齐,在磁场的作用下,由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点,则转子将转动一定的角度,使转子与定子的齿相互对齐。 其中步进电机的静态指标及术语如下。
(1) 相数:产生不同队N 、S 磁场的激磁线圈对数,常用 m 表示。
(2)拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲用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 。
(3)步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ 表示。
(4)定位转矩:电机在不通电的状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿的谐波以及机械误差造成的 )。
(5)静转矩:电机在额定静态作业下,电机不做旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比,与定子和转子间的气隙有关。
3.2.2 控制原理
根据系统的控制要求,控制输入部分设置了启动控制,换向控制,加速控制和减速控制按钮,分别是K1、K2、S2、S3,控制电路如图 5 所示。通过 K1、K2 状态变化来实现电机的启动和换向功能。当 K1、K2 的状态变化时,内部程序检测P1.0 和 P1.1 的状态来调用相应的启动和换向程序,发现系统的电机的启动和正反转控制。
图5 控制电路原理图
根据步进电机的工作原理可以知道,步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率,从而控制电机的转速。对于单片机而言,主要的方法有:软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的,该电路控制电机加速度主要是通过S2、S3 的断开和闭合,从而控制外部中断根据按键次数,改变速度值存储区中的数据(该数据为定时器的中断次数),这样就改变了步进电机的输出脉冲频率,从而改变了电机的转速。
3.2.3 步进电机的驱动方式
步进电机常用的驱动方式是全电压驱动,即在电机移步与锁步时都加载额定电压。为了防止电机过流及改善驱动特性,需加限流电阻。由于步进电机锁步时,限流电阻要消耗掉大量的功率,故限流电阻要有较大的功率容量,并且开关管也
要有较高的负载能力。
图6 步进电机驱动电路
通过 ULN2803 构成比较多的驱动电路,电路图如图6所示。通过单片机的 P1.0-P1.3 输出脉冲到ULN2803 的 1B-4B 口,经信号放大后从 1C-4C 口分别输出到电机的A 、B 、C 、D 相。
步进电机的另一种驱动方式是高低压驱动,即在电机移步时,加额定或超过额定值的电压,以便在较大的电流驱动下,使电机快速移步;而在锁步时,则加低于额定值的电压,只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样,既可以减少限流电阻的功率消耗,又可以提高电机的运行速度,但这种驱动方式的电路要复杂一些。驱动脉冲的分配可以使用硬件方法,即用脉冲分配器实现。
3.2.4 最小系统
单片机最小系统或者称为最小应用系统,即用最少的元件组成的单片机可以工作的系统,对单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、复位电路、晶振电路。
复位电路:使用了独立式键盘,单片机的 P1 口键盘的接口。该设计要求只需4 个键对步进电机的状态进行控制,但考虑到对控制功能的扩展,使用了6路独立式键盘。复位电路采用手动复位,所谓手动复位,是指通过接通一按钮开关,使单片机进入复位状态,晶振电路用 30PF 的电容和一 12M 晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。如图7所示。
图7 复位及时钟振荡电路
晶振电路:89C51 单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到:内部震荡方式和外部中断方式。在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外部接晶振电路器(简称晶振)或陶瓷晶振器,就构成了内部晶振方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图7所示。其电容值一般在 5-30pf, 晶振频率的典型值为 12MHz, 采用6MHz 的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定,实用电路实用较多。
3.3 输入显示部分
本系统是基于提高智能机灵活性而设计的,对于步进电机的频率、步数、位置和停止等通过键盘输入相应指令,由单片机输出步进电机控制信号来实现控制,用数码管显示输入的参数并在工作时动态显示剩下的步数。
显然,要显示一个字型就应该使此字型的相应发光二极管点亮,实际上就是送一个不同电平的组合代表的数据到数码管。在该步进电机的控制器中,电机可以正反转,可以加速、减速,其中电机转速的等级分为七级,为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级,这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。在显示电路中,主要是利用了单片机的 P0 口和 P2 口。采用两个共阳数码管作显示。显示电路如图8所示。
图8 显示电路
第一个数码管接的 a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 分别接 P0.0~P0.7 口,用于显示电机正反转状态,正转时显示“1” ,反转时显示“一”,不转时显示“0”。第二个数码管的 a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 分别接 P2.0~P2.7口,用于显示电机的转速级别,共七级,即从 1~7 转速依次递增,“0”表示转速为零。 3.4 电源
系统中包含弱电和强电两部分,需要提供两种电源电压。这里采用集成稳压器CW7805和输出电压可变的LM317来分别提供5V 和1.25V-37V 电压,两电压不共地。其中一路给单片机供电,另一路给步进电机供电。
将各部分合在一起总体电路如图9所示
图9 总体电路
4 软件程序设计
在步进电机系统中,相应的控制信号由单片机来产生,根据需要通过键盘输入电机的转动方向、转动速率和转动步数,在工作使用数码管来动态显示剩下的步数。所以,软件部分由4大模块组成: 主程序部分、定时器中断部分、外部中断 0 和外部中断1 部分,其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测,若启动开关合上则系统开始工作,反之系统停止工作;定时器部分控制脉冲频率,它决定了步进电机转速的快慢;两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。
4.1 主程序的设计
主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多,该系统中,需要初
始化定时器、外部中断;对 P1 口送初值以决定脉冲分配方式,速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度,对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。若初始化 P1=11H、速度和方向初始值均设为 0,就意味着步进电机按相单四拍运行,系统上电后在没有操作的情况下,步进电机不旋转,方向值显示“0”, 速度值显示“0”,主程序流程图如图10所示
图10 主程序流程图
4.2 定时中断设计
步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流,步进电机才会旋转,时间间隔越短,速度就越快。在这个系统中,这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的,即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数,因而在定时器中断程序中,要做的工作主要是判断电机的运行方向发下一个脉冲,以及保存当前的各种状态。程序流程图如图11所示。
图11 定时中断程序流程
4.3 外部中断设计
外部中断所要完成的工作是根据按键次数,改变速度值存储区中的数据(该数据为定时器的中断次数),这样就改变了步进电机的输出脉冲频率,也就是改变了电机的转速。速度增加按钮 S2 为 INT0 中断,其程序流程为原数据,当值等于7 时,不改变原数值返回,小于 7 时,数据加 1 后返回;速度减少按钮 S3,当原数据不为 0,减 1 保存数据,原数据为 0 则保持不变。程序流程图如图 12所示。
图12 外部中断程序流程图
4.4 系统软件程序
SPEED EQU 10H ;SPEED 为转速等级标志,共 7 级,即1-7
FX EQU 11H ;FX 为方向标志 COUNT EQU 12H ;COUNT 中断次数标志 ORG 0000H AJMP MAIN
ORG 0003H ; 外部中断0入口地址,加速子程序 AJMP UP
ORG 0013H ; 外部中断1入口地址,减速子程序 AJMP DOWN
ORG 000BH ; 定时器0 中断入口地址,控制中断次数来达到控制转速 AJMP ZDT0
ORG 0030H MAIN: MOV SP,#60H
MOV TMOD,#01H ; 工作于定时、软件置位启动!模式 1(16 位计时器) MOV TH0,#0CFH MOV TL0,#2CH MOV COUNT,#01H
SETB ET0 ; 定时/计数器允许中断
CLR IT0 ;外部中断为电平触发方式,低电平有效 CLR IT1
SETB EX0 ;外部允许中断 SETB EX1
SETB EA ; 开总中断
MOV R1,#11H ; 四相单四拍运行,共阳数码管方向显示 8,速度值显示 0 MOV SPEED,#00H MOV FX,#00H XIANS: MOV A,SPEED MOV DPTR,#LED
MOVC A,@A+DPTR ; 查表获取等级对应数码管代码 MOV P2,A ; 第二个数码管显示转速等级 MOV A,FX ; 准备判断转向 CJNE A,#11H,ELS
MOV P0, #0F9H ; 第一个数码管显示 1,表示正转 AJMP QD
ELS: CJNE A,#00H,ZHENG
MOV P0,#0C0H ; 第一个数码管显示 0,表示不转 AJMP QD
ZHENG: MOV P0,#0BFH ; 第一个数码管显示-,表示反转 QD: JB P3.4,DD ;P3.4 接启动开关 K1,P3.4=1 时启动 CLR TR0 ; 停止定时/计数器
MOV P0,#0C0H ;第一个数码管显示 0,表示不转 MOV P2,#0C0H ;第二个数码管显示 0,表示转速为 0
MOV SPEED,#00H ; 重新赋初值 MOV FX,#00H AJMP QD DD: MOV A,SPEED
JNZ GO ;A 不等于 0,即初始速度不为零,则转移到 GO CLR TR0 ; 停止定时/计数器 AJMP QD
GO: SETB TR0 ; 开启定时/计数器 ACALL DELAY AJMP XIANS
DELAY: MOV R6,#10 ; 延时子程序 DEL1: MOV R7,#250
HERE1: DJNZ R7, HERE1 DJNZ R6,DEL1 RET
; 以下 ZDT0为定时器中断程序 ZDT0: PUSH ACC PUSH DPH PUSH DPL MOV TH0,#0D8H MOV TL0,#0F0H DJNZ COUNT,EXIT
JB P3.5,NIZHUAN ; 查询方向标志,P3.5 接换向开关 K2 MOV FX,#11H NIZHUAN:MOV A,FX
CJNE A,#11H,FZ ; 若 A 不等于 11,即正转,则转移到 FZ MOV A,R1 ;R1 记录上一次电机脉冲状态 MOV P1,A
RR A ; 循环右一位 MOV R1,A MOV P1,A AJMP RE
FZ: MOV A,R1 MOV P1,A
RL A ; 循环左移一位 MOV P1,A MOV R1,A RE: MOV A,SPEED MOV DPTR,#TAB MOVC A,@A+DPTR
MOV COUNT,A ; 把转速级别赋给 COUNT
JB P3.5 ,FFX ; P3.5 接换向开关 K2, 即换向位,若 P3.5=1,则跳到 FFX MOV FX,#11H AJMP EXIT
FFX: MOV FX,#0FEH ; 只要 FX 不等于 11H, 就可以通过循环左移或右移进行换向 EXIT: POP DPL POP DPH POP ACC RETI
; 以下 UP 为加速中断程序 UP: PUSH ACC
ACALL DELAY ; 延时防抖动
JB P3.2,UPEX ;P3.2 为外部中断 0 位,接增速开关 S2,低电平有效,若 P3.2=1,则退出 MOV A,SPEED
CJNE A,#7,SZ ; 最大等级为 7,若 A 不等于 7,则转移到SZ AJMP UPEX ; 若A=7,则退出 SZ: INC SPEED ;SPEED= SPEED+1 UPEX: POP ACC
HERE2: JNB P3.2,HERE2 ; 本条指令为防止开关 S2 按下去后弹不起,导致一直产生中断 RETI
以下 DOWN 为减速中断程序
DOWN: PUSH ACC ACALL DELAY
JB P3.3,DEX ; P3.3 为外部中断 1 位,接减速开关 S3,低电平有效,若 P3.3=1,则退出 MOV A,SPEED CJNE A,#0,SJ AJMP DEX
SJ: DEC SPEED ;SPEED= SPEED-1 DEX: POP ACC
HERE3: JNB P3.3,HERE3 RETI
TAB: DB 0,60,40,35,30,28,25,21;
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
LED: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,98H END
总结
本设计通过分析步进电机结构、工作原理,查阅步进电机控制系统的相关科技文献,遵循实用、简单、可靠和低成本的原则,设计了一种既可用于精度要求不高,但控制需完备的场合。对本次设计,采用单片机为控制核心,利用其强大的功能,把键盘和显示电路有机的结合起来,组成一个操作方便、交互性强的控制系统。采用键盘电路和显示电路采用了动态扫描技术,节约了单片机资源。 系统软件采用结构化设计,具有易维护性,根据用户新的要求,对软件系统进行少量的修改,使系统功能得到一定程度的提高。
使用单片机以软件方式驱动步进电机,不但可以通过编程方法,在一定范围内自由设定步进电机的转速、往返转动的角度以及转动次数等,而且还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态,以满足不同用户的要求。因此,常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配) 使用软件方法,即用单片机实现,这样既简化了电路,也降低了成本。
这次的课程设计更注重于对我们所学的综合知识的运用,同时培养我们运用所学着知识来发现问题、提出和解决问题的能力。这次的硬件设计中主要运用了AT89C51单片机,通过查阅资料了解更多关于单片机的知识和功能,进一步巩固了所学的单片机课程。特别是对程序的编写更加巩固了汇编语言的编程方法。回顾此次单片机课程设计,从选题到确定任务书,在接近两个星期的日子里,可以说是苦多于甜,但是我确实从中学到很多实用的东西,设计中自由的发散不仅巩固了以前所学过的知识,更重要的是通过查资料请教老师同学等各种学习途径掌握了许多书本上所没有学到过的知识,尤其是用PROTEL 画原理图,可以说在这短短的半个月时间里获益匪浅。
致谢
在这次步进电机的设计中,使我对单片机有了更深的了解,单片机的种类多,而型号杂,也是学习中的困难。单片机编程是用汇编语言进行编程,也就需要我们对电路的分析,然后总结,查阅相关资料才能变成好的程序,编程讲究的是多动手写,自己写,用自己的思路,在这次的编程中再一次复习了单片机编程的特点和用法。
在这次单片机应用系统设计中遇到到很大的困难,主要原因是平时的知识掌握的不够,通过查阅很多资料和类似的论文,才做成的。以前都没有做过单片机设计,一开始都不知道如何下手,多亏了李老师之前的讲解并举例加以说明。在设计过程中,李老师所传授给我们的设计理念和思想起了很重要的作用。由于时间的仓促,经验的少,知识的局限,设计有一定的不足之处。这次的设计中,用到了PROTEL 的画图方法,由于自己之前对这方面的知识的欠缺,不能灵活的运用其画图,不过在同学的帮助下了解了关于它的一些知识和用法,并完成了原理图的设计,再次对帮助过我的老师和同学表示忠诚的感谢。
参考文献
[1] 张鑫, 华臻, 陈书谦 . 《单片机原理及应用》 电子工业出版社 2005.8
[2] 梅丽凤 , 王艳秋 , 张军 . 《单片机原理及接口技术》 清华大学出版社2004.6
[3] 胡汉才.单片机原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社,1995.6.
[4] 楼然苗等.51系列单片机设计实例[M].北京:北京航空航天出版社,2003.3.
[5] 何立民. 单片机高级教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.
[6] 张迎新,等. 单片机微型计算机原理、应用及接口技术[M].修订版. 北京:·国防工业出版社,2004.
[7] 丁志刚,李刚民. 单片微型计算机原理与应用[M].北京:电子工业出版社,1990.
[8] 孙传友,等. 测控电路及装置[M].北京:北京航天航空大学出版社,2000.
[9]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.
[10]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
范文五:220电机正反转
单相电机的倒顺开关正反转接线图及原理
2014-01-30 | LM0318 |
单相电机的倒顺开关接线及原理有不少电工对单相电机的接线搞不清。我先对单相电机的正反转原理讲一下。单机电机里面有二组线圈,一组是运转线圈(主线圈) ,一组是启动线圈(副线圈) ,大多的电机的启动线圈并不是只启动后就不用了,而是一直工作在电路中的。启动线圈电阻比运转线圈电阻大些,量下就知了。启动的线圈串了电容器的。也就是串了电容器的启动线圈与运转线圈并联,再接到220V 电压上,这就是电机的接法。当这个串了电容器的启动线圈与运转线圈并联时,并联的二对接线头的头尾决定了正反转的。比起三相电动机的顺逆转控制,单相电动机要困难得多,一是因为单相电动机有启动电容、运行电容、离心开关等辅助装置,结构复杂;二是因为单相电动机运行绕组和启动绕组不一样,不能互为代用,增加了接线的难度,弄错就可能烧毁电动机。
有接线盒的单相电动机内部接线图上图, 是双电容单相电动机接线盒上的接线图,图上清晰的反映了电动机主绕组、副绕组和电容的接线位置,你只需要按图接进电源线,用连接片连接Z2和U2,UI 和VI ,电动机顺转,用连接片连接Z2和U1,U2和VI ,电动机逆转。单相电动机各个元件也好鉴别,电容都是装在外面,用肉眼就可以看清楚接线位置(如上图)启动电容接在V2—Z1位置,运行电容接在V1—Z1间,从里面引出的线也好鉴别,接在(如上图)UI —U2位置的是运行绕组,接在Z1—Z2位置的是启动绕组、接在
V1—V2位置的是离心开关。用万用表也容易区分6根线,阻值最大的是启动绕组,阻值比较小的运行绕组,阻值为零的是离心开关。如果运行绕组和启动绕组阻值一样大,说明这两个绕组是完全相同的,可以互为代用。单相电动机的绕组两端和电容两端不分极性,任意接都可以,但启动绕组和运行绕组不能接反,启动电容和运行电容不能接反,否则容易烧启动绕组
加TA 为好友 发表于:2012-09-06 10:18:36 2楼单相电机电容接线图220V 交流单相电机起动方式大概分一下几种:第一种,分相起动式,如图1所示,系由辅助起动绕组来辅助启动,其起动转矩不大。运转速率大致保持定值。主要应用于电风扇, 空调风扇电动机,洗衣机等电机。第二种,电机静止时离心开关是接通的,给电后起动电容参与起动工作,当转子转速达到额定值的70%至80%时离心开关便会自动跳开,起动电容完成任务,并被断开。起动绕组不参与运行工作,而电动机以运行绕组线圈继续动作,如图2。第三种,电机静止时离心开关是接通的,给电后起动电容参与起动工作,当转子转速达到额定值的70%至80%时离心开关便会自动跳开,起动电容完成任务,并被断开。而运行电容串接到起动绕组参与运行工作。这种接法一般用在空气压缩机,切割机,木工机床等负载大而不稳定的地方。如图3。838电子带有离心开关的电机,如果电机不能在很短时间内启动成功,那么绕组线圈将会很快烧毁。电容值:双值电容电机,起动电容容量大,运行电容容量小,耐压一般都大于400V 。838电子正反转控制:图4是带正反转开关的接线图,通常这种电机的起动绕组与运行绕组的电阻值是一样的,就是说电机的起动绕组与运行绕组是线径与线圈数完全一致的。一般洗衣机用得到这种电机。这种正反转控制方法简单,不用复杂的转换开关。图1,图2,图3,图5 正反转控制,只需将1-2线对调或3-4线对调即
可完成逆转。对于图1,图2,图3,的起动与运行绕组的判断,通常起动绕组比运行绕组直流电阻大很多,用万用表可测出。一般运行绕组直流电阻为几欧姆,而起动绕组的直流电阻为十几欧姆到几十欧姆。以后我们会陆续告诉大家倒顺开关实物的接线图图1 电容运转型接线电路
图2 电容起动型接线电路
图3 电容启动运转型接线电路(双值电容器)
图4 开关控制正反转接线
图5 双值电容异步电动机倒顺接线图
图6是实际的开关与电机连接图, 这个倒顺开关如应用在三相电动机不需任何改动,如做单相电机换向用则稍做改动,红色, 兰色线接入电源, 黑色线是起动绕组线圈引出线, 白色线运行绕组线圈引出线, 左面一根灰色线是后接入的跨接线,正反转倒换就是靠开关自带的交叉连片来换向的,这种开关不足之处就是开关关闭后仍有一根线没有关闭,因此在安全上没有一定保障。
加TA 为好友 发表于:2012-09-06 11:37:48 6楼回复内容:对:王者之师-帝国时代关于单相电机电容接线图 220V交流单相电机起动方式大概分一下几种:第一种,分相起动式,如图1所示,系由辅助起动绕组来辅助启动,其起动转矩不大。运转速率大致保持定值。主要应用于电风扇, 空调风扇电动机,洗衣机等电机。第二种,电机静止时离心开关是接通的,给电后起动电容参与起动工作,当转子转速达到额定值的70%至80%时离心开关便会自动跳开,起动电容完成任务,并被断开。起动绕组不参与运行工作,而电动机以运行绕组线圈继续动作,如图2。第三种,电机静止时离心开关是接通的,给电后起动电容参与起动工作,当转子转速达到额定值的70%至80%时离心开关便会自动跳开,起动电容完成任务,并被断开。而运行电容串接到起动绕组参与运行工作。这种接法一般用在空气压缩机,切割机,木工机床等负载大而不稳定的地方。如图3。838电子带有离心开关的电机,如果电机不能在很短时间内启动成功,那么绕组线圈将会很快烧毁。电容值:双值电容电机,起动电容容量大,运行电容容量小,耐压一般都大于400V 。838电子正反转控制:图4是带正反转开关的接线图,通常这种电机的起动绕组与运行绕组的电阻值是一样
的,就是说电机的起动绕组与运行绕组是线径与线圈数完全一致的。一般洗衣机用得到这种电机。这种正反转控制方法简单,不用复杂的转换开关。图1,图2,图3,图5 正反转控制,只需将1-2线对调或3-4线对调即可完成逆转。对于图1,图2,图3,的起动与运行绕组的判断,通常起动绕组比运行绕组直流电阻大很多,用万用表可测出。一般运行绕组直流电阻为几欧姆,而起动绕组的直流电阻为十几欧姆到几十欧姆。以后我们会陆续告诉大家倒顺开关实物的接线图 图1 电容运转型接线电路 图2 电容起动型接线电路 图3 电容启动运转型接线电路(双值电容器) 图4 开关控制正反转接线 图5 双值电容异步电动机倒顺接线图图6是实际的开关与电机连接图, 这个倒顺开关如应用在三相电动机不需任何改动,如做单相电机换向用则稍做改动,红色, 兰色线接入电源, 黑色线是起动绕组线圈引出线, 白色线运行绕组线圈引出线, 左面一根灰色线是后接入的跨接线,正反转倒换就是靠开关自带的交叉连片来换向的,这种开关不足之处就是开关关闭后仍有一根线没有关闭,因此在安全上没有一定保障。 内容的回复:图先另存为,然后单击插入图片,直接复制粘贴不行的。我这也是刚接触到一个双电容的单相电机,所以才跟大家分享下!
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