基于ARM处理器的步进电机闭环控制系统设计开题报告

 2022-02-21 19:47:00

1. 研究目的与意义

1．本课题研究的背景、目的及意义

一、研究背景

数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为（Numerical Control System），根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。

步进电机是数字控制系统的一种执行元件，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或者直线位移，给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，其带动的工作平台就会移动相应的距离，步进电机区别于其他控制电机的最大特点就是他是通过脉冲信号来进行控制的，因此也非常适合单片机控制。步进电机作为控制执行元件，是机电一体化的关键之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。在机床设备中也应用广泛，尤其是对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。随着微电子和计算机技术的发展，单片机为步进电机展现了广阔的应用前景，步进电机的需求量也与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机的主要优点之一就是适于开环控制，在开环控制下，步进电机受具有一定时间间隔的脉冲序列所控制，控制系统中无需反馈传感器，这种线路具有简单、费用低的特点，是步进电机的开环控制系统得以广泛应用。但是，步进电机的开环控制无法避免步进电机本身所固有的缺点，就是失步，震荡等，定位精度相对比较低，如果想要精确地控制机床的位移，就必须用闭环控制来实现。

现在一般都是用8位的51单片机来实现步进电机的移动，51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。随着科技的发展，现在16位，32位的单片机都发展起来了，本课题采用32位的ARM Cortex-M3处理器，具有高性能和超低功耗的特性。

本课题可用NXP公司的LPC1752 ARM系列单片机。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用，它可提供系统增强型特性，例如现代化调试特性和支持更高级别的块集成。CPU操作频率可达100Hz，并包含一个支持8个区的储存器保护单元，功能强大。

二、研究目的及意义

步进电机具有仅有周期性误差、精度高、能够改变脉冲频率达到调速和正反转控制等特点，在自动化控制中得到广泛的应用，配合微电子及计算机的发展，尤其是数控系统对步进电机的需求日益增加，全世界都在大力发展这一技术。

步进电机在数控机床中的应用非常广泛，数控机床是一种有程序控制系统的自动化机床，如何精确控制也成了关键所在。

本课题也没有用常见的8位51单片机，而是采用更强大的32位处理器，处理数据能力更加强大。

本设计通过Nxp公司的LPC1752 ARM系列的单片机及外围芯片设计硬件电路，使用单片机C语言设计应用程序，采用闭环控制系统，实现机床的精确移动定位。利用驱动电路，信号采集电路，光栅尺的检测测量作为反馈来控制步进电机的工作，实现闭环精确控制，可以精确到2微米。整个系统通过AK100系列仿真器，在自制的电路板上仿真实现各功能设置，操作简单，易于掌握，对于提高工业精密定位技术有着重要的现实意义。

步进电机闭环控制系统控制机床二维移动具有调速稳定，精度高，功能多，适应性强等特点，定位准确，运行效果良好，具有较好的实用价值。

最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角更小。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。所以本次设计初步选用两相式混合电机。

随着科技的进步，自动控制技术、计算机网络通信技术日益发展，在众多领域中的应用与发展也日益增多，而且步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用，并且其控制系统也随之发展，步进电机在数控机床中扮演的角色将会越来越重要。

2. 研究内容和预期目标

2．本课题主要研究内容和预期目标

本课题突出的是步进电机的闭环控制，而闭环控制的方法很多，比如编码器形式的步进电机闭环控制系统，波形检测形式的步进电机闭环控制系统，利用电流检测的步进电机闭环控制系统，利用反电势检测的步进电机闭环控制系统等。本课题使用的是基于光栅尺反馈的步进电机闭环控制系统。

光栅尺一般用作直线位移或者角位移的检测，通过光栅尺及其上的参考点确定一个以光栅尺参考点为原点，光栅测量值为坐标的光栅坐标系，将平移台的位置反映在坐标系上从而进行位移控制，误差小于2微米，适合高精度控制。

主要研究内容

1.LPC1752 ARM系列单片机及外围芯片设计硬件电路

2.单片机C语言设计应用程序

3.AK100仿真器的调试、使用

4.步进电机工作的基本结构和驱动电路原理

5.光栅尺的测量原理和信号采集电路的基本原理

6.整个电路图的绘制、安装和调试

预期目标

1.对单片机有初步了解，学习掌握单片机外围硬件电路的设计及相应实际应用功能的程序设计。

2.学习了C语言程序设计基础及步进电机工作的基本结构和驱动电路原理，能编写步进电机的控制程序。

3.了解光栅尺的测量原理后，利用C语言编写正交编码信号采集程序。

4.整个电路图的绘制采用CAD软件绘制，能熟悉这款目前搞设计最重要的软件的使用过程，为了更好的适应将来的工作。

5.能够实现闭环精确地控制步进电机移动定位。

6.通过这次实践，能够掌握电子产品设计的一般过程，提高了我们学生综合应用专业基础理论知识的能力，为将来走上工作岗位奠定了良好的基础。

3. 研究的方法与步骤

3．本课题拟采用的研究方法、步骤

1、采用文献研究法，通过网络资源和学校图书馆，查找与本课题有关的文献资料。学习掌握ARM Cortex-M3处理器的基本原理。掌握步进电机工作的基本结构，学习其驱动电路基本原理。学习掌握光栅尺的测量原理，学习信号采集电路的基本原理。

2、掌握单片机C语言及程序设计一般方法，学习AK100系列仿真器的配置及软件环境的使用。

3、采用实验法，把各个部分相结合，绘制电路原理，安装、调试部分硬件电路并试验其功能。

4、当各部分功能正常时，就采用实证研究法，编制步进电机加减速控制闭环快速准确地移动定位、简单的人机接口和中断处理等应用程序，运行整个电路，看效果是不是达到了预期的效果，平移台是否精确地移动到了它该到的地方，以实现步进电机闭环运动控制的基本功能。

4. 参考文献

4．本课题主要参考文献

[1] 周立功. 深入浅出Cortex-M3—LPC175X(上册)[J]. 广州致远电子有限公司，2010

[2] 周立功. 深入浅出Cortex-M3—LPC175X(下册)[J]. 广州致远电子有限公司，2010

[3] 王为青. 程国钢；单片机Keil Cx51应用开发技术[M]. 人民邮电出版社，2006

[4] 肖金球. 单片机原理与接口技术[M]. 清华大学出版社，2004

[5] 何立民. 单片机高级教程应用与设计[J]. 北京：北京航空航天大学，2002

[6] 高继坤等. 运算放大器应用电路的分析[M].北京：北京理工大学出版社，1989

[7] 李远文. 胡筠编著. 有源滤波器设计[M].北京:人民邮电出版社,1986

[8] 坂本正文 著，王自强译. 步进电机应用技术[M]. 北京：科学出版社

[9] 刘宝廷等. 步进电动机及其驱动控制系统[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997

[10] 数控位置伺服系统控制策略研究[J]. 张礼兵,游有鹏,吴婷. 中国机械工程. 2012(14)

[11] 位置/电流两环结构位置伺服系统的跟随性能[J]. 滕福林,胡育文,刘洋,储剑波. 电工技术学报. 2009(10)

[12] 现代数控机床[M]. 机械工业出版社 , 毕承恩等编著, 1991

[13] 《数控电火花加工》课程改革的探索[J]. 程春红,沈耀明. 职业技术教育. 2011(29)

[14] 电火花打孔加工系统[J]. 卢万欣. 长春光学精密机械学院学报. 1998(03)

5. 计划与进度安排

5．本课题的具体进度安排（包括序号、起迄日期、工作内容）

1、2022年3月5日～3月9日 检查毕业实习内容、实习日志、调研及查阅文献情况。

2、2022年3月12日～3月23日 熟悉LPC1752系列单片机内部结构及其程序语言。

3、2022年3月26日～4月6日 了解产品的电路及相关IC的使用；学习光栅尺的测量原理，绘制原理图，调试相关硬件。

4、2022年4月9日～4月27日 学习AK100仿真器的使用；编制显示等接口程序。

5、2022年4月30日～5月18日 编制中断处理、步进电机驱动输出等功能程序。

6、2022年5月21日～5月25日编写步进电机加、减调速控制程序。

7、2022年5月28日～6月8日 总体调试；撰写毕业答辩报告

剩余内容已隐藏，您需要先支付 10元 才能查看该篇文章全部内容！立即支付

发小红书推广免费获取该资料资格。点击链接进入获取推广文案即可： Ai一键组稿 | 降AI率 | 降重复率 | 论文一键排版

您可能感兴趣的文章