基于单片机控制电梯的控制系统设计(4)

2019-05-26 20:59

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P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST:复位输入。当振荡器复位时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR-8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令时ALE才起作用。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。

/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP: 当/EA保持低电平时,则在此期间只访问外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。当/EA端保持高电平时,此间访问内部程序存储器4KB的地址范围。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。

XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。

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3.2 步进电机概述

3.2.1 步进电机

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,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。它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,从而达到调速目的。

3.2.2 步进电机的工作原理

通常电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度,转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序,电机就会反转。因此可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

3.2.3 步进电机的分类

常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)和混合式步进电机(HB)三种。 (1)永磁式步进电机

永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5?或15?。永磁式步进电机输出力矩大,动态性能好。 (2)反应式步进电机

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反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为

1.5?,但噪声和振动都很大。它的转子磁路由软磁材料制成,定子上

有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电机结构简单,生产成本低,步距角小,但动态性能差。 (3)混合式步进电机

混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点,它的步距角小,出力大,动态性能好,是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。它分为两相和五相,两相步进角一般为1.8?而五相步进角一般为0.72?。

3.2.4步进电机的特点 步进电机的特点如下:

(1)一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。 (2)步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。一般来讲,磁性材料的退磁点都在130℃以上,有的甚至高达200℃以上,所以步进电机外表温度在80-90℃完全正常。

(3)步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势,频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。

(4)步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率

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较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。

3.3 反应式步进电机

由于反应式步进电机是步进电机中应用普遍的一种,且结构简单。因此在本设计中采用四相反应式步进电机控制电梯的上下行和速度。

反应式步进电机是一种传统的步进电机,由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而转动。由定子和转子两部分组成。定子由硅钢片叠加而成,有8个等分的磁极:A、A′、B、B′、C、C′、D、D′。相对的两个磁极组成一对,共有四对。每对磁极上都绕有同一绕组,即成一相,所以有四对磁极、四个绕组,形成四相。每个磁极的内表面都分布着大小、间距相同的多个小齿。转子圆周表面也均匀分布着与定子小齿形状相似、齿间距相同的小齿,并规定相邻两齿间的夹角,即齿距角为:

?t=

360? (3-1) ZRZR:转子齿数。

则转子每步转过的空间角度(机械角度),即步距角为: ?b=N:运行的拍数。

?tN?360? (3-2) ZRN3.3.1 反应式步进电机的工作原理

反应式步进电机当某一相定子绕组通电时,其对应的磁极产生磁场,并与转子形成磁路。如果该相定子的小齿和转子的小齿没有对齐,称为错齿状态,则在磁场的作用下转子将转过一定的角度,使转子与定子的小齿

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相互对齐,称为对齿状态。对齿时,定子与转子的磁路磁阻最小,而错齿时磁阻最大。步进电机的工作就是靠磁路由较大磁阻向较小磁阻转变中转过一定角度。给处于错齿状态的一相通电,则转子在电磁力的作用下向磁阻最小的位置移动,即向对齿的状态转动,向前转过一定角度。该相转到对齿状态后,再给另一相错齿状态的定子绕组通电则转子又向前转动一定角度。由此可见,错齿的存在是步进电机能够旋转的前提。

3.3.2反应式步进电机的驱动方式

单片机的输出电流只有几mA,其驱动能力很弱,因此必须用功率放大驱动电路来驱动步进电机。步进电机与控制电路,功率放大驱动电路组成一体,便是步进电机的驱动系统。该系统包括三个部分:脉冲信号产生电路,脉冲信号分配电路,功率放大驱动电路,方框图如图3-2所示。采用单片机来控制步进电机,是一种软硬件结合的方法。用软件代替环形分配器,达到了对步进电机的最优控制。

脉冲信号发生电路脉冲信号分配电路功率放大驱动电路

图3-2 步进电机驱动系统方框图

在搜集资料时发现了很多种驱动电路,但多数都是用三极管驱动,采用这一类电路的最大特点就是结构简单,如图3-3所示的单相连接电路。如果步进电机相数多的话就会使硬件电路的连接更加的复杂,反而成了缺点。因此为了使硬件电路简单明了,常采用一些专用的驱动芯片如:ULN2003、L298等,本设计采用L298驱动芯片来驱动步进电机。

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