车辆自平衡座椅电动控制系统——软件部分_毕业设计论文(编辑修改稿)

车辆自平衡座椅电动控制系统——软件部分_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。 步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。 步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字 /角度转换器。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 6 步进电机控制原理 由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专 业设备 步进电机控制驱动器 ， 典型步进电机控制系统如图 1 所示：控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进 电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类： 一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。 另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。 功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步 进电机的目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。 四相步进电机 工作原理：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，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。 步进电机的静态指标及术语相数：产生不同队 N、 S 磁场的激磁线圈对数，常用 m表示。 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，四相电机有四相四拍运行方式即AB→BC→CD→DA→AB, 四相八拍运行方A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 a 表示。 a=360176。 （转子齿角运行拍数），四相运行时步距角为a=360176。 /(50*4)=176。 ,八拍运行时步距角为 a=360176。 /(50*8)=176。 图 是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图 电机 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 7 开始时， SB 接通电源， SA、 SC、 SD断开， B 相磁极和转子 0、 3 号齿对齐，同时，转子的 4 号齿就和 C、 D 相绕组磁极产生错齿， 5 号齿就和 D、 A 相绕组磁极产生错齿。 当开关 SC 接通电源， SB、 SA、 SD 断开时，由于 C 相绕组的磁力线和 4 号齿之间磁力线的作用，使转子转动， 4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐。 而 0、 3 号齿和 A、 B 相绕组产生错齿， 5 号齿就和 A、 D 相绕组磁极产生错齿。 依次类推， A、 B、 C、 D 四相绕组轮流供电，则转子会 沿着 A、B、 C、 D 方向转动。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。 单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。 八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 、 b、 c 所示： 图 波形 串并行控制 采用单片机对步进电机进行控制，有串行控制和并行控制两种方法。 串行控制。 具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动器之间只需两条 控制线，一条用来发出时钟脉冲串，另一条用来发出方向电平。 这两个信号都是送入步进电机驱动器的环形脉冲分配器的输入端，所以在这种控制系统中，驱动器中必须含有脉冲分配器，对电动机各相励磁的分配及转换顺序都由环形分配器来完成，见图。 由于单片机系统与驱动器之间只有两条控制线，使系统构成简单。 系统从CP 脉冲控制线按电动机旋转速度的要求发出相应周期间隔的脉冲，即可使电动机旋转。 当需要电动机恒速运行时，就发出恒定周期的脉冲串；当需要加减速运行时，就发出周期递减活周期递增的脉冲串；当需要锁定状态时，只要停止发脉冲串就 可以了。 由此可以方便地对电动机转速进行控制。 控制线可以实现对电机方向的控制，如为低电平： “ 0” 时，环形分配器按正方向进行脉冲分配，电机正向转动；而为高电平 “ 1” 时，环形分配器按反方向 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 8 进行脉冲分配，电动机反向转动。 并行控制。 用单片机系统接口的数条数据线直接去控制步进电机各相驱动线路的方法称为并行控制。 很显然，在电动机驱动器内部不包含有环形分配器，而环形分配器的功能必须由单片机系统来完成。 图 串行控制示意图 步进电机脉冲分配 目前对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲 分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等 ，本题目采用 PMM8731 脉冲分配器。 PMM8713 是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。 该器件采用DIP16 封装，适用于二相或四相步进电机。 PMM8713 在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式（ 1 相励磁， 2 相励磁 ， 12 相励磁三种励磁方式之一），每相最小的拉电流和灌电流为 20ｍＡ， 这种电路的优越性是 它不但可满足后级 功率放大器的要求，而且在所有输入端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强，其原理框图如图 所示。 在ＰＭＭ８７１３的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。 ＰＭＭ８７１３有两种脉冲输入法：双脉冲输入法和单脉冲输入法。 采用双脉冲输入法的连线方式如图 （ａ）所示，其中ＣＰ、ＣＵ两端分别输方向信号 脉冲 单片机 脉冲分配器 电源 步进电机 功率放大电路 图 PMM8713原理框图框图 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 9 入步进电机正反转的控制脉冲。 当采用单脉冲输入法时，其连线方式如图 （ｂ）所示，该图中的ＣＫ为时钟脉冲输入，步进电机的正反转方向由Ｕ／Ｄ的高、低电位决定。 片中的激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。 激励方式判断电路用于输出检测；而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序 信号。 （ a） (b) 图 PMM8731 PMM8713 的功能表 : 输入 输出 励磁方式 Φ C EA EB CU CD CK U/D CO EM Φ 1 Φ 2 Φ3 Φ 4 三相单 双励磁 0 1 1 Χ Χ Χ Χ 1 1 0 1 0 三相双励磁 0 0 0 Χ Χ Χ Χ 1 1 0 1 0 三相单励磁 0 01or10 Χ Χ Χ Χ 0 1 0 0 0 四相单 双励磁 1 1 1 Χ Χ Χ Χ 1 1 0 0 1 四相双励磁 1 0 0 Χ Χ Χ Χ 1 1 0 0 1 四相单励 1 01or10 Χ Χ Χ Χ 0 1 0 0 0 Χ ： Don’t Care。 :不定 表 PMM8713的功能表 由于我们采用四相步进电机，并且采用四相八拍工作方式，其 各相通电顺序西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 10 为 A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA→ A。 所以脉冲分配芯片 PMM8713 的 EA、EB 管脚接高电平， BA、 D 管脚接低电平， R 管脚是复位端， VCC、 GND 分别接电源和地，由于我们采用单片机输出脉冲控制步进电机，并不需要脉冲发生器，所以 CU（ UP 计时脉冲 ）、 CD（ DOWN 计时脉冲 ）都接地。 CK(计时脉冲 )、U/D(0:DOWN 1:UP)都接入单片机端口， A、 B、 C、 D 四管脚接入步进电机。 硬件电路图 图 PMM8713 硬件电路 单片机硬件原理 单片机使用 STC12C5A60S2 单片机，其兼容 8051 内核单片机，是高速、低功耗、超强干扰的新一代 8051 单片机。 其速度比普通的 8051 快 8~12 倍，具有2 路 PWM， 8 路高速 10 位 AD 转换器，方便接收传感器的模拟信号和控制小功率直流电机。 单片机功能介绍 STC12C5A60S2 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟 /机器周期 (1T)的单片机，是高速 /低功耗 /超 强 抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快 812 倍。 内部集成 MAX810 专用复位电路 ,2 路 PWM,8 路高速 10位 A/D 转换 (250K/S ，即 25 万次 /秒 ),针对电机控制， 强 干扰场合。 1. 增强型 8051 CPU， 1T，单时钟 /机器周期，指令代码完全兼容传统 8051 2. 工作电压： STC12C5A60S2 系列工作电压： （ 5V单片机） 3. 工作频率范围： 0～ 35MHz，相当于普通 8051的 0～ 420MHz 4. 用户应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字节 ...... 5. 片上集成 1280字节 RAM 6. 通用 I/O口（ 36/40/44个），复位后为：准双向口 /弱上拉（普通 8051传统 I/O口） 可设置成四种模式：准双向口 /弱上拉，强推挽 /强上拉，仅为输入 /高阻，开西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 11 漏每个 I/O口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过 120mA 7. ISP（在系统可编程） / IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专用仿真器可通过串口（ ）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 8. 有 EEPROM功能 (STC12C5A62S2/AD/PWM无内部 EEPROM) 9. 看门狗 MAX810专用复位电路（外部晶体 12M以下时，复位脚可直接 1K电阻到 地） : 在 5V单片机为 ，误差为 177。 5%, 单片机为 ，误差为 177。 3% 12. 时钟源：外部高精度晶体 /时钟，内部 R/C振荡器 (温漂为 177。 5% 到 177。 10% 以内 ) 用户 在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体 / 时钟 常温下内部 R/C 振荡器频率为： 单片机为： 11MHz ～ 17MHz ，单片机为： 8MHz ～ 12MHz 精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准 13. 共 4个 16位定时器 两个与传统 8051兼容的定时器 /计数器 ,16位定时器 T0和T1，没有定时器 2，但有独立 波特率发生器做串行通讯的波特率发生器 ,再加上 2路 PCA模块可再实现 2个 16位定时器 14. 3个时钟输出口，可由 T0的溢 出在 ，可由 T1的溢出在 输出时钟 ,独 立波特率发生器可以在 15. 外部中断 I/O口 7路 ,传统的下降沿中断或低电平触发中断 ,并新增支持上升沿中断的 PCA 模块， Power Down 模式可由外部中断唤醒，INT0/,INT1/,T0/, T1/, RxD/,CCP0/(也可通过寄存器设置到 ), CCP1/(也可通过寄存器设置到 ) 16. PWM(2路） / PCA（可编程计数器阵列 ,2路） 也可用来当 2路 D/A使用 也可用来再实现 2个定时器 也可用来再实现 2个外部中断 (上升沿中断 /下降沿中断均可分别或同时支持 ) , 10位精度 ADC，共 8路，转换速度可达 250K/S(每秒钟 25万次 ) (UART)，由于 STC12系列是高速的 8051，可再用定时器或 PCA软件 实现多串口 19. STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有 S2标志的才有双串口， RxD2/(可通过寄存器设 置到 )， TxD2/(可通过寄存器设置 到 ) 20. 工作温度范围： 40 ~ +85℃ (工业级 ) / 0 ~ 75℃ (商业级 ) ： LQFP48, LQFP44, PDIP40, PLCC44, QFN40 I/O口不够时，可用 2到 3西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 12 根普通 I/O口线外接 74HC164/165/595（均。