直流电机调速系统仿真研究毕业设计论文

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1、中文摘要和关键字摘要：我这次毕业设计的题目是:步进电机准确定位的实现。众所周知，软件的设计离不硬件这个平台，所有的设计都要围绕已有的硬件条件进行。我们的控制系统的核心是步进电机。步进电机作为一种数字伺服执行元件.具有结构简单，运行可靠，控制方便，控制性能好等优点，因此在数控机床，机器人，自动化仪表等领域有着日益广泛的应用。对于那些以低廉的开发本钱，快速的开发过程，简单的系统维护为主目的，而对系统的运算速度要求不高的工程工程，独立式运动控制系统是最理想的选择。为了使步进电机在转速和负载变化的情况下不失步地运行，并保持最快响应速度，需要对其进行动态升降速控制。 在我的设计中，采用8051单片机作为

2、上位机，发出一系列的脉冲来控制步进电机的升降速。至于发出什么样的脉冲信号以实现特定的功能，取决于上位机的软件设计。作为上位机的设计者，上位机的软件实现是我最重要的工作。关键字：步进电机 自动升降速 单片机 控制系统 英文摘要和和关键字Abstract: The topic of this course design of me is : Achievement of accurate fixed position by stepper motor driving. As we known ,none of software design can deviate from the roof ga

3、rden of hardware. As a digital servo execution element, stepping motor is reliable,easy to be controlled and being of simple structure and excellentperformance. It has been widely used in NC machine tools, robots，automation instruments and other fields. Independency motion controllermight be the bes

4、t choice for those projects, which should be economic,quick to be developed, and of easy maintenance while they dont haveto be of high operation speed .In order not to lose a step under a varying speed and a varying load，adynamic speed control is needed to get the fastest response. As the designer ,

5、to accomplish the sorfeware is my most important mission .I adapt Microconcroller as the controller to control the electric pusle sigals,realized the stepper-motor speed controlling .Keyword: stepper-motor Microconcroller Control system第一章 绪论1.1 问题的提出 前言步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，具有精度高、惯性小、工作可靠、能实现高精度快速开环

6、和闭环控制，是一种性能良好的数字化执行元件。随着数字技术和计算机的迅速开展，步进电机广泛应用于伺服控制，在经济型数控系统中步进电机应用广泛，使用步进电机在开环控制数控系统在高速运行前必须有一逐步升速的过程，否那么步进电机将会失步:临到终点前必须有一个减速过程，否那么会造成过冲，使定位不准。然而 ，在实际应用过程中，它的运行性能受电机本身结构参数、驱动电路、所带负载以及控制脉冲等影响，特别是控制脉冲的质量影响步进电机的效率、精度及误差，假设在升速过程中，脉冲频率(即步进电机的换相频率)的变化不合理，轻那么使步进电机失步且升速时间延长，重那么输出力矩达不到设计指标，并且远远达不到电机设计的高频性能

7、，特别是在一些要求快速响应的场合要求步进电机在最短的时间内作出最快的反响这就要求步进电机够快速启停，在短时间内速度到达最大;而后又要使步进电机的速度在短时间内降为零;同时又要满足不失步而能够精确定位。因此使步进电机在应用过程中能够到达快速定位，运行步数准确。对于那些以低廉的开发本钱、快速的开发过程、简单的系统维护为主要设计目的，而对系统的人机界面和运算速度要求不高的工程工程，独立式运动控制系统是最理想的选择之一。另外 一些应用范围包括那些需要自主运动控制子系统的分布式系统。通过把独立式控制器集成于一个分布式应用系统中可以简化点到点之间的配线，避免在每一个控制点都需要一台单独的主机。在有些场合如

8、艰苦环境下的野外作业，模块化设计等，都需要一个有牢固机箱的控制器，独立式运动控制器也是理想的选择。独立式控制器的应用十分广泛在使用步进电机和数字伺服电机的运动控制系统中，都可以使用它作为核心控制单元，典型的应用领域包括:数控机床、X-Y-Z(或X-Y)控制台、机器人、绘图仪、打印机、雕刻机、印刷机、包装机械、纺织机械、打标机、绕线机、医疗设备等.步进电机失步原因在步进电机运行过程中，电机失步有两种原因:1. 转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，也就是低于换相速度而产生的。这是因为输入电机的电能缺乏，在步进电机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转从而引起失步，并且但凡比这时频率高的工

9、作频率都必将失步。2. 转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度。这时定子通电鼓励的时间较长，大于转子步进一步所需要的时间，那么转子在步进的过程中获得过多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡，当振荡足够严重时就会导致失步。所以要使步进电机快速地到达所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的转矩，但又不能超过这个转矩.1.2 论文目的与任务步进电机的升降速控制已经不在是一个新的课题。但是目前其实际应用还远非完善。通常步进电机的升降速控制是为了防止步进电机转速突然变化时发生失步和过冲。要做到这一点，只要不使步进电机的加速度超过其临

10、界失步点即可。然而步进电机的临界失步加速度是随着运行频率和负载而变化的。如何根据具体的应用环境(步进电机的类型、运行状态、负载的特性等)确定最正确的升降速曲线;如何在负载变化的情况下及时调整升降速的控制，就成为步进电机动态控制的研究内容。步进电机是开环控制，易过冲或失步，采用S型加减速曲线，可实现步进电机准确定位。而我设计的主要目的和任务是：掌握步进电机工作原理，了解步进电机失步和过冲的产生；失步和过冲对位置控制系统定位的影响；了解加减速曲线在位置控制系统中的作用，掌握在数字离散系统中加减速曲线的实现；采用S加减速曲线，保证步进电机平滑运动，实现准确定位。第二章 步进电机及微机控制2. 1 概

11、述步进电机是一种用电脉冲控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机，它可以看作是一种特殊运行方式的同步电动机，是由专用的电源供应电脉冲，每输入一个脉冲，步进电机就移近一步，所以称为步进电机。又因其绕组上所加电压是脉冲电压，也称为脉冲电机。步进电机是脉冲信号控制的，因此它适合于作为数字控制系统的伺服元件。它的直线位移量或角位移量与脉冲数成正比，所以步进电机的线速度或转速也于脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的上下就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速起动，制动和反转.步进电机中有些形式在停止供电状态下还有定位转矩，有些在停机后某些相绕组仍保持通电状态，也具有自锁能力，不需要机械

12、的制动装置。近年来 ， 步进电机己广泛地应用于数字控制系统中，例如数控机床，绘图机，计算机外围设备等。相应地，其研制工作进展迅速，电机性能也有较大提高。步进电机具有无累积定位误差，适于数字计算机控制，机械结构简单，很少或无需维护，可重复地堵转而不会损坏等优越性，但步进电机也具有效率较低的缺点，并且需要配上适当的驱动电源。一般说来，它带负载惯量的能力不强，在使用时既要注意负载转矩大小，又要注意负载转动惯量的大小，只有两者选择在适宜的范围内时，电机才能获得满意的运行性能。此外，共振和振荡也常常是运行中出现的问题。2.2步进电机的结构和工作原理步进电机的分类步进电机可分为三类：1.反响式步进电动机反

13、响式步进电动机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，本钱低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。2.永磁式步进电动机永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个线圈。它的输出转矩大，动态性能好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。3.混合式步进电动机混合式步进电动机综合了反响式和永磁式两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好，步距角小，但结构复杂，本钱较高。由于反响式步进电机的性能价格比比拟高，因此这种步进电机应用的非常广泛，在单片机系统中尤其是运动控制系统中大量使用。这里以这种步进电机为例，介绍步进电机的原理和控制方法。 反响式步进电机的结构下列图是

14、一个三相反响式步进电机结构图。从图中可以看出它分成转子和定子两个局部。定子是由硅钢片叠成的。定子上有6个磁极(大极)，每两个相对的磁极组成一对，共有三对。每对磁极都缠有同一绕组，也即形成一相，这样3对磁极有三个绕组，形成三相。可以得出，四相步进电机有四对磁极、4相绕组:五相步进电动机有5对磁极、5相绕组;依此类推。每个磁极的内外表都分布着多个小齿，它们的大小相同，间距相同。转子由软磁材料制成的，其外外表都分布着多个小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同，形状相似。由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，它们的齿距角都可以由下式来计算:=2/Z 其中Z转子的齿数。反响式步进电动机运动的动

15、力来自于电磁力。在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率(或者最小磁阻)的位置，并处于平衡状态。对三相步进电动机来说，当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置。我们把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿;把定子小齿与转子不对齐的状态称为错齿。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提条件，所以，在步进电机的结构中必须保证有错齿的存在，也就是说，当某一相处于对齿状态时，其他相必须处于错齿状态. 步进电机的工作原理如果给处于错齿状态的相通电，那么转子在电磁力的作用下，将向磁导最大的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电动机就是基于一原理转动的。三相反响式步进电机的工作原理如下

16、：当A相控制绕组通电时，故将使转子齿1, 3和定子极A-A对齐，当A相断电，B相绕组通电时.那么转子将在空间转过 30，即步距角=30，当A相此时转2, 4和定子极B-B对齐。如再有B相断电，C相通电时，转子又在空间转过30，此时将使转子1, 3和定子极C-C对齐。如此循环往复，并按A B- C 顺序通电，步进电机按一定的方向转动。步进电机的转速取决于控制绕组电源接通或断开的变化频率。假设按A-C-B 的方向通电，那么步进电机反向转动,这种方式称为三相单三拍。 三相步进电机还经常工作于单、双六拍通电方式，这时通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A或A-AC-C-CB-B-BA-A，也就是

17、A相控制绕组通电;以后A B相组同时通电,然后断开A相控制绕组，由B相控制绕组单独通电;再使B, C相控制绕组同时通电;依此进行。采用这种通电方式时，定子三相控制绕组通过六次切换通电状态才能完成一个循环，其步距角为15 除此两种通电方式之外还有双三拍通电方式，即按AB-BC-CA-AB移的通电顺序，或按AC-CB-BA-AC的通电顺序进行。这时每个通电状态均为个控制绕组同时通电，其步距角为s=30。步进电机的步距角s的大小是由转子的齿数Zr、控制绕组的相数m和通电方式所决定的，它们之间存在以下关系:=360/ ( m* Zr* c)式中 c 为 通电状态系数，当采用单拍或双拍方式时，c=1;而

18、采用单、双拍方式时c=2。假设步进电机通电的脉冲频率为f，即每秒的拍数或每秒的步数为f.那么步进电机的转速为n=60*fl (m*Zr*c)，式中f的单位是赫兹;n的单位是转/分。步进电机除三相外，也可以做成二相、四相、五相、六相或更多相数，但相数和转子齿数越多，那么步距角就越小，这样步进电机在脉冲频率一定时转速也越低。另外电机相数越多，相应电源越复杂，造价越高，所以步进电机一般多为六相，只有个别电机才做成更多相数的。2.3步进电机的主要参数和性能指标 主要参数1.额定电压Ue它是指加在步进电机各相绕组主回路的直流电压。2.额定电流Ie在额定电压作用下，电机静止不动，按规定的运行方式通电，通电

19、相的晶体管处于饱和导通状态，环形分配器不工作，各通电相的稳定电流值即为额定电流值。3.转子转动惯量Jp空载时使电机产生单位角加速度时所需要的转矩即为转子的转动惯量。主要性能指标1.矩角特性步进电机静转矩和失调角的关系称为矩角特性，如图2-1所示。静转矩是指步进电机转子静止时，控制绕组通以直流电流，由失调角的存在而引起的电磁转矩。失调角是定转子齿中心线间的夹角。2.最大静转矩 Mmax Mmax -180 180 0 0 I 图2-1 矩角特性 图2-2 最大静转矩特性最大静转矩即矩角特性上最大电磁转矩值，它的值取决于绕组内电流及通电相数。在不改变通电状态情况下，改变励磁绕组的电流大小，可得到一

20、条最大静转矩随电流变化的曲线，叫最大静转矩特性。如图(2-2)所示。3.启动频率与连续运行频率步进电机启动频率是指它在一定负载转矩下能够不失步地启动的脉冲最高频率。它又可分为空载和负载两种情况。步进电机在启动后，当控制脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高频率称为该电机的连续运行频率。步进电机的连续运行频率要比启动频率高的多.4.启动矩频特性与运行矩频特性步进电机在负载转动惯量及其它条件不变的情况下，启动频率和最大输出转矩的关系称为启动频率特性。随着脉冲频率的提高，脉冲时间间隔减小，由于电路时间常数的影响，控制绕组中的电流来不及升至稳态值。频率越高，电流上升到达的数值就越小，因而使电磁转矩下降

21、。此外，又因随着脉冲频率上升，转子转矩升高，在控制绕组中产生附加感应电势，并在该电路中形成附加电流，使电机受到电磁阻尼转矩的作用，这样，脉冲频率越高，电机的电磁转矩越小，致使连续运行时的矩频特性为一条下降的曲线。2.4步进电机的单片机控制步进电机的驱动电路根据控制信号工作。在步进电机的单片。在步进电机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。其根本控制作用如下:1) 控制换相顺序；2) 控制步进电机的转向；3) 控制步进电机的速度；如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转得越快。因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速。调整步进电机发出

22、脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。 脉冲分配实现脉冲分配(也就是通电换相控制)的方法有两种:软件法和硬件法。软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲。软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPU时间，可能使单片机无法进行其他工作，所以，人们更喜欢用硬件法。通过硬件实现脉冲分配所谓硬件法实际上是脉冲分配芯片，来进行通电换相控制。由于采用了脉冲分配器，单片机只需要提供步进脉冲，进行速度控制和转向控制，脉冲分配的工作交给脉冲分配器来自动完成。因此，CPU的负担减轻许多。2.4.2 步进电机的运行控制步进电机的运行控制涉及到

23、位置控制和加减速控制。1.步进电机的位置控制步进电机的位置控制，指的是控制步进电机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。步进电机的位置控制是步进电机的一大优点，它可以不用借助位置传感器而只需要简单的开环控制就能到达足够的位置精度，因此应用很广。步进电机的位置控制需要两个参数。第一个参数是步进电机控制的执行机构当前的位置参数，我们称为绝对位置。绝对位置是有极限的，其极限是执行机构运动的范围，超过了这个极限就应报警。第二个参数是从当前位置移动到目标位置的距离，我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电机的步数。这个参数是外界通过键盘或可调电位器旋转输入的，所以折算的工作应该在键盘程序或A/

24、D转换程序中完成。对步进电机位置控制的一般作法是:步进电机每走一步，步数减1，如果没有失步存在，当执行机构到达目标位置时，步数正好减到。因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位，作为步进电机停止运行的信号。绝对位置参数可作为人机对话的显示参数，或作为其他控制目的的重要参数(例如下面作为越界报警参数)，因此也必须要给出。它与步进电机的转向有关，当步进电机正转时，步进电机每走一步，绝对位置加1;当步进电机反转时，绝对位置随每次步进减1。2.步进电机的加减速控制步进电机驱动执行机构从A点到B点移动时，要经历升速、恒速和减速过程。如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率，步进电机

25、要发生失步现象，因此会造成不能正常启动。如果到终点时突然停下来，由于惯性作用，步进电机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。所以，对步进电机的加减速有严格的要求，那就是保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度(或最短的时间)移动到指定的位置。为了满足加减速要求，步进电机运行通常按照加/减速曲线进行。加减速运行曲线没有一个固定的模式，一般根据经验和实验得。2.4.3 8051单片机简介单片机是大规模集成电路技术开展的产物，属第四代电子计算机。单片机是把中央处理器CPU(Central Processing Unit)、随机存取存储器RAM (Random Access Memo

26、ry)、只读存储器ROM(Read Only Memory)、定时器/计数器以及I/O(Input/Output)接口电路等主要计算机部件集成在-块集成电路芯片上的微型计算机。MCS-51是美国Intel公司的八位单片机系列，是在MCS-48系列根底上开展而成的。在MCS-51系列里，有多种机型。我采用的是8051作为数控主机，因此这里只介绍MCU-8051单片机。8051单片机内部包含了作为微型计算机所必需的根本功能部件，各功能部件相互独立而融为一体，集成在同一块芯片上。8051内部结构如下列图所示。如果把图中ROM这局部电路移走，那么它和8031的内部结构相同，它的功能部件可划分为CPU、

27、存储器、I/O端口、定时器/计数器和中断系统等五局部。 图2-3 8051单片机的内部结构框图2.4.3 单片机的特点用MCU-51单片计算机可以构成功能强、本钱低的步进电机控制器。MCU-51系列单片机有如下突出的特性：1.集成度高。8051单片机为40脚封装，内部有4k字节的ROM，128字节的RAM四个八位的并行口，一个全双工的串行口，2个16位的定时器/计数器，一个功能很强的中央处理CPU以及内部晶体振动电路。2.系统结构简单。一片MCU-51可构成一个小型的控制系统。该芯片扩充能力强，3.具有对64k外部程序存储器和内部存储器的寻址能力。两个单片机还可以进行通讯，可以构成双CPU系统

28、。因此一般系统要求都可以满足。4.可靠性高。MCU-51大局部总线在芯片内部不易受干扰，系统简单，体积小，容易采取屏蔽措施，因此有较高的可靠性。5.处理功能强，速度高。MCU-51单片机具有丰富的指令系统。它的CPU时钟高达12MHz，机器周期只有1s，多数的指令周期为一个机器周期或两个机器周期，所以运算速度快，可使系统有较强的功能和较高的响应。6.容易产品化。由于芯片有体积小，功能强，可靠性高，价格低的优点，是控制器设计者的较好的选择。2.4.4 单片机的工作方式单片机工作方式是进行系统设计的根底，也是单片机应用工作者必须熟悉的问题。8051单片机的工作方式包括:复位方式和程序执行方式。1复

29、位方式单片机在开机都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机复位后，其片内各存放器状态如下表2-1所示： 存放器名存放器初值存放器名存放器初值PC0000HTL000HACC00HTH100HB00HTL100HPSM00HSBUF不定SP07HTMOD00HDPTR0000HSCON00HP0-P3FFFFHPCON0XXXXXXXBIPXXX00000BIE0XX00000BTCON00HTH000H表2-1 单片机复位后各存放器的状态2. 程序执行方式程序执行方式是单片机的根本工作方式，通常可以分为单步执行和连续执行两种工作方式

30、。(1)单步执行方式是指单片机在控制面板上某个按钮控制下一条一条执行用户程序中指令的方式 ，即按一次单步执行键就执布于一条用户指令的方式。单步执行方式常常用于用户程序的调试。(2)连续执行方式是所有单片机都需要的一种工作方式，被执行程序可以放在片内或片外ROM中 ，由于单片机复位后租字计数器PC=0000H,因此机器在加电或 按钮复位后总是到OOOOH处执程序，这就可以预先在OOOOH处放一条转移指令 ，以便跳转至口OOOOH-FFFFH中的任何地方执行指令。第三章 系统的总体设计方案和硬件接线3.1 系统的总体设计用单片机控制步进电机显然是个开环控制系统，这种控制系统中，步进电机的位移量或转

31、角直接反映指令的输入脉冲数，实现跟踪驱动。单片机控制步进电机的结构框图如下：单 片机驱动系统步进电机负载图3-1 单片机控制步进电机系统框图3.1.1 单片机的功能 我们采用8051单片机作为脉冲信号源，根据具体的运行要求，编写相应的控制程序，由它来控制发出各种数字脉冲，再经过后续的一系列转换和驱动装置，实现对步进电机的控制。因此，单片机主要完成实时监控和发出指令，产生数字脉冲等工作。3.1.2 驱动系统组成与设计 步进电机的驱动器由环形分配器，细分电路，驱动电路等组成的控制系统，其方框图如下： 环行分配器细分电路步进 电动机 驱动电路图3-2 驱动系统的结构1. 环行脉冲分配器要使步进电动机

32、正常工作，必须按照该种电动机的励磁状态转换表所规定的状态和顺序依次对各种绕组进行通电或断电的控制。各相驱动信号来源于环行分配器。环行分配器的主要功能是把来源于控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电动机驱动器的各相输入端，控制励磁绕组的导通或截止。同时。由于电动机有正反转要求，所以这种环行分配器的输出是周期性的，又是可逆的。因此，环行分配器是一种特殊的可逆循环计数器，只是这种计数器的输出不是一般的编码，而是电动机励磁状态要求的特殊编码。步进电动机驱动系统中，控制器与驱动器之间的联接分串行控制和并行控制两种。串行控制时，控制器输出时钟脉冲串和方向电平，靠驱动器中的环行分配器转换成并行驱动信号

33、，去控制各相绕组的导通或截止。这里时钟脉冲的有无决定运转的方向。并行控制时，控制器直接输出各相绕组导通或截止的信号，此时的环行分配器设在控制器中，除了单纯用软件来代替环行分配器的功能外，不管是串行控制还是并行控制，整个系统中都必须有环行分配器这个环节。接受时钟串脉冲和方向电平，输出各相的导通信号，是环行分配器的根本功能，有些分配器还有一些附加功能，主要是：使能输入，零状态输出，清零输入，方式输入。除此之外，环行分配器还应具有教强的抗干扰能力，不允许有非法状态输出。非法状态输出不仅会引起误动作，还会引起驱动器的故障。环行分配器分硬件和软件两种。硬件环行分配器有较好响应速度和直观维护方便的特点。软

34、件环行分配器那么是采用计算机软件利用查表或计算方法来进行脉冲的环行分配，简称软环分。但硬件方法结构复杂,本钱也较高。2. 细分电路上述提到的步进电机的各种功率放大电路都是安装环行分配器决定的分配方式，控制电机各相绕组的导通或截止，从而使电机产生步进运动，步距角的大小只有两种，即整步工作或半步工作。步距角已由步进电机结构所决定。如果要求步进电机有更小的步距角或者为减小电机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定的一局部，那么电机转子的每步运动也只有步距角的一局部。这里绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成

35、多少个台阶，那么转子就以同样的个数转过一个步距角。这样将一个步距角分成假设干步的电路称为细分电路。细分驱动特点是：(1) 在不改动电机结构的情况下，能使步距角减小。但是细分后的步距角精度不高，功率放大驱动电路也相应复杂；(2) 能使步进电机运行稳定，提高匀速性，并能减弱或消除振荡。为了产生细分后的相电流变化波形，可采用两种功率放大器：一种是线性功率放大器。该电路为电流负反响功率放大器，由微步脉冲分配器输出数字信号经D/A转换器转换为模拟电压控制，适用于低速运行和精度定位的步进电动机控制。另一种为开关型细分电路。它被设计成开关工作状态，类似于恒流斩波电路，通过调节输入参考电平来控制相绕组电流的大

36、小。3. 驱动电路从计算机输出口或从环行分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电动机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至几十安培，从而驱动步进电动机运转。由于电机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以电感较大，绕组通电时，电流上升率受到限制，因而影响电机绕组电流的大小。绕组断电时，电感中磁场的储能元件将维持绕组中已有的电流不能突变，在绕组断电时会产生反电动势，为使电流尽快衰减，并释放反电动势，必须增加适当的续流回路。步进电机所使用的功率放大电路有电压型和电流型。电压型又单、双电压型上下压型。电流型中有恒流驱动、斩波驱动等。在这里我们就对于反响式步进电动机而言比

37、拟常用的单电压驱动方式和上下电压驱动方式进行介绍。（1） 单电压驱动方式如下图为一相控制绕组驱动电路的原理图。当有控制脉冲信号输入时，功率管V导通，控制绕组中有电流流过；否那么，功率管V关断，控制绕组中没有电流流过。为了减小控制绕组电路的时间常数，提高步进电动机的动态转矩，改善运行性能，在控制绕组中串联电阻Rf1，同时也起限流作用。电阻两端并联电容C的作用是改善注入步进电动机的控制绕组中电流脉冲的前沿。在功率管V导通的瞬间，由于电容上的电压不能跃变，电容C相当于将电阻R短接，使控制绕组中的电流迅速上升，这样就使得电流波形的前沿明显变陡。但是，如果电容C选择不当，在低频段会使振荡有所增加，引起低

38、频性能变差。由于功率管V由导通突然变为关断状态时，在控制绕组中会产生很高的电动势，其极性与电源的极性一致，二者叠加在一起作用到功率管V的集电极上，很容易使功率管击穿。为此，并联一个二极管D及其串联电阻Rf2，形成放电回路，限制功率管V集电极上的电压，保护功率管V。单电压驱动方式的最大特点是线路简单、功率元件少、本钱低。但它的缺点是由于电阻Rf1要消耗能量，使得工作效率低。所以这种驱动方式只适用于小功率步进电动机的驱动（2） 上下电压驱动方式双电压驱动方式上下电压驱动电路原理如下图。当输入控制脉冲信号时，功率管V1、V2导通，低电压源由于二极管D1承受反向电压处于截止状态不起作用，高压电源加在控

39、制绕组上，控制绕组中的电流迅速上升，使电流波形的前沿很陡。当电流上升到额定值或比额定值稍高时，利用定时电路或电流检测电路，使功率管V1关断，V2仍然导通，二极管D1也由截止变为导通，控制绕组由低电压源供电，维持其额定稳态电流。当输入信号为零时，功率管V2截止，控制绕组中的电流通过二极管D2的续流作用向高压电源放电，绕组中的电流迅速减小。电阻Rf1的阻值很小，目的是为了调节控制绕组中的电流，使各相电流平衡。这种驱动方式的特点是电源功耗比拟小，效率比拟高。由于电流的波形得到了很大的改善，所以电机的矩频特性好，启动和运行频率得到了很大的提高。它的主要缺点是在低频运行时输入能量过大，造成电机低频振荡加

40、重；同时也增大了电源的容量，由于电源电压的提高，也提高了对功率管性能参数的要求。这种驱动方式常用于大功率步进电动机的驱动。3.2 单片机与步进电机的硬件接图图3-3 单片机I/O与步进电动机的接线 系统说明：在这个系统中，8051单片机的功能主要是通过P1.0、P1.1和P1.2提供控制步进电机的时序脉冲，即可以用软件来完成脉冲的分配，这样可根据应用系统的需要，方便灵活地改变步进电机的控制方式。例如假设要实现三相六拍运行方式，那么只要将P1口依次送出的控制字01H03H02H06H04H05H01H即为正转运行，依此逆顺序为反转运行。步进一步的时间可由两个控制字的送出时间间隔决定。单片机外围的

41、硬件局部主要完成光电隔离和脉冲驱动。采用光电耦合的原因是电机电源比8051极其相关电路的电源要高许多。为了防止电机驱动电路影响以8051为核心的数字控制电路，所以在输出端口接光电耦合器。由于光电耦合器的输出电压很小，缺乏以驱动电机绕组,所以输出信号经放大电路放大后驱动电机绕组。 第四章 定位实现的软件设计4.1 设计实现方案自从微处理器问世以来，给步进电机控制器的设计开辟了许多新的途径。单片计算机可以用很底的本钱实现很复杂的控制方案，而且由于单片机编程的灵活性，使修改控制方案成为轻而易举的事情，只要重新编程就可以了。要步进电机能实现准确定位就必须对其速度进行控制。4.1.1 步进电机的速度控制

42、控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出的cp脉冲的频率或者换相的周期。系统可用两种方法确定CP脉冲的周期，一种是延时，另一种是定时器。1.延时方法这种方法是在每次换相后，调用一个延时子程序，待延时结束后再执行换相子程序，这样周而复始，即可发出一定频率的CP脉冲或换相周期。延时子程序的延时时间与换相的子程序所用的时间的和，即是CP脉冲的周期。例如，执行连续正转的程序为：SV: LCALL CW ； 正转一步 LCALL DS ； 调用延时子程序 SJMP SV ； 返回继续这种方法的优点是程序简单，占用的片内资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序，就可以实现不同的速度运行。缺点是这种方

43、法虽然简单但也只能用于较简单的控制过程。2.定时器方法8051芯片内部由两个定时器，都时可以编程的。利用定时器的定时功能可以产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统的输出脉冲的周期。8051芯片内部的定时器T0 和 T1都时十六位的定时器，当定时启动后，定时器从装载的初值开始对系统机器周期进行加计数，当计数值产生溢出时，即从#FFFFH变为#0000H，定时器产生中断信号，中止主程序的执行，系统转为执行定时中断子程序。我们将步进电机换相子程序放在定时器中断效劳子程序中，那么定时器中断一次，从而实现对电动机的速度控制。例如，用T0来控制电动机的运行速度。电动机的运行速度为每秒1000步，那么

44、周期为1000s，设系统使用12MHz的时钟晶体，那么机器周期为每秒1s，定时器应设每1000个机器周期中断一次。由于定时器时执行加计数，所以应将1000变为16进制原码03E8H，再转换为补码FC18H，在此根底上加1000，即产生溢出。中断效劳子程序为：TIM： LCALL CW ； 调正转一步子程序 CLR TR0 ； 停定时器 MOV TL0，#18H ； 装载低位字节 MOV TH0，#0FCH ； 装载高位字节 SETB TR0 ； 开定时器 RETI ； 返回这种定时程序只能产生不精确的定时，这是由于从定时器装载完重新启动开始到定时器申请中断为止共经过了1000个机器周期，而从申

45、请中断到系统响应中断，再到中断效劳中对定时器进行装载，都要花费一定的时间，这个时间形成附加的延时，导致电机运行速度于设定的不符。为实现精确的定时，应将上述的时间计算在内。为此应将定时器TL0和TH0两个字节中已经计入的机器周期加在装载值的补码上。同时，在装载过程中需要停定时器，装载结束后再开定时器，实际的装载值也应该把这段时间计算在。4.1.2 步进电机升降速曲线控制方法在一些控制简单或要求低本钱的运动控制系统中，经常用步进电机做执行元件。步进电机在这种应用场合下最大的优势是：可以开环方式控制而无需反响就能对位置和速度进行控制。但也正是因为负载位置对控制电路没有反响，步进电机就必须正确响应每次

46、励磁变化。如果励磁频率选择不当，电机不能够移到新的位置，那么实际的负载位置相对控制器所期待的位置出现永久误差，即发生失步现象或过冲现象。因此步进电机开环控制系统中，如何防止失步和过冲是开环控制系统能否正常运行的关键。失步和过冲现象分别出现在步进电机启动和停止的时候。一般情况下，系统的极限启动频率比拟低，而要求的运行速度往往比拟高。如果系统以要求的运行速度直接启动，因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动，轻那么可能发生丢步，重那么根本不能启动，产生堵转。系统运行起来以后，如果到达终点时立即停止发送脉冲串，令其立即停止，那么由于系统惯性作用，电机转子会转过平衡位置，如果负载的惯性很大，会使步进

47、电机转子转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置，并在该位置停下。为了克服失步和过冲现象，应在步进电机启停时进行如下列图4-1所示的步进电机升降速控制。 图4-1 步进电机的速度控制从上图可以看出，L2段为恒速运行，L1段为升频，L3段为降频，按照“失步的定义，如果在L1及L3段上升及下降的控制频率变化大于步进电机的响应频率变化，步进电机就会失步，失步会导致步进电机停转，经常会影响系统的正常工作，因此，在步进电机变速运行中，必须进行正确的升降速控制。采用微机对步进电机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的时间间隔，升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。采用定时器中断方式控制电机变速时，

48、实际上是不断改变定时器装载值的大小。单片机在控制电机加减速的过程中，一般用离散方法逼近理想的升降速曲线。加减速的斜率在直线加速过程中，速度不是连续变化，而是按分档阶段变化，为与要求的升速斜率相逼近，必须确定每个台阶上的运行时间，见下列图。时间t越小，升速越快，反之越慢。t的大小可由理论或实验确定，以升速最快而又不失步为原那么。每个台阶的运行步数为为Ns=fst=sN，反映了每个速度台阶运行步数与当前速度s之间的关系，程序执行过程中，每次速度升一档，都要计算这个台阶应走的步数，然后以递减方式检查，当减至零时，该档速度运行完毕，升入又一档速度。电机在升速过程中，对升速总步数进行递减操作，当减至零时

49、升速过程结束，转入匀速运转过程。减速过程的规律与升速过程相同，只是按相反的顺序进行。在步进电机的启停过程中，根据控制系统的具体特点，采用上述三种升降速控制方式之一，都可以防止电机失步或过冲，到达比拟精确的控制。图4-2 升速过程4.2 系统软件的实现 在我的设计中，采用的是单片机作为脉冲的发生器，至于发出什么样的脉冲以实现特定的功能，取决于系统的软件设计。作为控制系统的软件的设计者，通过C语言编程来控制输出脉冲是最重要的工作。4.2.1 C51的概述本次设计，控制软件的编程使用的是单片机C语言，因此我们必须对其进行一定的了解。C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言的程序本身并不依

50、赖于机器硬件系统，根本上不作修改就可以根据单片机的不同较快移植过来。C51和汇编语言相比有如下的特点：1.对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对8051的存储器的结构有初步的了解。2.存放器的分配，不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理。3.程序有标准的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化。4.具有将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性。5.关键字及运算函数可用近似人的思维过程方式使用。6.编程及程序调试时间显著缩短，从而提高了效率。7.提供的库包含许多标准的子程序，具有较强的处理能力。8.已编好的程序可以容易地植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。

51、C51完全支持8051单片机的硬件结构，可完全访问8051硬件系统的的所有局部。该编译器通过变量，常量定义成不同的存储类型data,bdata,idata,pdata,xdata,code的方法，将它们定位在不同的存储区中。存储器类型 说明 data 直接访问内部数据存储器128字节),访问速度最快 bdata 可位寻址内部数据存储器16字节，允许位与字节混合访问 idata 间接访问内部数据存储器256字节，允许访问全部内部地址 pdata 分页访问外部数据存储器256字节，用MOVX Ri指令访问 xdata 外部数据存储器(64KB)，用MOVX DPTR指令访问 code 程序存储器6

52、4KB,用MOVC A+DPTR指令访问 表4-1存储器类型当使用C51进行编程时，8051片内I/O可以统一在头文件中定义，也可以在程序的中用sfr和sfr16直接对51单片机的特殊存放器进行定义，定义方法如下：sfr 特殊功能存放器名= 特殊功能存放器地址常数;sfr16 特殊功能存放器名= 特殊功能存放器地址常数;我们可以这样定义8051的P1口sfr P1 = 0x90; /*定义P1 I/O口，其地址90H*/sfr关键定后面是一个要定义的名字，可任意选取，但要符合标识符的命名规那么，名字最好有一定的含义如P1口可以用P1为名，这样程序会变的好读好多。等号后面必须是常数，不允许有带运

53、算符的表达式，而且该常数必须在特殊功能存放器的地址范围之内80HFFH。sfr是定义8位的特殊功能存放器而sfr16那么是用来定义16位特殊功能存放器，如：sfr16 T2 = 0xCC; /*这里定义8051定时器2，地址为T2L=CCH,T2H=CDH*/用sfr16定义16位特殊功能存放器时，等号后面是它的低位地址，高位地址一定要位于物理低位地址之上。注意的是不能用于定时器0和1的定义。sbit可定义可位寻址对象。如访问特殊功能存放器中的某位。其实这样应用是经常要用的如要访问P1口中的第2个引脚P1.1。我们可以照以下的方法去定义:(1)sbit 位变量名位地址 sbit P1_1 =

54、Ox91;这样是把位的绝对地址赋给位变量。同sfr一样sbit的位地址必须位于80H-FFH之间。(2)Sbit 位变量名特殊功能存放器名位位置sft P1 = 0x90;sbit P1_1 = P1 1; /*先定义一个特殊功能存放器名再指定位变量名所在的位置*/当可寻址位位于特殊功能存放器中时可采用这种方法(3)sbit 位变量名字节地址位位置sbit P1_1 = 0x90 1;这种方法其实和2是一样的，只是把特殊功能存放器的位址直接用常数表示。在C51存储器类型中提供有一个bdata的存储器类型，这个是指可位寻址的数据存储器，位于单片机的可位寻址区中，可以将要求可位录址的数据定义为bd

55、ata,如:unsigned char bdata ib; /*在可位录址区定义ucsigned char类型的变量ib*/int bdata ab2; /*在可位寻址区定义数组ab2，这些也称为可寻址位对象*/sbit ib7=ib7 /*用关键字sbit定义位变量来独立访问可寻址位对象的其中一位*/sbit ab12=ab112;操作符后面的位位置的最大值取决于指定的基址类型，char0-7,int0-15,long0-31。4.2.2 软件设计的流程图控制软件的设计流程图如下所示：初始化正转？正转控制反转控制速度类型p=？升速控制匀速控制减速控制输出控制字，走一步等到是否时间到？ 匀速?

56、该档步数减1 Nk=N(k)-1该档是否走完？N(k)=0?下一档的步数 k=k+1下一档的速度该档速度步数减1该档是否走完？返回 N 4.2.3 系统的控制软件程序 升降速的软件设计由C 语言进行编程,主要由主函数、升降速控制函数和定时器中断效劳函数构成。下面一控制步进电机以三相六拍运行方式运行为例，编写控制程序。程序采用的是定时器中断延时。在变频段时间定时时间是变化的，通过改变定时器初值实现。在加速阶段定时器的初值由小变大放在rise数组中；在匀速段定时器的初值不变放在nowrate数组中；在减速段定时器的初值由大变小放在fall数组中。三相六拍正、反转控制字放在Z和F数组中。设计控制函数

57、进行变频控制，参数为正反方向1，0和速度控制1，2，3。主函数用控制函数进行步进电机正转的变速控制每段假定各10步。程序mcpcs.c如下：#include /*引用reg.51h头文件 */ #define uchar unsigned charuchar sn=10; /*步数*/uchar idata nowrate2=0x00,00x00; /*匀速定时器初值*/uchar idata *pp;bit pf=1; /*中断标志*/void contrl(direct,mode) /*控制函数*/ bit direct; /*方向*/uchar mode; /*速度*/ uchar i;

58、 uchar idata *comde; uchar idata rise20; /*加速*/ uchar idata fall20; /*减速*/ uchar idata Z7=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05,0x00; /*正转*/ uchar idata F7=0x05,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x00; /*反转*/ if(direct)comde=Z; else comde=F;switch(mode)case1:pp=rise;break; /*pp指向定时器初值*/ case2:pp=noerate;break; case3:pp=fall;break; default:pp=nowrate;break;doP1=comdei; /*输出控制字*/if(comde+i=0x00) i=0; while(pf); /*等待定时时间到*/pf=1;