基于单片机控制的步进电机调速系统的设计

河南工程学院毕业设计1前言步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。河南工程学院毕业设计2第一章步进电机概述第一节步进电机的特点一般步进电机的特点有以下三个特点：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。3）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）。第二节步进电机的工作原理步进电机是一种用电脉冲进行控制,将电脉冲信号转换成相位移的电机,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了电机运转的速度.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。第三节步进电机详细调速原理步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电的调速。具体的延时时间可以通过软件来实现。这就需要采用单片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,单片机控制步进电机加减法运转可实现的方法有软件和硬件两种,软件方法指的是依靠延时程序来改变脉冲输出的频率,其中延时的长短是动态的,软件法在电机控制中,要不停地产生河南工程学院毕业设计3控制脉冲,占用了大量的CPU时间,使单片机无法同时进行其他工作;硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现的,在每次进入定时中断后,改变定时常数,从而升速时使脉冲频率逐渐增大,减速时使脉冲频率逐渐减小,这种方法占用CPU时间较少,在各种单片机中都能实现,是一种比较实用的调速方法。第二章本次设计的基本要求研究步进电机的特性、工作原理、及其具体的调速原理。第一节基本要求步进电机采用三相步进电机，功率为1W。调速范围为0到1000r/min最高转速时，精度2%要基本上完成毕业设计，作到步进电机能精确的调速，正反转、并能在起动时不失步，基本上没有振荡。第三章硬件电路的设计第一节单片机的选择本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片．89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上．使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。单片机的引脚功能:1）VCC（40）：电源+5V。2）VSS（20）：接地，也就是GND。3）XTL1（19）和XTL2（18）：振荡电路。4）PSEN（29）：片外ROM选通信号，低电平有效。5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。6）RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。7）EA/VPP（31）：内/外部ROM选择端8）P0口（39-32）：双向I/O口。9．P1口（1-8）：准双向通用I/0口。河南工程学院毕业设计49）P2口（21-28）：准双向I/0口。原理图如4-1所示：图3-1AT89C51的引脚图第二节驱动电路的选择因从CPU输出的脉冲信号特别小，固应先经过PWM8713脉冲分配器对脉冲进行分配并经过放大然后再经过光耦驱动来驱动步进进电机。PWM8713芯片介绍如下；图3-2-1PWM8713的引脚图PMM8713功能介绍PMM8713是专用的步进电机的步进脉冲产生芯片,它适用于三相和四相步进电机。如图3-2-1所示PMM8713的引脚,Cu为加脉冲输入端,它使步进电机正转,Cp为减脉冲输入端,它河南工程学院毕业设计5使步进电机反转,Ck为脉冲输入端,当脉冲加入此引脚时,Cu和Cp应接地,正反转由U/D的电平控制,EA和EB用来选择励磁方式的,可以选择的方式有一相励磁、二相励磁和一二相励磁,ΦC用来选择三、四相步进电机,Vss为芯片工作地,R为芯片复位端,Φ4～Φ1为四相步进脉冲输出端,Φ3～Φ1为三相步进脉冲输出端,Em为励磁监视端,Co为输入脉冲监视端,VDD为芯片的工作电源(+4～+18V).其具体的原理框图如3-2-2所示:图3-2-2驱动电路框图第三节显示电路与键盘的选择显示电路的用8279芯片来驱动8279芯片的具体介绍如下：1)DB0～DB7：双向数据总线。在CPU于827数据与命令的传送。2)CLK：8279的系统时钟，100KHZ为最佳选择。3)RESET：复位输入线，高电平有效。当RESET输入端出现高电平时，8279被初始复位。4)/CS：片选信号。低电平使能，使能时可将命令写入8279或读取8279的数据。5)A0：用于区分信息的特性。当A0=1时，CPU向8279写入命令或读取8279的状态；当A0为0时，读写一数据。6)/RD：读取控制线。/RD=0,8279会送数据至外部总线。7)/WR：写入控制线。/WR=0,8279会从外部总线捕捉数据。河南工程学院毕业设计68)IRQ：中断请求输出线，高电平有效。当FIFORAM缓冲器中存有键盘上闭合键的键码时，IRQ线升高，向CPU请求中断，当CPU将缓冲器中的输入键数的数据全部读取时，中断请求线下降为低电平。9)L0～SL3：扫描输出线，用于对键盘显示器扫描。可以是编码模式（16对1）或译码模式（4对1）。10)～RL7：反馈输入线，由内部拉高电阻拉成高电平，也可由键盘上按键拉成低电平。11)FT、CNTL/STB：控制键输入线，由内部拉高电阻拉成高电平，也可由外部控制按键拉成低电平。12)TB0～3、OUTA0～3：显示段数据输出线，可分别作为两个半字节输出，也可作为8位段数据输出口，此时OUTB0为最低位，OUTA3位最高位。13)消隐输出线，低电平有效。当显示器切换时或使用消隐命令时，将显示消隐。8279引脚图河南工程学院毕业设计7第四章软件的设计第一节显示子程序的设计图4-1显示程序流程图河南工程学院毕业设计8第二节键盘子程序的设计图4-2键盘程序流程图河南工程学院毕业设计9第三节驱动程序流程的设计图4-3主程序流程图河南工程学院毕业设计10第四节正反转程序流程图（一）正反转程序流程图图4-4-1正反转程序流程图河南工程学院毕业设计11（二）转速快慢程序流程图4-4-2转速快慢程序流程图河南工程学院毕业设计12（三）定时中断流程图图4-4-3中断子程序流程图河南工程学院毕业设计13第五章实验结果与分析第一节有关参数的计算与分析在单相三拍方式控制中，假如A相电源通电，B、C两相都不通电，在磁场作用下，使转子齿和A相的定子齿对齐。若此时为初始状态，并设与A相磁极对齐的齿为0号齿，由于B相齿与A相齿相差120度。且12011393不为整数。所以此转子不能和B号齿对齐，只有13号小齿靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3度，如果此时变为B相通电，万里A、C两相不通电，则B相磁极迫使与13号齿对齐，整个齿就转了3度，称为一步。步进电机就是以这种方式作为动力而转动。在单相三拍A-B-C-A通电一周，转子转动了9度。固步距角可用公式5-1表示：rSNZQ360（5-1）其中SQ为步距角，N为运行的拍数，rZ为转子的齿数。其中*cNmc，cm为控制的相绕阻，C在三拍中为1，在六拍中为2。步距角的速度的控制是通过改变脉冲的时间间隔来控制的。如果步进电机每转20圈要2秒。则每进一步所在的时间为：计算公式如5-2所示：smsNZmstr83340*1*3100202000（5-2）可见只要输出一个脉冲后延时833s再输脉冲就可以达到自定的速度。本次设计在求的转速范围为0到1000minr，最高转速时的精度为2%。功率为1W。得：步进脉冲之间的延迟时间为12TT。10T。2T=ss5008.49940*1*3100060000延迟时间在0到500S。精度是由步进电机的性能决定的。第二节理论与实际的分析从360SrQNZ的公式看到,改变步进电动机步距的大小有三种方式:河南工程学院毕业设计141)改变步进电动机的相数。步进电动机的相数越多、步距角就越小。2)与步进电动机的定、转齿数有关。3)与定子控制绕组的通电方式有关。要改变步进电机步距角的大小也只能通过这三种方式。设计中步进电机为三相，功率为1W。因步进电机的转子上没有绕阻而是由40个小齿均匀地分布在圆周上。定子的齿也是固定不变的，通电方式是选取用三相单三拍方式。可见步进电机的一但选定，其步距角就不能再改变了。要改变转束也就只能通过脉冲之间的延时来改变。但对步进电动机的步距角的控制,可以实现对步进电动机的转速精度控制。但实际上步进电机在用行时是带有一定量的负载，当运转时会存在许多误差，同时因为负载的存在可能引起失步和震荡。这就使步进电机不能按预定的规律运行，从而是很难达到转速精度的要求。为准确测量电机的转速稳定度,须选用高精度测量仪器。光电编码器因光电式数字输出而更具抗干扰性强和处理简便的优势。增量式旋转编码器。其核心部件为光栅码盘,玻璃盘表面的光栅道数决定了编码器的分辨率,而后者制约了转速测量的精度。当编码器分辨率与系统误差相近时,其影响将不复存在。光电编码器的分辨率是决定着反馈的准确性与反馈的精度。也对步进电机的延时长短起到一定的作用。可见实际与理论是有一定的差别的。河南工程学院毕业设计15第六章总结蓦然回首，为期两个多月的毕业设计就要结束了，在这漫长而又短暂之中，通过自己不断地学习，不断地努力与拼搏、不断地对新知识的追求与索取、不断地自我发现、感到自己的知识结构水平提出高了许多，对知识的掌握程度也加深了许多，对知识之间的相互联系也有了更深的了解；通过不断地提高自己的认识水平与能力、不断地学习新方法、新思想、新的思维方式、不断地改变