步进电机指数规律升降速的单片机控制系统毕业设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀设计 学 院 毕 业 设 计（论 文）说 明 书 题 目 步进电机指数规律升降速的 单片机控制系统设计 学 生 系 别 机 电 工 程 系 专 业 班 级 机械设计制造及自动化机电 学 号 指 导 老 师 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 学 院 毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 步进电机指数规律升降速的单片机控制系统设计 系： 机电工程系 专业： 机电一体化 班级： 学号： 学生： 指导教师： 接受任务时间 教研室主任 （签名） 系主任 （签名） 1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 用单片机对步进电机进行三相六拍的控制，通过软硬件设计，实现电机指数规律升降速。 (1) 系统总体方案拟定； (2) 数学模型建立，求控制算法； (3) 硬件设计； (4) 软件设计； 编写设计说明书，完成系统控制硬件图 1张 A 2； 2指定查 阅的主要参考文献及说明 (1) 机电一体化系统设计 (2) 计算机控制系统分析与设计 (3) 单片机应用设计 (4) 电子电工技术 (5) C 语言程序设计 (6) 机床电气控制 3进度安排 设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期 1 查阅资料，进行总体方案拟定，完成开题报告 建立系统数学模型，求控制算法 进行硬件设计，软件设计 编写设计说明书 准备毕业答辩 ：本表在学生接受任务时下达 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 从步进电机的矩 动频率越高，启动转矩越小，带动负载的能力越差。当启动频率较高时，启动时会造成失步，而停止时由于惯性作用又会发生过冲，所以在步进电机控制中必须要采取升降速控制措施。本文根据步进电机的动力学方程和矩建立系统的数学模型，采用指数规律的升降速算法，以单片机为核心对步进电机进行并行控制。系统的软件设计由 言编程来实现。并设计了检测系统用于对步进电机转速和步数的检测。最后，本系统可以实现以下功能：在显示器的提示下，由键盘输入运行的步数和稳定运行的速度；由各个功能键控制系统的运行，按启动键后，步进电机按照输入的步数进行走步；如在运行期间按停止键，则步进电机停止运行。研究表明，采用指数规律的升降速曲线将大大地提高微机控制步进电机的最高工作频率，大大缩短所需的升降速时间。 关键词 ：步进电机 ,单片机 ,速度 控制 ,言 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 to of is of is it of it to on of of is by of It of of is of is 51 is to of to ED by s is by to if is if is of of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 中文摘要 . I 英文摘要 . 一章 绪 论 . 1 第二章 系统工作原理和总体方案拟定 . 3 . 3 进电机控制系统的构成 . 3 进电机的串行和并行控制 . 3 . 4 应式步进电机原理 . 4 进电机的动态特性 . 6 . 7 进电机的失步 . 7 进电机升降速曲线的分析 . 8 第三章 控制系统的数学 模型 . 9 进电机升速的控制算法 . 9 进电机升速过程的离散处理 .进电机降速过程的离散处理 . 12 进电机升速过程运行参数的计算 . 12 第四章 控制系统的硬件设计 . 14 统的硬件结构 . 14 统的硬件设计 . 15 处理器及存储器的配置 . 15 盘与显示接口电路的设计 . 16 时和报警电路的设计 . 20 进电机的脉冲分配 . 20 展存储器及扩展芯片地址的确定 . 24 件系统的合成及其原理图 . 25 第五章 控制系统的软件设计 . 26 件结构设计 . 26 统的程序流程 . 27 序设计问题分析 . 38 序的初始化及变量的定义 . 38 储类型与存储模式的定义 . 39 译预处理的定义 . 40 组查表功能 . 40 断服务函数的定义 . 41 关定时器精确定时的实现 . 42 函数及键盘与显示功能的实现 . 43 第六章 转速和步数检测系统设计 . 45 电编码器的工作原理 . 45 测系统的硬件设计 . 45 测系统的软件设计 . 47 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 测系统的流程图 . 48 测系统程序 . 48 第七章 结 论 . 49 参考文献 . 50 致 谢 . 51 附录 A：步进电机升速过程运行参数计算程序 . 52 附录 B：步进电机控制系统程序 . 55 附录 C：步进电机检测系统程序 . 63 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 符号说明 B 阻尼系数 C 通电状态系数 f 脉冲频率 Hz Hz Hz Hz 转动惯量 2 m 步进电机的相数 N 脉冲数 n 步进电机转速 r/ 转盘的窄缝数 T 转矩 N m 负载转矩 N m 电机输出转矩 N m 0 N m t 时间 s 转子齿数 转子的位置角 s步距角 时间常数 s 角速度 s/ 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第一章 绪 论 步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的机械角位移的机电执行元件。它具有工作状态不易受影响；控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”； 没有积累误差等特 点，因此被广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较好的位置精度，如各类数控机床、光学测量仪器、打印机、磁盘驱动器等。随着单片机控制技术的不断发展，基于单片机的步进电机控制系统广泛应用于各机械智能仪器和装备中，步进电机也成为主要的电气执行元件之一。 在数控点 起点至终点的运行速度都有一定要求。如果要求运行频率 (速度 )小于系统的极限起动频率，则系统可以按要求的频率 (速度 )直接起动，运行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。系统在这样的运行方式下其速度可认为是恒定的。但在一般情 况下，系统的极限起动频率是比较低的，而要求的运行速度往往较高。从步进电机的矩 进电机的转矩随着脉冲频率的上升而下降，启动频率越高，启动转矩越小，带动负载的能力越差，当启动频率较高并已超过极限起动频率会发生丢步或根本不能起动的情况，停止时又会发生过冲。所以，步进电机的升降速是精确控制步数和速度的关键问题，如果升降过程脉冲频率变化不合理，会造成升降时间延长，电机失步，力矩达不到要求等严重后果。 以前一般的升降速规律设计，常选用直线规律升降速，这种控制方法简单，但是由于它的脉冲变化有个恒定的加速度， 所以它不能保证在升降速的过程中步进电机转子的角加速度的变化和它的输出力矩变化相适应，不能很好的发挥电机的加速性能。因此有必要对脉冲频率进行合理性的研究和论证，寻求一种较理想的指数升降速曲线，使步进电机在运行的过程中能够快速定位，并且运行步数准确。理想的升降速曲线是指数规律曲线，本文就是由步进电机的动力学方程和矩 样能够使得频率增高时，保证输出最大的力矩，能充分发挥步进电机的工作性能，使系统具有良好的动态特性。 在完成升降速曲线的参数计算得出升降速控制算法后，将要 完成以下工作以具体实现单片机对步进电机升降速的并行控制。 先对升速过程进行离散处理，在程序运行前将升速过程的离散值固化在程序存储器中，降速过程则采用运行时实时计算定时器的装载值。程序运行时采用查表的方法将离散值装入定时器来控制步进电机的换相周期，使得步进电机按照指数规律进行走步。 硬买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 件设计中进行单片机和存储器的配置、键盘与显示电路的设计、定时和报警电路的设计、步进电机驱动电路的设计和存 储器地址映像工作，生成步进电机控制系统的硬件原理图。 51语言是一种结构化语言，可产生紧凑代码。本系统软件用 大大的加快软件的开发速度，明显的增加软件的可读性，便于改进和扩充，可以很容易地进行单片机的程序移植工作，有利于产品中的单片机的重新选型。根据系统实现的功能划分程序模块，按照各个模块绘制程序流程图，进行模块化程序设计，并对其中一些关键技术进行具体的论述。 行步进电机转速和步数的检测系统的设计。论述检测系统的工作原理，并进行 检测 系 统的硬件和软件设计。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第二章 系统工作原理和总体方案拟定 制方案论证与比较 步进电机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，是功率放大电路按照要求的规律驱动步进电机运行。旧式的步进电机控制系统由脉冲发生器、步进控制器、功率放大器和步进电机组成，如图 进控制器包括缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑，其作用主要是将输入脉冲变为环形脉冲，以便实现对电机的转动和正反转的控制。功率放大器的作用是将步进 控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。这种控制方案由于是用各种逻辑电路来实现控制过程，线路复杂、控制方案改变困难、成本高。 图 进电机控制系统的组成 随着单片微型计算机迅速发展和普及，为设计功能很强而价格低廉的步进电机控制器提供了条件。采用计算机控制系统，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。这不仅简化了线路，降低了成本，而且操作方便，提高了可靠性。图 图 片机控制步进电机的系统结构图 使用单片机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。 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电源之间，具有较少的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 连线将信号送入步进电动机驱动电源的环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器。这种控制方式的示意图如图 图 行控制示意图 并行控制：用微型计算机系统的数个端口直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。 在电动机驱动电源内，不包括环形分配器，而其并行控制功能必须由微型计算机系统完成。这种控制方案示意图见图 图 行控制示意图 本系统考虑到使用 8255 扩展并行接口，主要用软件实现环分功能，控制电机为三相，故选用并行控制方案。 进电机工作原理和动态特性分析 图 步进电机外形图。电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开0、 1/3L、 2/3L,（相邻两转子齿轴线间的距离为 齿距以 即 A 与齿 1 相对齐， B 与齿 2 向右错开 1/3L， C 与齿 3 向右错开2/3L， A 与齿 5相对齐，（ A 就是 A，齿 5就是齿 1）下面是定转子的展开图： 图 进电机外观 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 转子展开图 旋转时， 如 A 相通电， B， C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐，（转子不受任何力以下均同）。如 B 相通电， A， C 相不通电时，齿 2 应与 时转子向右移过 1/3L，此时齿 3 与 ，齿 4与 L） =2/3L。如 ， 3应与 时转子又向右移过 1/3L，此时齿 4与 。如 B， 4与 子又向右移过 1/3L。 这样经过 A、B、 C、 4（即齿 1前一齿）移到 机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A， B， C， A通电，电机就每步（每脉冲） 1/3L,向右旋转。如按 A， C，B， A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由 导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 样将原来每步 1/3L 改变为 1/6L。甚至于通过二相电流不同的组合，使其 1/3L 变为 1/12L， 1/24L，这就是电机细分驱动的基本理论依。不难推出：电机定子上有 轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m,2/m (m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制 这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一 般以二、三、四、五相为多 ，本设计选用三相反应式步进电机。 步进电机步距角的大小是由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式决定，它们之间存在以下关系： r 360 (2式中， s 为步距角： 采用单相或双相通电方式时， C=1； 而采用单、双相轮流通电方式时， C=2； m 为步进电机定子的相数； 步进电机转子齿数。 控制绕组通电状态的改变，是由外加输入脉冲驱动电路来 实现的。每当外电路送入一个脉冲，控制绕组的通电状态即改变一次，与此对应步进电机将转动一个步距角。因买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 此步进电机转过的步距角数等于外加脉冲数，则步进电机的转速为： fn 2式中 f 为步进电机通电的脉冲频率，单位为 位为 r/ 步进电机的转速用步距角表示为： 63 6 03 6 0603 6 03 6 060 (2由式（ 2（ 2知，电机的相数和转子的齿数越多，则步距角就越小，电机在脉冲频率一定时的转速也越低。当电机的相数和转子的齿数一定时，转子的转速和输入的脉冲频率成正比。因此，改变输入的脉冲频率就可以改变转速，改变通电状态顺序就可以实现正反转。由于这些特性，步进电机控制系统中，能够按照控制命令实现启动、停止、升速、降速、正反转等操作。 进电机的动态特性 机械负载位置的变化往往需要步进电机的连续运行，电机转子必须产生足够大的力矩，以克服摩擦和加速总惯量，电机无能力产生足够大的力矩时可 能引起电机的失速，造成转子步进与相励磁之间失去同步，从而产生不正确的负载定位。因此步进电机加速、减速、恒速运行时产生的转矩以及电机能够驱动负载的最高速度等特性至关重要。这些特性常以失步转矩 /频率特性曲线表示。 矩 频特性和运行矩 们之间关系的典型曲线如图 示。启动矩 行矩 当工作在区范围内，步进电机可以停止和再启动，或者反向转动，而不会失步。步进电机在区的工作速度上所产生的最大力 矩坐标位于启动矩 动矩 横坐标的交点为最大启动频率。区为单向工作区，在此区电机不能直接启动，若电机不停止、启动和换向，在此区域内图 动矩频特性及运行矩频特性曲线关系图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 工作，电机不会失步。为了在区内工作，电机必须首先在区内工作，然后利用控制加速度斜坡，转变到区。若达到不失步停止时，也要在限制加速度的条件下，由区转移到区，在减速时惯性反作用力矩为负，对电机有利。区为失步区域，在任何情况下都是不允许的。 进电机升降速控制讨论 在步进电机的运行过程 中，将可能出现失步，其失步原因有两种 ： 就是低于换相速度而产生的。 这是因为输入电机的电能不足，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。 时定子通电励磁的时 间较长，大于转子步进一步所需要的时间，则转子在步进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。 以步进电机三相单三拍通电方式为例分析步进电机的失步。如图 B 相断电，接通 C 相时，转子齿 2、 4 与 B 相磁极对齐而转到转子齿 1、 3 与 C 相磁极对齐 (图 c)，若是由于某一原因造成转子的阻转矩大于电磁转矩的作用，则转子齿 1、3 没有转到与 C 相磁极对齐的位置，而停留在原处未动的位置 (图 b)那么当 C 绕组断电再接通 A 相时，受 A 相磁极影响最大的转子齿 1、 3 仍返回到与 A 相磁极对齐 (图 a)。由此可见，当步进电机发生失步时，往往丢掉一个通电循环的步数或其整数倍。也就是说步进电机运行时失步的规律是，所失的步数是通断电循环拍数的整数倍。 图 动矩频特性及运行矩频特性曲线关系图 同理在停止过程中，如果负载超过步进电机的极限制动能力，步进电机将产生滑步或过冲。丢掉的步数也是循环拍数的整数倍。 所以要使步进电机快速的达到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，又不能买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 超过这个转矩。 正由于步进电机失步的原因，需要对步进电机进行升降速的定位控制，运行速度都需要一个加速 恒速 减速 低恒速 停止的过程，如图 示。各种系统在工作的过程中，都要求升降速过程时间尽量的短，恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。 以前一般的升降速规律设计，常常选择按直线规律升降速，它的脉冲频率的变化有一个恒定的加速度。在步进电机不失步的条件下，驱动脉冲频率变化的加速度和步进电机转子的角加速度成正比。步进电机转子的角加速度是由步进电机的输出力矩决定的，步进电机的输出力矩随着驱动脉冲频率的上升而下降，也就要求步进电机转子的角加速度随着脉冲 频率的上升而下降，而采用直线规律的升降速却使步进电机转子的角加速度保持不变。所以，只有在步进电机的转矩随脉冲频率的上升保持恒定时，直线规律的升降速才是理想的升降速曲线，而当步进电机的转矩随脉冲频率的上升而下降时 ，它就不是理想的升降速曲线，它不能保证在升降速的过程中步进电机转子的角加速度的变化和它的输出力矩变化相适应，未能很好的的发挥电机的加速性能。如果要求电机尽可能快的加速，则所有频率下都必须产生最大转矩，以这个转矩克服负载并加速系统惯量。 图 进电机直线规律升降速曲线 本设计按照步进电机的动 力学方程和矩 为矩 在该频率下作为负载加给步进电机的最大转矩。因此把矩 但不能超过 )的最大输出转矩来拟订升降速脉冲序列的分布规律，就接近于最大转矩控制的最佳升降速规律。这样能够使得频率增高时，保证输出最大的力矩，即能够对最大的力矩进行跟随，能充分的发挥步进电机的工作性能，使系统具有良好的动态特性。具体的控制算法见第三章。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第三章 控制系统的数学模型 由 分析可知，把矩 性作为加速范围下可以达到 (但不能超过 )的最大输出转矩来拟订升降速脉冲序列的规律，就接近于最大转矩控制的最佳升降速规律。所以用步进电机的动力学方程和矩 用单片机对其进行离散控制。 进电机升速的控制算法 在步进电机的控制系统中，如图 3一个电脉冲信号，步进电机就转动一个角度或前进一步。设输入为脉冲数 N ，输出为转角 ，则 (s为步矩角 )，这就是步进电机输入 /输出的比例关系。 图 进电机与驱动电路特性框图 步进电机的旋转物体动力学方程式为： 22 (3式中 T 为输出力矩， J 为转子转动惯量， B 为阻尼系数， 负载转矩， 为转子位置，如 为电机的回转角速度，则 (3用 表示的方程为： (3如 驱动脉冲的频率f 表示，由 ，有 ，则式 (3为： (3如果电机尽可能快的加速，则所有频率下都必须产生最大转矩，由式 (3进电机的运动一定满足下式： (3式中 步进电机输出转矩。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 假设矩 电机的输出转矩可由下式求出： M 0 (30k 为假定输出转矩按直线变化时的斜率，f 0，mf(k 0)为对应负载转矩 0)下步进电机的最高运行频率。 可得在速度工作范围内，运动方程为： 0即 0)()(0 (3假设电机从零开始升速，即初始值 0,0 ， (3方程的解为： 1 (3式中， ， 0。 (3图 进电机的矩 如果忽略阻尼转矩，即阻尼系数 0B ，那么mc ，否则实际的指数规律曲线中的 是决定升速快慢的时间常数，其数值可由 (3理论计算得出，实际工作中也可由实验来确定。 (3表明驱动脉冲的频率 f 应随时间 t 作指数规律上升，这样就可以在较短的时间内使步进电机的转速上升至要求的运行速 度。鉴于大多数的步进电机的矩 以上述的控制规律为最