基于51单片机控制的步进电机调速.doc

i 目目 录录 1 前言 1 2 方案的论证 3 2 1 控制方式的确定 3 2 2 驱动方式的确定 4 2 3 驱动电路的选择 5 2 4 基本方案的确定 5 3 硬件设计 7 3 1 步进电机 7 3 1 1 步进电机的特点 7 3 1 2 步进电机的静态指标 7 3 1 3 步进电机的动态指标 8 3 1 4 步进电机详细调速原理 9 3 1 5 步进电机的选择 9 3 2 单片机的选择 11 3 3 驱动电路的选择 12 3 4 显示电路与键盘的选择 13 3 5 反馈电路的选择 14 3 5 1 光电编码器原理 14 4 算法的设计 16 4 1 pid 控制算法 16 5 软件的设计 20 5 1 显示子程序的设计 20 5 2 键盘子程序的设计 21 5 3 驱动程序流程的设计 22 5 4 正反转程序 23 5 4 1 正反转程序流程图 23 5 4 2 转速快慢程序流程图 24 5 4 3 定时中断流程图 25 ii 6 实验结果与分析 26 6 1 有关参数的计算与分析 26 6 2 理论与实际的分析 26 结论 28 致谢 30 附录 1 31 附录 2 38 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 1 1 前言前言 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 我们很容易发现步进电机的踪迹 尤其以重视速度 位置控制 需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多 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 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 当有脉冲输入肘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 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 2 的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态 通过延时的长短来具 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 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 3 2 方案的论证方案的论证 2 1 控制方式的确定控制方式的确定 步进电机控制虽然是一个比较精确的 步进电机开环控制系统具有成本低 简单 控制方便等优点 在采用单片机的步进电机开环系统中 控制系统的 cp 脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度 系统可用两种 办法实现步进电机的速度控制 一种是延时 一种是定时 延时方法是在每次 换向之后调用一个延时子程序 待延时结束后再次执行换向 这样周而复始就 可发出一定频率的 cp 脉冲或换向周期 延时子程序的延时时间与换向程序所 用的时间和 就是 cp 脉冲的周期 该方法简单 占用资源少 全部由软件实 现 调用不同的子程序可以实现不同速度的运行 但占用 cpu 时间长 不能在 运行时处理其他工作 因此只适合较简单的控制过程 定时方法是利用单片机 系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号 从而可方便的控制系统输 出 cp 脉冲的周期 当定时器启动后 定时器从装载的初值开始对系统及其周 期进行加计数 当定时器溢出时 定时器产生中断 系统转去执行定时中断子 程序 将电机换向子程序放在定时中断服务程序中 定时中断一次 电机换向 一次 从而实现电机的速度控制 由于从定时器装载完重新启动开始至定时器 申请中断止 有一定的时间间隔 造成定时时间增加 为了减少这种定时误差 实现精确定时 要对重装的计数初值作适当的调整 调整的重装初值主要考虑 两个因素一是中断响应所需的时间 二是重装初值指令所占用的时间 包括在 重装初值前中断服务程序重的其他指令因 综合这两个因素后 重装计数初值 的修正量取 8 个机器周期 即要使定时时间缩短 8 个机器周期 用定时中断方 式来控制电动机变速时 实际上是不断改变定时器装载值的大小 在控制过程 中 采用离散办法来逼近理想的升降速曲线 为了减少每步计算装载值的时间 系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的 rom 中 系统在 运行中用查表法查出所需的装载值 这样可大幅度减少占用 cpu 的时间 提高 系统的响应速度愿大多数步进电机运动控制系统都运行在开环状态下 因为成 本较低 并可提供运动控制技术固有的位置控制 无须反馈 但是 在某些应 用中 需要更多的可靠性 安全性或产品质量的保证 因此 闭环控制也是一 种选择 以下是一些实现步进电机闭环控制的方法 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 4 1 步进确认 这是最简单的位移控制 使用一个低值的光学编码器计算 步进移动的数量 一个简单的回路与指令校验的步进电机比较 验证步进电机 移动到预计的位置 2 反电动势 一种无传感器的检测方法 使用步进电机的反电动势信 号 测量和控制速度 当反电动势电压降至监测探测水平时 闭环控制转为标 准开环 完成最终的位移移动 3 全伺服控制 指全时间的使用反馈设备 用于步进电机 编码器 解 码器 或其它反馈传感器上 从而更为精确地控制步进电机位移和转矩 其它的方法包括各种不同的反电动势控制电机参数测量和软件技术 一些 制造企业都会使用这些方法 这里 步进驱动监控和测量电机线圈 使用电压 额电流信息提高步进电机控制 正阻尼使用这一信息阻挡振动的速度 产生更 多的可用的转矩输出 降低转矩的机械振动损耗 无编码器安装监测采用信息 检测同步速度的损耗 传统步进电机控制通常采用反馈设备和非传感方法 是 有效的实现带有安全需求 危险状况或高精确度要求的运动应用的方法 大多数基于步进电机的系统 一般都运行在开环状态下 这样可提供一个 低成本的方案 事实上 步进系统可提高位移控制的的性能 且不需要反馈 但是 当步进电机在开环时运行 在命令步幅和实际步幅之间会有同步损耗的 可能 闭环控制 是传统步进控制的一个部分 能有效地提供更高地可靠性 安 全性或产品质量 在这些步进系统中 反馈设备或间接参数传感方法的闭环能 进行校正或控制失步 监测电机停滞 以及确保更大的可用转矩输出 近期 步进电机的闭环控制 clc 还能帮助执行智能分布运动架构 然而 开环操 作会有失步的风险 这将产生定位失误 但与伺服系统中使用的编码器相比 闭环步进电机采用的编码器成本更低 故选择闭环控制 2 2 驱动方式的确定驱动方式的确定 并于步进电机的驱动一般有两种方法 一种是通过 cpu 直接来驱动 这种 方法一般不宜采用 因为 cpu 的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电 机的转动 别一种是通过 cpu 来间接驱动 就是把从 cpu 输出的信号进行放 大 然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机 这种方法比较安 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 5 全可靠 固本次设计应采用 cpu 间接驱动步进电机 用编码器还的测速发电机 作为转速测量工具 因为选择了闭环控制 就必须有反馈元件 反馈元件一般 有两种 一种是采用同轴的测速发电机 把步进电机的转速反馈回来 然后通 过显示器显示出来并对步进电机进行调节 别一种是通过光同轴的电编码器把 步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调节 两者相比 后者的设计比较简 单 价格便宜 安全可靠 污染少 故一般采用后者 用光电骗码器作为反馈 元件 2 3 驱动电路的选择驱动电路的选择 步进电机的驱动电机有多种 但最为常用的就是单电压驱动 双电压驱动 斩波驱动 细分控制驱动等 单电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱 动电路 它在本质上是一个单间的反相器 它的最大特点是结构简单 因它的 工作效率低 特别是在高频下更显的突出 它的外接电阻 r 要消耗相当一部分 的热量 这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步 进电机的驱动电路中 双电压驱动是电路一般采用两种电源电压来驱动 因这 两个电源分别是一个为高压一个为低压 因此也称为高低压驱动电路 双电压 驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点 这样必然引起力矩在谷点处 下降 不宜于电机的正常运行 对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点 并且 还可以提高步进电机的效率 所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路 它可以用较高的电源电压 同时无需外接电阻来限定期额定电流和减少时间常 数 但由于其波形顶部呈现锯齿形波动 所以会产生较大的电磁噪声 细分驱 动是用脉冲电压来供电的 对于一个电压脉冲 转子就可以转动一步 一般会 根据电压脉冲的分配方式 步进电机各相绕阻会轮流切换 固可以使步进电机 的转子旋转 细分控制的电路一般分为两类 一类是采用线性模拟功率放大器 的方法获得阶梯形电流 这种方法简单 但效率低 别一种是用单片机采用数 子脉宽调制的方法获得阶梯电流 这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距 角一致 但因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的调节范围比较广 故应选用驱动芯片 8713 来驱动 并通过软件来实现步进电机的调速 2 4 基本方案的确定基本方案的确定 因本次设计的要求 选用三相三拍步进电机 单片机选用 89c51 作为控制 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 6 器 选取用 8279 来驱动显示和键盘 选用 8713 作为步进电机的驱动芯片并通 过光电耦合来驱动步进电机 然后由于步进电机同轴的光电编码器作为反馈元 件 并把反馈回的信号经 cpu 处理后再由显示器显示出来 但由键盘输入的速 度数值了得通过显示器来显示 固本次设计要两排显示 一排来显示给定的转 速一排来显示实际的转速 系统原理框图如 3 1 所示 图 3 1 系统原理框图 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 7 3 硬件设计硬件设计 3 1 步进电机步进电机 因本次设计的要求 步进电机的应选用三相三拍的步进电机 关于步进电 机的具体说明如下 反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应 转矩而转动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反应式步进 电动机为例说明其工作原理 3 1 1 步进电机的特点 1 一般步进电机的精度为步进角的 3 5 且不累积 2 步进电机外表允许的温度高 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摄氏 130 度以上 有的甚至高达摄氏 200 度以上 所以步进电机外表温度在摄氏 80 90 度完全正常 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 1 2 步进电机的静态指标 相数 产生不同对极 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数或导电状态用 n 表示 或指电 机转过一个齿距角所需脉冲数 以四相电机为例 有四相四拍运行方式即 ab bc cd da ab 四相八拍运行方式即 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 表示 360度 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 8 转子齿数j 运行拍数 以常规二 四相 转子齿为50齿电机为例 四拍运 行时步距角为 360度 50 4 1 8度 俗称整步 八拍运行时步距角为 360度 50 8 0 9度 俗称半步 3 1 3 步进电机的动态指标 1 步距角精度 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差 用百分比表示 误 差步距角 100 不同运行拍数其值不同 四拍运行时应在 5 之内 八拍运行 时应在 15 以内 2 失步 电机运转时运转的步数 不等于理论上的步数 称之为失步 3 失调角 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度 电机运转必存在失调角 由失调角产 生的误差 采用细分驱动是不能解决的 4 最大空载起动频率 电机在某种驱动形式 电压及额定电流下 在不加负载的情况下 能够直 接起动的最大频率 5 最大空载的运行频率 电机在某种驱动形式 电压及额定电流下 电机不带负载的最高转速频率 6 运行矩频特性 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩 频特性 这是电机诸多动态曲线中最重要的 也是电机选择的根本依据 如下图 3 1 所示 图 3 1 力矩频率曲线 7 电机的共振点 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 9 步进电机均有固定的共振区域 二 四相感应子式步进电机的共振区一般 在 180 250pps 之间 步距角 1 8 度 或在 400pps 左右 步距角为 0 9 度 电机驱动电压越高 电机电流越大 负载越轻 电机体积越小 则共振区向上 偏移 反之亦然 为使电机输出电矩大 不失步和整个系统的噪音降低 一般 工作点均应偏移共振区较多 其它特性还有惯频特性 起动频率特性等 电机一旦选定 电机的静力矩 确定而动态力矩却不然 电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流 而非 静态流 平均电流越大 电机输出力矩越大 即电机的频率特性越硬 如下图 3 2 所示 图 3 2 力矩频率特性曲线 其中 曲线 3 电流最大 或电压最高 曲线 1 电流最小 或电压最低 曲线 与负载的交点为负载的最大速度点 要使平均电流大 尽可能提高驱动电压 使采用小电感大电流的电机 3 1 4 步进电机详细调速原理 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 当有脉冲输入肘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 通过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 3 1 5 步进电机的选择 因本次设计的要求 步进电机的应选用三相三拍的步进电机 关于步进电 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 10 机的具体说明如下 反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应 转矩而转动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反应式步进 电动机为例说明其工作原理 图 3 3 是一台三相反应式步进电动机的原理图定子铁芯为凸极式共有三对 六个磁极每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组转子用软磁性材料制成也是凸 极结构只有四个齿齿宽等于定子的极靴宽下面通过几种基本的控制方式来说明 其工作原理 图 3 3 三相反应式步进电动机的原理图 1 步进电机通电方式 当 a 相控制绕组通电 其余两相均不通电 电机内建立以定子 a 相极为 轴线的磁场 由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点 使转子齿 1 3 的轴 线与定子 a 相极轴线对齐 如图 3 3 a 所示 若 a 相控制绕组断电 b 相控 制绕组通电时 转子在反应转矩的作用下 逆时针方向转过 30 使转子齿 2 4 的轴线与定子 b 相极轴线对齐 即转子走了一步 如图 3 3 b 所示 若再断 开 b 相 使 c 相控制绕组通电 转子又转过 30 使转子齿 1 3 的轴线与定子 c 相极轴线对齐 如图 3 3 c 所示 如此按 a b c a 的顺序轮流通电 转子就 会一步一步地按逆时针方向转动 其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频 率 旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序若按 a c b a 的顺序通电 则电 机按顺时针反方向转动 上述通电方式称为三相单三拍运行 三相 是指三相步进电动机 单 是指每次只有一相控制绕组通电 控制绕组每改变一次通电方式称为一拍 三 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 11 拍是指经过三次改变通电方式为一个循环 我们称每一拍转子转过的角度为步 距角 三相单三拍运行时的步距角为 30 度 其原理图如 3 4 所示 图 3 4 定转子展开图 2 电动机动态运行 在分析步进电动机动态运行时 不仅要知道某一相控制绕组通电时的矩角 特性 而且要知道整个运行过程中各相控制绕组通电状态下的矩角特性 即所 谓矩角特性族以三相单三拍的通电方式为例 若将失调角 的坐标轴统一取在 a 相磁极的轴线上 显然 a 相通电时矩角特性如图 3 5 中曲线 a 所示稳定平 衡点为 o 点 b 相通电时转子转过 1 3 齿距相当于转过 2 3 电角度 它的稳 3 5 中曲线 c 这三条曲线就构成了三相单三拍通电方式时的矩角特性族总之 矩角特性族中的每一条曲线依次错开一个用电角度表示的步矩角 se n z srse 2 3 1 图 3 5 三拍时的矩角特性族 3 2 单片机的选择单片机的选择 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 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 12 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 at89c51 是一种带 4k 字节闪烁可编 程可擦除只读存储器的低电压 高性能 cmos8 位微处理器 俗称单片机 该 器件采用 atmel 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 mcs 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯 片中 atmel 的 at89c51 是一种高效微控制器 为很多嵌入式控制系统提供 了一种灵活性高且价廉的方案 主要特性如下 1 振荡器特性 xtal1 和 xtal2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配 置为片内振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 xtal2 应不接 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外 部时钟信号的脉宽无任何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 2 芯片擦除 整个 perom 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合 并 保持 ale 管脚处于低电平 10ms 来完成 在芯片擦操作中 代码阵列全被写 1 且在任何非空存储字节被重复编程以前 该操作必须被执行 此外 at89c51 设有稳态逻辑 可以在低到零频率的条件下静态逻辑 支持两种软件 可选的掉电模式 在闲置模式下 cpu 停止工作 但 ram 定时器 计数器 串口和中断系统仍在工作 在掉电模式下 保存 ram 的内容并且冻结振荡器 禁止所用其他芯片功能 直到下一个硬件复位为止 3 3 驱动电路的选择驱动电路的选择 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 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 pwm8713 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 3 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 它不但可满足后级功率放大器的要求 而且在所有输人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 3 6 所示 在 pwm8713 的内部电路中 时钟选通部分用于设定步进电机 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 13 的正反转脉冲输入法 图 3 6 8713 脉冲输入 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 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 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 c 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 4 1 为四相步进脉冲输出端 3 1 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 7 所示 图 3 7 驱动电路框图 3 4 显示电路与键盘的选择显示电路与键盘的选择 显示电路的用 8279 芯片来驱动 8279 芯片分别接两排显示器 每排为 4 位显示 分别用来显示步进电机的实际转速与给定转速 显示电路选用两排 led 显示 每排分别为四位 能满足设计的要求 转速范围为 0 至 1000 led 显示电路有两种接法 一种为共阴极 一种为共阳极 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 14 键盘的连接一般有两种方式 一种是独立式键盘 一种是行列式键盘 独 立式键盘就是各个键相互独立 每个键盘接一根输入线 通过检测输入线的电 平状态来确定那个键按下 这种键盘的输入线较多 结构复杂 一般适用于按 键较少操作速度较高的场合 而行列式键盘是由行和列线交义组成 一般用于 按键较多的场合 本次设计一共用 9 个键因此采用行列式键盘 具体的显示器 与键盘电路如下所示 图 3 8 8279 与 cpu 的接线图 3 5 反馈电路的选择反馈电路的选择 应选用光电编码器作为反馈元件 光电编码器与步进电机是同轴的输出经 过放大送到计算机 并通过显示器显示出步进电机的实际转速 关于光电编码 器的说明如下 3 5 1 光电编码器原理 光电编码器 是一种通过光电转换将位移量转换成脉冲或数字量的传感器 这是目前应用最多的传感器 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成 光 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 15 栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔 由于光电码盘与电动 机同轴 电动机旋转时 光栅盘与电动机同速旋转 经发光二极管等电子元件 组成的检测装置检测输出若干脉冲信号 其原理示意图如图所示 通过计算每 秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速 图 3 9 光电编码器的原理图 根据检测原理 编码器可分为光学式 磁式 感应式和电容式 根据其刻 度方法及信号输出形式 可分为增量式 绝对式以及混合式三种 本次设计用 绝对式编码器其原理如下所示 绝对编码器是直接输出数字量的传感器 它的圆形码盘上沿径向有若干同 心磁道 每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成 相邻码道的扇区数目是 双倍关系 码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数 在码盘的一侧是光源 另一侧对应每一码道有一光敏元件 当码盘处于不同位置时 各光敏元件根据 受光照与否转换出相应的电平信号 形成二进制数 这种编码器的特点是不要 计数器 在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码 显然 码道越多 分辨率就越高 对于一个具有 n 位二进制分辨率的编码器 其码盘 必须有 n 条码道 目前国内已有 16 位的绝对编码器产品 绝对式编码器是利 用自然二进制或循环二进制 格雷码 方式进行光电转换的 绝对式编码器与 增量式编码器不同之处在于圆盘上透光 不透光的线条图形 绝对编码器可有 若干编码 根据读出码盘上的编码 检测绝对位置 编码的设计可采用二进制 码 循环码 二进制补码等 它的特点如下 1 可以直接读出角度坐标的绝对值 2 没有累积误差 3 电源切除后位置信息不会丢失 但是分辨率是由二进制的位数来决 定的 也就是说精度取决于位数 目前有 10 位 14 位等多种 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 16 4 算法的设计算法的设计 算法对于步进电机调速系统设计是一个相当重在的环节 因为只有确定了 算法之后才能对步进电机的速度进行准确的控制 并时也能达到精确的调速目 的 同时算法也是编写软件的前提与基础 控制算法有多种 常用的两种算法 是 pid 和模糊控制算法 pid 控制与模糊控制是两种常用的控制方法 但它们还存在一些不足 如 一般 pid 控制容易产生超调 模糊控制的稳态精度不高 在这两种控制方法基 础上进行改进 可产生多种更好的控制方法 本文采用的复合 pid 控制算法和 带动态补偿的模糊控制算法克服了以上缺陷 取得了较好的实验效果 4 1 pid 控制算法控制算法 pid 调节的实质就是根据输入的偏差值 按比例 积分 微分的函数关系 进行运算 将其运算结果用以输出控制 将基本 pid 算式离散化可得到位置型 pid 控制算法 对位置型 pid 进行变换可得到增量型 pid 控制算法 对控制 精度要求较高的系统一般采用位置型算法 而在以步进电机或多圈电位器做执 行器件的系统中 则采用增量型算法 pid 是一种工业控制过程中应用较为广泛的一种控制算法 它具有原理简 单 易于实现 稳定性好 适用范围广 控制参数易于整定等优点 pid 控制 不需了解被控对象的数学模型 只要根据经验调整控制器参数 便可获得满意 的结果 其不足之处是对被控参数的变化比较敏感 但是通过软件编程方法实 现 pid 控制 可以灵活地调整参数 尽管近年来出现了很多先进的控制算法 但 pid 控制仍然以其独有的特点在工业控制过程中具有相当大的比重 且控制 效果相当令人满意 其系统原理框图如图 4 1 所示 图 4 1 pid 的原理框图 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 17 它的控制规律的数学模型如下 4 1 t d i p dt tde tdtte t tektu 0 1 式中 e t 调节器输入函数 即给定量与输出量的偏 u t 调节器输出函数 kp 比例系数 t 积分时间常数 t 微分时间常数 将 4 1 展开 调节器输出函数可分成比例部分 积分部分和微分部分 1 比例部分 比例部分的数学表达式是 p 在比例部分中 kp 是比例系数 kp 越 tekp 大 可以使系统的过渡过程越快 迅速消除静误差 但 kp 过大 易使系统超 调 产生振荡 导致不稳定 因此 此比例系数应选择合适 才能达到使系统 的过渡过程时间短而稳定的效果 比例调节器如图 图 4 2 比例调节器 4 2 其中 u 控制器的输出 比例系数 p k e 调节器输入偏差 控制量的基准 0 u 比例作用 迅速反应误差 但不能消除稳态误差 过大容易引起不稳定 2 积分部分 0p uk e u 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 18 积分部分的数学表达式是从它的数学表达式可以看出 要是系 0 t p i k e t dt t 统误差存在 控制作用就会不断增加或减少 只有 e t 0 时 它的积分才是一 个不变的常数 控制作用也就不会改变 积分部分的作用是消除系统误差 积 分时间常数的选择对积分部分的作用影响很大 较大 积分作用较弱 这i t i t 时 系统消除误差所需的时间会加长 调节过程慢 较小 积分作用增强 i t 这时可能使系统过渡过程产生振荡 但可以较快地消除误差 3 微分部分 微分部分的数学表达式是 微分部分的作用主要是抵消误差的变 p d k t de t d t 化 作用强弱由微分时间常数 t 确定 越大 则抑制误差 e t 变化的作用越d t 强 但易于使系统产生振荡 越小 抵消误差的作用越弱 因而 微分时间d t 常数要选择合适 使系统尽快稳定 比例积分微分调节器如图 4 3 所示 图 4 3 比例微分调节器 但 pid 算法有两种分别为 位置式 增量式 增量式 pid 控制算法 4 3 4 4 由 1 与 2 式可推出下式 4 5 10 0 k d kpkjkk j i tt ukeeeeu tt 1 11120 0 k d kpkjkk j i tt ukeeeeu tt 1112 2 d kkkpkkkkkk i tt uuukeeeeee tt 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 19 增量式控制算法提供执行机构的增量只需要保持现时以前 3 个时刻的k u 偏差值即可 增量式算法不需做累加 计算误差和计算精度问题对控制量的计 算影响较小 位置式算法要用到过去偏差的累加值 容易产生较大的累计误差 控制从手动切换到自动时 位置式算法必须先将计算机的输出值置为原始 值时 才能保证无冲击切换 增量式算法与原始值无关 易于实现手动到自o u 动的无冲击切换 在实际应用中 应根据被控对象的实际情况加以选择 一般认为 在以闸 管或伺服电机作为执行器件 或对控制精度要求较高的系统中 应当采用位置 式算法 而在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中 则应采用增量式 算法 因本次设计对步进电机的调速范围与控制精确的要求 应采用增量式 pid 控制 系统的流程框图如 4 4 所示 图 4 4 步进电机调速系统的控制流程图 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 20 5 软件的设计软件的设计 5 1 显示子程序的设计显示子程序的设计 图 5 1 显示程序流程图 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 21 5 2 键盘子程序的设计键盘子程序的设计 图 5 2 键盘程序流程图 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 22 5 3 驱动程序流程的设计驱动程序流程的设计 图 5 3 驱动程序流程图 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 23 5 4 正反转程序正反转程序 5 4 1 正反转程序流程图 图 5 4 a 正反转程序流程图 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 24 5 4 2 转速快慢程序流程图 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 25 图 5 4 b 转速快慢程序流程图 5 4 3 定时中断流程图 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 26 图 5 4 c 中断子程序流程图 注 1 本设计中各个子程序见附录 1 2 主程序见附录 2 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 27 6 实验结果与分析实验结果与分析 6 1 有关参数的计算与分析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 且不为整 1201 13 93 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 6 1 表示 6 1 r s nz q 360 其中为步距角 n 为运行的拍数 为转子的齿数 其中 s q r zcmn c 为控制的相绕阻 c 在三拍中为 1 在六拍中为 2 c m 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 6 2 所示 6 2 s ms nz ms t r 833 4013 100 20 2000 可见只要输出一个脉冲后延时再输脉冲就可以达到自定的速度 本 833 s 次设计在求的转速范围为 0 到 最高转速时的精度为 2 功率为 1000 min r 1w 得 步进脉冲之间的延迟时间为 12 tt 1 0t 延迟时间在 0 到 精度是由 sst 500 8 499 4013 1000 60000 2 500 s 步进电机的性能决定的 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 28 6 2 理论与实际的分析理论与实际的分析 从的公式看到 改变步进电动机步距的大小有三种方式 360 s r q nz 1 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 增量式旋转编码器如图 6 1 所示 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 图 6 1 增量式旋转编码器 光电编码器的分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 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 29 结论结论 本文阐述了at98c51 单片机控制的步进电机调速系统 设计的基本思路和方法 介绍了步进电机的特点 在步进电机调速系统中应用了pid 算法 对系统的主回 路和控制回路的硬件应用进行了详细介绍 完成硬件和软件的设计 通过脉冲来控 制步进电机的转速 本系统采用模块化设计结构 由于逻辑功能通过软件实现 从而减少了大量 的中间连线 完善了连锁保护功能 提高了系统运行的可靠性 因此系统具有开 放性好 可扩充能力强 可靠性高 安装调试方便等优点 具有良好的发展前景 本课题主要是以at98c51 单片机为主 各种驱动器辅助 并通过使用光电编 码器采集转速数据进而进行关于速度的闭环控制 从而达到设计目的 经过实 际应用电路证明 该仿真控制系统的随动性能好 抗干扰能力强 稳定性好 本课题具有较好的实用价值和发展前景 值得进一步的研究和完善 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 30 参考文献参考文献 1 张洪润 蓝清华 单片机应用技术教程 m 北京 清华大学出版社 1997 2 秦曾煌 电工学 m 北京 高等教育出版社 1999 3 于海生 等 微型计算机控制技术 m 北京 清华大学出版社 1999 4 王福瑞 等 单片机微机测控系统设计大全 m 北京 北京航空航天大学出版社 1998 5 陈理壁 步进电机及其应用 m 上海 上海科学技术出版社 1989 6 刘保延 等 步进电机及其驱动控制系统 m 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 1997 7 季维发 过润秋 严武升等 机电一体化技术 m 北京 电子工业出版社 1995 8 郭敬枢 庄继东 孔峰 微机控制技术 m 重庆 重庆大学出版社 1994 9 刘国荣 单片微型计算机技术 m 北京 机械工业出版社 1996 10 王福瑞 单片微机测控系统设计大全 m 北京 北京航空航天大学出版社 1998 11 何立民 单片机应用技术选编 m 北京 北京航空航天大学出版社 1993 12 潘新民等 片微型计算机实用系统设计 1 北京 人民邮电出版社 1992 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 31 致谢致谢 在本次毕业设计过程中 首先要衷心感谢我的指导老师凌泽明 凌老师在 我的毕业设计中 从题目的选择到课题的研究及设计的完成 都给予了我极大 的帮助 特别是软硬件的设计 程序的调试 直到论文的审阅和修改 到处都 凝聚着凌老师辛勤的汗水 老师严谨踏实的治学作风和一丝不苟的工作精神使 我受益匪浅 是我今后学习和工作的楷模 在此谨向凌老师致以崇高的敬意和 衷心的感谢 同时在这里还要感谢自动控制系的老师们给予我的指导和帮助 感谢系里 其他的一些同学在设计中提供大量的支持的帮助 同时还要感谢在百忙之中进行论文评审的老师们 对论文的不足之处敬请 批评指正 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 32 附录附录 1 本设计中的各个子程序 1 8279 的初始化程序如下 init mov dptr 7fffh 置 8279 命令 状态口地址 mov a 0d1h 置清显示命令字 movx dptr a 送清显示命令 weit movx a dptr 读状态 jb acc 7 weit 等待清显示 ram 结束 mov a 34h 置分频系数 晶振 12mhz movx dptr a 送分频系数 mov a 00h 置键盘 显示命令 movx dptr a 送键盘 显示命令 mov ie 84h 允许 8279 中断 ret 2 显示子程序如下 dis mov dptr 7fffh 置 8279 命令 状态口地址 mov r0 30h 字段码首地址 mov r7 08h 8 位显示 mov a 90h 置显示命令字 movx dptr a 送显示命令 mov dptr 7ffeh 置数据口地址 lp mov a r0 取显示数据 add a 6 加偏移量 movc a a pc 查表 取得数据的段码 movx dptr a 送段码显示 inc r0 调整数据指针 djnz r7 lp ret 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 33 seg db 3fh 06h 5bh 4fh 66h 6dh 字符 0 1 2 3 4 5 段码 db 7dh 07h 7eh 6fh 77h 7ch 字符 6 7 8 9 a b 段码 db 39h 5eh 79h 71h 73h 3eh 字符 c d e f p u 段码 db 76h 38h 40h 6eh ffh 00h 字符 h l y 空 段码 3 键盘中断子程序如下 key push psw push dpl push dph push acc push b setb psw 3 mov dptr 7fffh 置状态口地址 movx a dptr 读 fifo 状态 anl a 0fh jz pkyr mov a 40h 置读 fifo 命令 movx dptr a 送读 fifo 命令 mov dptr 7ffeh 置数据口地址 movx a dptr 读数据 ljmp key1 转键值处理程序 pkyr pop b pop acc pop dph pop dpl pop psw 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 34 reti key1 键值处理程序 4 键盘程序清单 key1 acallks1 有无键按下子程序 jnzlk1 有键按下 转去抖延时 ajmpkey1 无键按下 继续扫描 lk1 acalldela12 12ms 延时程序调用 acallks1 判断键是否真正按下 jnzlk2 有键按下 转逐列扫描 ajmpkey1 无键按下 继续扫描 lk2 movr2 0feh 设置首列扫描字 movr4 00h 保存首列号 lk4 movdptr 7f01h 列扫描字送至 pa 口 mova r2 movx dptr a incdptr 指向 pc 口 incdptr movx a dptr 读入行状态 jb acc 0 lone 第 0 行无键按下 转 lone mova 00h 有键按下 设置行首键号 ajmplkp 转求键号 lone jb acc 1 ltwo 第 1 行无键按下 转 ltwo mova 08h 有键按下 设置行首键号 ajmplkp 转求键号 ltwo jb acc 2 lthr 第 2 行无键按下 转 lthr mova 10h 有键按下 设置行首键 ajmplkp 转求键号 西南科技大学应用型自学考试毕业设计 论文 35 lthr jb acc 3 next 第 3 行无键按下 查下一列 mova 18h 有键按下 设置行首键 lkp adda r4 求键号 键号 行首键号 列号 pushacc 保护键号 lk3 acallks1 等待键释放 jnzlk3 键未释放 继续等待 popacc 键释放 键号送 a ajmpover 键扫描结束 next incr4 列号加 1 指向下一列 mova r2 判断 8 列扫描完否 jnbacc 7 knd 8 列扫描完 继续 rl a 扫描字左移一位 movr2 a 送扫描字 ajmplk4 转下一列扫描 knd ajmpkey1 over ret 键扫描结束 ks1 movdptr 7f01h 指向 pa 口 mova 00h 设置扫描字 movx dptr a 扫描字送 pa 口 incdptr 指向 pc 口 incdptr movx a dptr 读入 pc 口状态 cpl 以高电平表示有键按下 anla 0fh 屏