论步进电动机的程序控制和闭环控制.doc

咸阳职业技术学院机电工程系数控专业论文步进电动机的程序控制和闭环控制姓 名 学 号 081310317 专业名称 数控技术 班 级 指导老师 2010-11-26 第20页，共20页摘 要步进电机具有控制简便、定位准确等特点。随着科学技术的发展,在许多领域将得到广泛的应用。鉴于传统的脉冲系统移植性不好,本文提出微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,用软件的方法产生控制脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。以简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。在此基础上提出了双三拍步进电机程序控制的硬件接口电路、程序流程图和汇编程序。【关键词】：单片机；步进电机；光电开关；PID算法；闭环控制绪 言步进电机作为数字式执行元件，具有成本低、易控制、定为方便和布局误差不长期累计等优点，被广泛应用在数控装置、绘图机你、机械手、印刷和包装设备等工业领域中。步进电机是机电一体化产品中的关键元件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。它能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移，是一种离散型自动化执行元件。随着计算机控制系统的发展，步进电动机广泛应用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其它自动化系统中，是高科技发展的一个重要环节。目 录第一章 步进电机11.1步进电机的工作原理11.2 步进电机的特点1第二章 步进电机程序控制的设计22.1步进电机的传动方式22.1.1三相单三拍工作方式22.1.2三相六拍工作方式22.1.3双三拍工作方式22.2硬件接口电路32.3脉冲的形成42.4旋转方向控制52.5 转速控制52.6控制程序设计6第三章 步进式电动机的闭环控制设计93.1驱动器93.2电源接线93.3控制信号接线93.4光电开关93.5硬件设计电路图103.6软件设计123.6.1控制算法比较123.6.2 比例调节（P）133.6.3比例微分调节（PI）133.6.4比例积分微分调节（PID）143.6.5 PID控制算法143.6.6位置式PID的控制算法153.6.7 增量式PID的控制算法15第四章 数据处理和分析174.1 PWM的设定174.2 步进电机的测速17小 结18致 谢19参考文献20步进电动机的程序控制和闭环控制第一章 步进电机1.1步进电机的工作原理步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行机构。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。1.2 步进电机的特点本实验所用的步进电机为感应子式步进电机（型号为42BYG016）。感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相八拍运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=. 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。（本实验采用两相四拍） 第二章 步进电机程序控制的设计2.1步进电机的传动方式2.1.1三相单三拍工作方式在这种工作方式下,A、B、C三相轮流通电,电流切换三次,磁场旋转一周,转子向前转过一个齿距角。因此这种通电方式叫做三相单三拍工作方式。这时步距角b (度)为b = 360 /mz( ) (2-1)式中:m定子相数; z 转子齿数2.1.2三相六拍工作方式在这种工作方式下,首先A相通电,转子齿与A相定子齿对齐。第二拍,A相继续通电,同时接通B相,A、B各自建立的磁场形成一个合成磁场,这时转子齿既不对准A相也不对准B相,而是对准A、B两极轴线的角等分线,使转子齿相对于A相定子齿转过1 /6齿距,即1. 5。第三拍,A相切断,仅B相保持接通。这时,由B相建立的磁场与单三拍时B相通电的情况一样。依次类推,绕组以AABBBCCCAA时序(或反时序)转换6次,磁场旋转一周,转子前进一个齿距,每次切换均使转子转动1. 5,故这种通电方式称为三相六柏工作方式。其步距角b 为:b = 360 /2mz = 180 /mz( ) (2-2)2.1.3双三拍工作方式这种工作方式每次都是有两相导通,两相绕组处在相同电压之下,以ABBCCAAB (或反之)方式通电,故称为双三拍工作方式。以这种方式通电,转子齿所处的位置相当于六拍控制方式中去掉单三拍后的三个位置。它的步距角计算公式与单三拍时的公式相同。由上述分析可知,要使磁阻式步进电机具有工作能力,最起码的条件是定子极分度角不能被齿距角整除,且应满足下列方程:极分度角/齿距角= R + k1/m进一步化简得齿数z:z = q (mR + k) (2-3)式中:m相数; q每相的极数; k (m - 1)的正整数;R正整数,为0、1、2、3。按选定的相数和不同的极数,由上式就可推算出转子齿数。因为三相双三拍步进电机不易失步,控制精度比较高,所以本文对三相双三拍步进电机进行控制,定子有三对磁极,运行时两相同时通电,循环带动转子转动。2.2硬件接口电路传统的步进电机控制系统采用硬件进行控制,用一个脉冲发生器产生频率变化的脉冲信号,再经一个脉冲分配器把方向控制信号和脉冲信号转换成有一定逻辑关系的环形脉冲;经驱动电路放大后就可以来驱动步进电机了。在这种控制中,步进电机的脉冲由硬件电路产生,如果系统发生变化或使用不同类型的步进电机,需重新设计硬件电路,系统的可移植性不好。用微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,就可以根据系统需要通过软件编程的方法任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。这样可简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。图2. 1为单片机控制步进电机接口原理图。 图2.1单片机控制步进电机接口电路原理图2.3脉冲的形成实现对步进电机的控制,微机应能输出有一定周期的控制脉冲。步骤是:先输出一个高电平,延时一段时间后,再输入一个低电平,然后再延时。改变延时时间的长短,即可改变脉冲的周期,脉冲的周期由步进电机的工作频率确定。用软件形成环形脉冲的程序流程图如图2.2所示。 图2.2软件法形成脉冲序列的程序流程程序如下:PULSE:MOVR3 , # NUMPUSH APUSH PSWLOOP: SETB P1.0ACALL DELAY1CLR P1.0ACALL DELAY2DJNZ R3,LOOPPOP PSWPOP ARET2.4旋转方向控制步进电机的旋转方向和内部绕组的通电顺序及通电方式有密切关系。对于三相双三拍工作方式:正相旋转:ABBCCAAB反相旋转:ABCABCAB三相双三拍控制模型如表2. 1所示。 2.5 转速控制控制步进电机的运行速度,实际上是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期,即在升速过程中,使脉冲的输出频率逐渐增加;在减速过程中,使脉冲的输出频率逐渐减少。脉冲信号的频率可以用软件延时和硬件中断两种方法来确定。采用软件延时,一般是根据所需的时间常数来设计一个子程序,该程序包含一定的指令,设计者要对这些指令的执行时间进行严密的计算或者精确的测试,以便确定延时时间是否符合要求。每当延时子程序结束后,可以执行下面的操作,也可用输出指令输出一个信号作为定时输出。采用软件定时, CPU一直被占用,因此CPU利用率低。可编程的硬件定时器直接对系统时钟脉冲或某一固定频率的时钟脉冲进行计数,计数值则由编程决定。当计数到预定的脉冲数时,产生中断信号,得到所需的延时时间或定时间隔。由于计数的初始值由编程决定,因而在不改动硬件的情况下,只通过程序变化即可满足不同的定时和计数要求,因此使用很方便。2.6控制程序设计控制程序的设计方法是:通过标志位FLAG来判断电机的旋转方向,然后输出相应的控制脉冲序列;判断要求的脉冲信号是否输出完毕。三相双三拍控制模型完成的步进电机控制程序设计如下:三相双三拍控制程序流程图如图2. 3 和图2. 4所示。正转控制模型03H、06H、05H存放在以RM为起始地址的内存单元中,反转控制模型03H、05H、06H存放在以LM为起始地址的内存单元中。 图2.3主程序流程图图2.4定时器中断服务程序流程图主程序如下:CON: MOVR3, # NMOV TMOD , # 10HMOV TL1 , # LOWMOV TH1 , # H IGHJNB FLAG ,LEFTMOV R0 , RMAJMP TIME - SLEFT: MOV R0 , LMTIME: SETB EASETB ET1SETB TR1WA IT: SJMP WA IT中断服务程序如下:INTTO: PUSHAPUSH PSWMOV A , R0MOV P1 ,AINC R0MOV A , # 00HXRL A , R0JNZ NEXTMOV A , R0CLR CSUBB A , # 03HMOV R0 , ANEXT: DJNZ R3 , RETUCLR ET1CLR EARETU: POP PSWPOP ARETI第三章 步进式电动机的闭环控制设计3.1驱动器由于单片机的I/O不具有直接驱动步进电机的能力，故在本系统中需要步进电机驱动器，我们选择驱动器为KD-221，该驱动器具有输入电压范围广，控制信号输入方式多样等特点。其具体接法如下：3.2电源接线、E高：当驱动电压大于10V时，正极接此座，使用时最大不能大于40V，以防损坏模块。 、E低：当驱动电压小于10V时，正极接此座。、地：驱动电压E高、E低的的负极接此座。、A ,:接电机A相线圈的二根引线。、B, :接电机B相线圈的二根引线。3.3控制信号接线、CP:接控制器发给步进电机的走步脉冲信号线。、CW:接控制器发给步进电机的走步方向信号线。 、VP:接CP和CW信号的负极，即逻辑电路电源的负极。、本驱动器内部设计接收信号为RTTL电平，即5V电平，如其它逻辑电平信号需要接限流电阻，否则可能损坏光耦元件。3.4光电开关本系统中所用传感器为EE-EX672关电开关，该传感器为开关型传感器，四个接线脚分别为“+，L,OUT,-”其输入电压范围广为直流5-24V,L为控制指示端，当“L”与“+”相连时，传感器未检测到物体时LED灯发光，当“L”悬空时则相反，其特点为:1. 动作模式备有遮光时ON/入光时ON(可切换型)2. 应答频率为1KHZ的高速响应3. 入光显示灯明显,容易进行动作确认.4. 电源电压为DC-24V的广范围5. 备有遮光时入光显示灯灯亮型其连接电路如下图所示： “L”与“+”相连时，传感器未检测到物体时LED灯发光。 “L”悬空传感器检测到物体时LED灯发光。3.5硬件设计电路图 下图中为单片机的最小系统,其P0.0-P0.7口分别连接到LCD1602的D0-D7引脚,与P2.5,P2.6，P2.7相连的按键开关分别控制步进电机的正反转,加速,减速,P2.0,P2.1,P2.2分别接LCD1602的RS,RW,E引脚。 下图中为电机驱动部分。驱动电压为+12V,用单片机的P1.0与电机驱动器的CW相连控制单片机的转向,P1.1与电机驱动器的CP相连,给驱动器输入脉冲。a,b,c,d分别接入步进电机。SX-672为检测转速的传感器外接+5V驱动电压,输出接入单片机的T1脚。3.6软件设计3.6.1控制算法比较PID控制原理PID调节器由比例调节器(P)，积分调节器(I)和微分调节器(D) 构成，它通过对偏差值的比例积分和微分运算后，用计算所得的控制量来控制被控对象。图1所示为PID控制系统框图。图1 PID控制系统框图3.6.2 比例调节（P） 比例调节是数字控制中最简单的一种调节方法。其特点是调节器的输出与控制偏差e成线性比例关系，控制规律为： (1)式中：-比例系数，-偏差e为零时调节器的输出值 当输出值S与设定的期望值R间产生偏差时，比例调节器会自动调节控制变量y(如为控制阀门的开度)的大小。控制变量y的大小会朝着减小偏差e的方向变化比例系数的大小决定了比例调节器调节的快慢程度,大调节器调节的速度快，但过大会使控制系统出现超调或振荡现象。小调节器调节的速度慢，但过小又起不到调节作用。另外，虽然比例调节器控制规律简单，控制参数易于整定，但缺点是它只能在一种负载情况下实现无静差值的调节，当负载变化时，除非重新调整相应的)，值的大小，否则控制系统将会产生无法消除的静差值。3.6.3比例微分调节（PI）比例调节器的主要缺点是存在无法消除的静差值，影响了调节精度为了消除静差值，在比例调节器的基础上并人一个积分调节器构成比例积分调节器，其调节规律可用下列(2)式表示 （2）式中：为积分常数，它的物理意义是当调节器积分调节作用与比例调节作用的输出相等时所需的调节时间称为积分常数。积分常数的大小决定了积分作用强弱程度，选择的越小，积分的调节作用越强，但系统振荡的衰减速度越慢。当过小时甚至会造成系统的持续振荡，使调节器的输出波动不定，给生产过程带来严重的危害。相反地当选择的越大，积分的调节作用越弱，虽然过渡过程中不容易出现振荡现象，但消除偏差e的时间却很长。积分调节对偏差有累积作用，所以，只要有偏差e存在积分的调节作用就会不断地增强，直至消除比例调节器无法消除的静差值。3.6.4比例积分微分调节（PID）加入积分调节后，虽可消除静差，使控制系统静态特性得以改善，但由于积分调节器输出值的大小是与偏差值e的持续时间成正比的，这样就会使系统消除静差的调节过程变慢，由此带来的是系统的动态性能变差尤其是当积分常数很大时，情况更为严重。另外，当系统受到冲激式偏差冲击时，由于偏差的变化率很大，而PI调节器的调节速度又很慢，这样势必会造成系统的振荡，给生产过程带来很大的危害改善的方法是在比例积分调节的基础上再加人微分调节，构成比例积分微分调节器(PID)。其调节规律可用(3)式表示。 （3）式中：为微分常数，它的物理意义是当调节器微分调节作用与比例调节作用的输出相等时所需的调节时间称为微分常数3.6.5 PID控制算法 单片机控制系统通过AD电路检测输出值s，并计算偏差e和控制变量y，再经DA转换后输出给执行机构，从而实现缩小或消除输出偏差的目的，使系统输出值s稳定在给定值区域内。在计算机控制过程中，整个计算过程采用的是数值计算方法，当采样周期足够小时，这种数值近似计算相当谁确，使离散的被控过程与连续过程相当接近。图2为单片机闭环控制系统框图 J。PID算法是将描述连续过程的微分方程转化为差分方程，然后，根据差分方程编制计算程序来进行控制计算的。另外在PID控制中，由于PID算式选择的不同，最终所得到的控制效果是不同的。下面进行PID控制算法的研究。图5 单片机闭环控制系统框图3.6.6位置式PID的控制算法如前所述PID调节的微分方程为：将此微分方程写成对应的差分方程形式 （4）式中：-第n次采样周期内所获得的偏差信号；-第n-1次采样周期内所获得的偏差信号；T-采样周期；-调节器第rt次控制变量的输出；为了编写计算机程序的方便，现将算式(4)写成下列形式 （5）式中：，因为采样周期T，积分常数和微分常数选定后皆为常数，因此及必为常。当调整参数改善控制性能时，也只须调整、和的大小即可。3.6.7 增量式PID的控制算法在位置式PID控制算法中，每次的输出与控制偏差e过去整个变化过程相关，这样由于偏差的累加作用很容易产生较大的累积偏差，使控制系统出现不良的超调现象。由算式(4)可得： （6）用(4)式减去(6)式，可得增量式PID的算式： （7）其中，为了编写程序方便，将(7)式改写成下列形式： （8）式中：，从增量式PID的算式中可知，只要知道了现时以前的三次采样周期内的偏差信号，即可计算出本次采样周期内的控制变量y的增量。 综合以上分析，我们采用增量式PID算法，本系统的软件控制算法主要采用了增量式PID 控制算法。其控制算法的流程图为：第四章 数据处理和分析4.1 PWM的设定我们通过设定PWM来控制步进电机的转速。当T=6S时，我们通过试凑的方法了解到，当PWM=1/300时，所给步进电机刚好启动，当PWM=1/17时，步进电机速度达到最大。4.2 步进电机的测速我们通过用软件设定一个转速，然后与用光电开关采集回来的速度相比较，采用闭环的PID控制来达到步进电机稳定调速的目的。我们在程序中设定转速为72 rpm，通过与P3.2采集回来的数据相比较，当采集回来的数据小于72rpm时，我们通过改变PID的相应的参数（=1.2，=1.1 ，=0.9）来调节电机的转速，让步进电机的转速加起来，使之与72 rpm相吻合。同样，当采集回来的数据大于72rpm时，也改变PID的相应的参数来调节电机的转速，让步进电机的转速加起来，使之与72 rpm相吻合。小 结 步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一,是一种性能良好的数字化执行元件。随着计算机应用技术、电子技术和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入,步进电机的需要量越来越大。有资料说明,世界上步进电机的年产量以10%以上的速度增长。国内对步进电机的需求同样也与日俱增。实际工作中,很多工程技术人员和技术工人都希望比较全面地了解步进电机及其控制技术。 本文对步进电机的控制方法进行了详细的论述,包括硬件接口的设计、软件方案的设计和汇编控制程序的编写。此种方法高效、方便、成本低廉,在实际应用中有着很高的利用价值。 致 谢感谢我的导师刘老师，她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。这篇论文的每个实验细节和每个数据，都离不开你的细心指导。而你开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很快的融入我们这个新的实验室。感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。三年