【《混合式直线步进电机控制系统设计研究》13000字（论文）】

混合式直线步进电机控制系统设计研究目录摘要 ④线圈B通正向电流极3磁力最大，极4磁力相互抵消，近似为零，极1和极2水平方向的合电磁推力相互抵消，最早极3将会与齿5对齐，表现为由状态3移动到状态4，动子右移了τ2.3.2两相同时激磁原理及分析上述为直线步进电机采用单相激磁方式进行工作的原理，但是当驱动电机从表一工作状态1过渡至工作状态2时，由于两个磁极下面的具有永久性的磁铁所实际供应的磁通在同时发挥作用，极和定子齿之间的实际磁力同时存在着比较大的转矩，这将会阻碍动子接着朝下一个状态移动。而当线圈B通以一个正电流时，在线圈A中同时要通以另一个逆向电流，即我们称之为两相激磁，这样便有助于使动子从当前的状态进行过渡至接近下一个状态。这同时也是两相绕组同时进行通电的主要优势。2.4等幅均匀细分控制2.3.1细分控制的必要性步进电机工作时产生的振动及噪声远远超过了其他同类型电机，这种缺点的存在严重地限制了它的有效使用。而采用细分式驱动技术则可将步进式电动机的脉冲进行细化，减小步距，保证了电机在低速运转时平稳地正常运行，细分式驱动也在一定程度上有效地克服了以上两个缺点。在电机的相数和极值都一定的条件下，这样做能够大幅度地提高电机的分辨率，实现准确的定位。2.3.2细分驱动的实现细分驱动的基本思想便是在绕组电流切换的时候，不把电流全部切断，而只切断一部分，这样就能保证合成磁场也只为原来的一部分，这样步距也为原来步距的一部分，也就可以实现准确定位，达到提高分辨率的效果。给A、B两相绕组分别通入包络线为余弦、正弦的阶梯脉冲状电流，则在0~π/2内，当B相绕组电流逐渐增大到最大值时，极4下的磁通便逐渐从ϕm/2增大到ϕm，同时由于A相电流由最大值减小到零，故极1下的磁通由ϕm/2减小到0。此时动子移动齿距的四分之一，也即包络线变化一周期，动子移动一个齿距。假若一个周期的阶梯脉冲电流有40个，则每个脉冲电流占9⁰，假定此时动子位置记为零，则经过一个占9⁰的脉冲电流后，动子位置将会变成τ2.5控制技术的选取考虑到绕组电流可能不是很光滑，所以采用恒流斩波驱动技术使其变得平滑，从而保证直线步进电机运行时平稳。但由于选用的驱动器DM542S自带有该功能，故不需要再去设置。而采取的细分驱动控制也不需要自己通过编程软件去编写实现，因为选用的DM542S带有细分调节档位，可以通过拨动开关选择想要的细分档位。

第三章混合式直线步进电机控制系统的设计3.1控制系统硬件设计一个完整的直线步进电机控制系统硬件与软件缺一不可，其硬件系统的组成如图： 图3.1系统硬件图本课题为实现直线步进电机控制系统设计，选用单片机作为控制器，选用的型号为STC89C52。采取手动复位方式，按下复位电路的按键，使与该电路项链接的复位引脚置为高电平，从而使系统复位。选用的键盘电路有两种，一种为独立键盘电路，有4个按键，一种是矩阵键盘电路，共有16个，二者相互结合使用。显示电路采用LCD1602作为显示器，用来显示电路运行时的细分档位、定位距离、速度档位参数。驱动器则选用DM542S驱动器，该驱动器内部带有细分功能，只需要拨动细分档位的开关即可，比较方便。而直线步进电机则选用型号为42BYGH34-4041A的直线步进电机。3.2硬件介绍3.2.1STC89C52单片机介绍图3.2STC89C52引脚图STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统的51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU

和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。3.2.2晶振电路该电路由11.0592MHZ的晶振组成，其电路原理图如图3.2所示，晶振的震荡周期为时钟周期，对于本课题选用的晶振来说，其时钟周期为0.09s，对于本课题选用的STC89C52单片机来说，为12分频，一个机器周期（即单片机执行指令所需要的最小时间单位）被划分为6个状态周期、12个节拍，也即在该课题中，单片机的机械周期为(0.09×12)s，即1.08us。图3.2晶振电路3.2.3复位电路单片机的复位方式有两种，一种为上电复位，上电复位：上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，此时程序正常运行。另一个是手动复位，也是本课题所选用的一种方式。该电路与单片机的RST引脚相连接，按下按键可使单片机的系RST引脚置为高电平，而STC89C52单片机的复位引脚为高电平有效，故可实现系统复位。电路图如图3.3所示。 图3.3复位电路3.2.4键盘电路键盘电路采用矩阵键盘与独立按键相结合的形式，其中将独立按键的扫描获取键值放在定时器0里，用来在程序执行其他程序的时候可以随时停止，矩阵按键的扫描在放在主程序里。矩阵键盘的最大优点是减少I/O口的占用，正常16个按键选用单片机的16个I/O，但采用矩阵键盘的方式只需要占用单片机8个I/O，减少了一半的I/O占用。其电路图如图3.4所示图3.4矩阵键盘电路图3.5独立按键键盘电路3.2.5显示电路显示电路采取LCD1602作为显示器，用来显示运行过程的细分档位，定位距离，速度档位参数。LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16×02即32个字符，每个字符为5×7点阵。LCD1602液晶显示原理LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，该电路将VO引脚接在可变电阻上用以改变电压值，从而改变对比度。这样即可以显示出图形。其电路原理图如图3.5所示：，图3.5显示电路图3.6LCD1602实物图3.2.6DM542S驱动器图3.1DMS542S外观图该驱动器在使用时将PUL+与DIR+一起连接在+5v电源上，PUL−与DIR−分别连接在单片机的P2^1和P2^2引脚上，，PUL−为脉冲信号输入端，DIR−为方向信号输入端。SW1到SW3可通过拨动档位调节输出电流，SW4可以选择全流还是半流，SW5到SW8可以通过拨动档位选择细分档位。GND与+V分别接在电源的COM与+24V接口用以对驱动器供电，A+与A−连接到直线步进电机的第一相绕组，B+与B−连接到直线步进电机的第二相绕组。3.3矩阵键盘原理及消抖措施矩阵键盘是单片机外部设备中所使用的排布类似于矩阵的键盘组，按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端，其中行线连接到单片机P1口的高四位，列线连接到单片机P1口的低四位，矩阵键盘的扫描方式有两种，逐行或者逐列扫描，二者原理类似，但本课题选用的逐列扫描的方式，故只介绍逐列扫描的原理。先将P1口全部置1，再将P1^3口置0，此时顺序去检测P1口高四位的电平，若P1^7口为0，则说明S1键被按下，若P1^6口为0，则说明S5键被按下，若P1^5口为0，则说明S9键被按下，若P1^4口为0，则说明S13键被按下，这样矩阵键盘的第一列信息便被获取，接着将P1口全部置1，再将P1^2引脚置0，类似重复上述操作，便可得到第二列的键值信息，重复操作，便可得到16个按键的信息。3.3.1按键消抖在日常所使用的键盘均为机械按键，使用在我们按下或松手都不会使与按键相连接的引脚直接置0或者置1，而是在0与1之前来回跳动一段时间，然后再置0或者置1如果不对这种现象采取措施的话，对我们读取按键信息的时候将会产生很大的干扰，为了消除这种干扰就要进行按键消抖。按键消抖有两种方法，一种为硬件消抖，常采用R-S触发器或RC积分电路。但这种方式在按键较少时较为理想，按键多时硬件方法将导致系统硬件电路设计复杂化，硬件消抖将无法胜任，另一种方法为软件消抖，也即本课题采取的措施，在每次读取键值的时候，先延时20ms，待其稳定了再进行读取，这样便可以跳过在0与1之间抖动的部分了。3.4定时器0配置51单片机的定时器属于单片机的内部资源，其电路的连接和运转均在单片机内完成，一般可使用定时器用于计时系统，可实现软件延时，或者使程序每个一定时间完成一项操作，还可以用来替代长时间的Delay(使程序在这一段时间执行空操作达到延时的效果)，提高CPU的运行效率和处理速度。STC89C52单片机内部有3个定时器，分别为T0,T1,T2,其中T0和T1与传统的51单片机兼容，T2为此型号单片机所增加的资源。定时器在单片机内部就像一个小闹钟一样，根据时钟的输出信号，每隔一个机器周期，计数单元的数值就会加一，当计数值达到一定值时会溢出，计数单元就会向中断系统发出中断申请，去执行相应的中断程序，执行完成后，再回来接着执行中断之前的函数。STC89C52单片机的T0有四种工作模式，模式0：13位定时器/计数器；模式1：16位定时器/计数器；模式2：8位自动重装模式；模式3：两个8位计数器；其中以模式1最为常用，而本课题所选用的定时器模式也是模式1。如图3.10，为工作模式1的框图。图3.10定时器0的模式1：16位定时器SYSclk为系统时钟，即晶振周期，本次课题选用的是11.0592MHZ的晶振。TCON为定时器控制寄存器，同时也锁存T0、T1溢出中断源和外部请求中断源等，TCON格式如下：SFRnameAddressbitB7B6B5B4B3B2B1B0TCON88HnameTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0由于本课题仅使用了定时器0，故只对与T0相关的位做介绍：表1TCON的相关位简介TF0定时器T0溢出中断标志。T0被允许计数以后，从初值开始加计数，当最高位产生溢出时，由硬件置“1”TFO,向CPU请求中断，一直保持CPU响应该中断时,才由硬:件清“0”TFO(TFO也可由程序查询清“0”)。TR0定时器TO的运行控制位。该位由软件置位和清零。当GATE(TMOD.3)=0,TR0=1时就允许TO开始计数，TR0=0时禁止To计数。当GATE(TMOD.3)=1,TR1=0且INTO输入高电平时，才允许T0计数。IE0外部中断0请求源(INT0/P3.2)标志。IE0=1外部中断0向CPU请求中断，当CPU响应外部中断时，由硬件清“0”IEO(边沿触发方式)。IT0外部中断0触发方式控制位。IT0=0时，外部中断0为低电平触发方式，当INTO(P3.2)输入低电平时，置位IEO。采用低电平触发方式时，外部中断源(输入到INTO)必须保持低电平有效，直到该中断被CPU响应，同时在该中断服务程序执行完之前，外部中断源必须被清除(P3.2要变高)，否则将产生另一次中断。当IT0=1时，则外部中断0INTO)端口由“1”到“0”下降沿跳变，激活中断请求标志位IE1，向主机请求中断处理。定时器/计数器到底是用来计数还是定时，这由特殊功能寄存器TMOD的控制位C/EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(___),T)行选择，TMOD寄存器的各位信息如下表所列。可以看出，定时/计数器有4种操作模式，通过TMOD的M1和M0选择。注意，TMOD寄存器不可进行位寻址。表2TMOD各位的名称76543210GATEC/EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(___),T)M1M0GATEC/EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(___),T)M1M0在这里由于定时器0仅与TMOD的低四位有关，高四位为控制定时器1的，所以下面仅对该寄存器的低四位进行介绍：表3TMOD中与定时器0相关位得功能位符号功能TMOD.3GATE控制定时器0，置1时仅有EQ\*jc2\*hps10\o\ad(\s\up11(_________),INT0)脚为高及TR0控制位置为1才可以打开定时器/计数器TMOD.2C/EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(___),T)控制定时器/计数器作为定时器还是计数器，该位为0则用作定时器，为1则用作计数器TMOD.1/TMOD.1M1、M0定时器/计数器0模式选择0013位定时器/计数器，兼容8048定时模式，TL0只用低5位参与分频，一是个8位全用0116位定时器/计数器，TL0、TH0全用108位自动重装载定时器，当溢出时将THO存放的值自动重装入TL011定时器0此时作为双8位定时器/计数器。TL0作为一个8位定时器/计数器，通过标准定时器0的控制位控制。TH0仅作为一个8位定时器，由定时器1的控制位控制。在知道以上信息之后，想要使用定时器0，便要先对其进行配置，即为初始化。也即先将TMOD的前四位保持不变（本课题中变不变不影响，但如果要使用定时器1就必须要保持不变），低四位变成0001，TMOD配置完成后，便是对TCON寄存器的配置了，该寄存器可进行位寻址，故先将第五位TF0置0，清零溢出标志位，TR0置1，由于在TMOD的配置过程中以及将TMOD的第4位GATE置0，使用将TR0置1代表运行定时器0开始计数，TCON寄存器也配置完成，接下来便是对TH0和TL0赋初值来改变定时时间本次实验赋初值赋的是64535，也就是说离溢出差1000个数，记一次数需要花费一个机器周期，由于选用的晶振为11.0592MHZ，且为12分频，所以机器周期为1.085us，也就是说定时器定时时间为1.085ms。3.5LCD1602显示原理3.6软件设计本课题采用软件编程的方式使直线步进电机实现定位，匀速往返，其中定位的位置及运行的快慢可由键盘控制，并通过LCD1602显示。图3.1主程序流程图如图3.1所示，程序最开始先将LCD1602显示屏和定时器0进行初始化，这里讲独立按键扫描放在了定时器0里，接在调用LCD1602显示函数在显示屏上对应位置显示数字0，然后调用矩阵键盘显示函数，并读取相应键值（S1按下，则读取键值为1），若读取得到有按键按下，则判断按下的按键是1~6的哪一个，并执行相应程序，再通过一次判断，限定相应参数的范围。然后用调用LCD1602显示子函数显示相应参数。若没有读取到矩阵键盘被按下，则判断独立按键是否被按下，如果被按下，则通过读取的键值判断独立按键K1和K2哪个按下（读取键值为1则K1被按下，读取键值为2则K2被按下），接着判断参数x（细分档位）的值为1，2，4，8的哪一个，如果K1被按下，则调用定位子程序，如果K2被按下，则调用往返子程序。在执行往返子程序过程中，想要其推出程序运行，只需要按下K3键，便可退出。3.5.1定位控制 图3.7电机定位子程序在执行电机定位子程序时，首先将DIR置1，指定方向。接在索取该函数所需的参数，进行初始条件的判断，若条件成立，则执行将PUL置1，然后调用延时子函数，延时speed毫秒，接着将PUL置零，调用延时子函数，延时speed毫秒，接着进行变量i的自加，再进行条件判断，循环，若条件判断不成立，则退出循环。3.5.2匀速往返控制图3.9匀速往返子程序在调用匀速往返子程序时，先索取所需要的参数，定义一个变量k赋值1，进行k是否为0的判断，若为不成立，则将DIR取反，然后进行初值i=0对判断式的判断，若成立，则将PUL置1，调用延时函数，延时speed毫秒，再将PUL置0；调用延时函数，延时speed毫，这时检测key3是否被按下，如果被没有被按下，则将i自加1，然后再进行判断式的判断，接在循环执行如若在循环的过程中检测到key3被按下，则对i重新赋值，使其在执行下一步程序时，一定不满足判断式的判断，从而退出for循环，接着仍迅速接对着key3检测，由于执行时间较快，所以一般一定满足判断，从而对k赋值0，使其不满足下一步的判断，然后退出该子程序。

第四章混合式直线步进电机的数学建模4.1直线步进电动机的分析方法 直线步进电动机分析的方法主要包括两种集中参数电路理论法和一种分布式参数电磁场理论法。前者主要是用于对直线步进电机的静态分析，后者主要目的就是用于对直线步进电机的动态分析，集中参数电路的理论方法主要目的就是把实际工作运行的直线步进电机ADDINNE.Ref.{5581EF82-6B87-408F-BBAB-2E6524235CE6}[13]，用相对应的等值电路进行仿真和模拟。主要的优点之一就是我们可以方便地利用计算机模拟技术的手段来深入研究和探讨电机的工作和运行特性，把电机内部复杂的电磁场问题精确地简化为电路和磁道问题的解决，尽管这样做会在设计上有一定误差，但对大多数的工程问题，这样的设计误差都是允许的。分布参数法的电磁场理论法是利用电磁场的理论来分析计算的。因此，本章中我们主要利用集中参数的电路理论法来分析直线步进电动机的动态性能。4.2混合式直线步进电机的数学模型的建立混合式直线步进电机某相等值电路可采用如下电路表示图4.1 直线步进电机某相等效电路其中 R:相绕组回路的有效电阻；L:相绕组电感；e:相绕组中的反电动势。假设极下气隙磁导是位置的正弦函数，因此可得磁链ADDINNE.Ref.{DC80DA00-6572-4277-995F-2813B928B369}[14]：ψ（1）ψ（2）式中 ψmδ:电机的负载角，它是动子受到负载阻力而落后于它对应平衡位置的电角度ADDINNE.Ref.{AEA79E11-23BE-47C9-AEED-4055CBB2FABB}[15]。对于两相混合式直线步进电动机A相绕组和B相绕组所加的电压应为一余弦信号和正弦信号。设UAUB当A相绕组的电压UA在0~2π期间从最大值下降到零时，B相绕组的电压UB从零上升到最大值，这时动子如同同步电机一样平滑均匀的向右移动τ1/4，因此在一个周期0~2π内，动子移动一个齿距τ1ADDINNE.Ref.{03817281-D3EA-4AA6-828F-DCA7049615E8}[14]，故有ωt=其中x为动子移动的位移。因此各相绕组链到的磁链表达式可写成:ψψ每相的反电动势为:ee令ψm=kee由等值电路可得相电势平衡方程式为：UU由上述式子可得：LL即dd考虑到输入电压和反电动势的周期性，在半个周期内，ωt∈[0，π]，考虑平均功率就可以了。令ωTT则一个周期的平均功率为：PPB在[0，2π]内，电机的平均功率为:P=又P=Fv，F为电磁推力，v为同步线速度v=所以F=由上述式子可得直线步进电机的数学模型为：

4.3线性系统的仿真控制系统计算机辅助设计技术是对现代设计工程设计的重要技术手段，它使得我们可以有效地排除实际系统的许多不良干扰因素，很快地分析得出系统的各种工作状态，具有设计精度高，重复性好，通用性强等特殊技术优点ADDINNE.Ref.{582D9A28-6258-4D9B-A4D7-47705EC5D8BF}[4]。在众多的数学控制软件中，现今已经风靡于国际的控制领域，最重要也甚至是最为普遍流行的一种计算软件，是美国公司自主研究开发的大型数学计算软件，它为使用者提供了强大的矩阵信号处理和测量绘图的功能，并且编程简单，易于学习者掌握。SIMULINK软件是对该软件的扩展，主要适用于对系统的各种动态模拟和仿真，它与客户端接口都是基于的一种图形编程方法，直观而且方便。用户可以方便的调用工具箱中的函数，也可自定义模块存入库中，仿真参数选择灵活，容易实现资源共享。本设计正是基于本设计正是基于下的仿真，通过编程S函数来对直线步进电机微分方程的求解，从而建立其模型，实现对其力速特性的仿真。通过编程S-FUNCTION来对直线步进电机微分方程的求解，从而建立其模型，实现对其力速特性的仿真。上节我们推导的混合式直线步进电机的数学模型:

图4.2混合式直线步进电机系统仿真图4.3.1仿真结果由图中的模型，我们进行仿真，并调节图中系统的参数，采用ode45仿真方法，其仿真结果如下：图4.3ω=20，Um=10图4.4ω=20，Um=15图4.5ω=50，Um=15图4.6ω=50，Um=15时i图4.7ω=50，Um=15时i图4.8ω=50，Um=15时e图4.9ω=50，Um=15时e由图4.3至图4.5仿真结果我们可以清楚地看到，直线步进电动机的电磁力强度是伴随着步进速度的增加(脉冲频率增加)而下降的。其主要的原因之一就是随着步进速度的增加，每相绕组通电激磁的时间会逐渐缩短，由于各个绕组的电感和逆电动势的作用，使得每个绕组的电流被建立了起来所需占用的相电流总时间的百分比逐渐增大，在电机高速工作时每个绕组的电流甚至在各个绕组的通电终止时还都来不及能够达到它的额定值，因而导致各个绕组的电流有效值会逐渐下降，致使电机的电磁推力下降。但因为模型中的一些非线性量很难在仿真模型中体现，所以我们忽略了其非线性变化，所以仿真结果存在一些误差。由图4.6，4.7可以看出电流基本上是正弦函数曲线。

第五章总结与展望5.1课题的总结在当今社会工业甚至日常生产过程中，直线步进电机的应用越来越广泛，既然应用的广泛，那么对它的控制系统及性能特性研究就必不可少，本课题通过对驱动控制的优劣比较，最终选用细分驱动控制去控制直线步进电机，选用细分驱动对绕