基于at89c51单片机的步进电机控制系统毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于at89c51单片机的步进电机控制系统毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

电机下一相导通时，断电相绕组中的衰减电流对步进电机起制动作用。 如图 所示为一相励磁时的等效电路。 L 为绕组电感， R 为串联回路的总电阻， E 为反电动势。 当步进电机为锁定状态时，忽略 T 管的压降，则绕组的电流为 U/R。 如果 T 断电，绕组中磁场能量将极力保持原有电流的方向。 晶体管上的管压降将随 Ldi/dt 正比的增加，这个峰值电压的大小可能会超过一个晶体管的最大耐压 U，造成晶体管损坏。 常用的步进电机可以很容易产生数 值 13 比步进电机外加电压大的峰值电感电动势。 这个电感电动势必须控制在晶体管安全运行区域内。 所以驱动电路除了对步进电机绕组提供导通回路外，还必须提供一个绕组断电时的续流回路，其作用是既要保证电流的泄放的速度，同时又要抑制电感电势，保护晶体管不受感应电动势峰值的冲击。 图 一相励磁电路 二极管续流 抑制电势的最简单的形式是用二极管跨接步进电机绕组的两端，如图 所示。 在绕组导通期间，二极管处于反向截止状态。 当绕组断电时，绕组电势极性反向，二极管处于正向导通的状态，为电流提供一个续流回路，二极 管把功放管的集射极电压钳位到电源电压 +U。 当一相绕组断电时，存储在绕组中的能量必须消耗在电路的电阻 R 中，该电阻包括绕组电阻，串联电阻和二极管正向导通电阻，衰减时间常数为 L/R。 在低速时，断电相电流衰减缓慢是允许的，但高速时，就会影响步进电机的控制性能。 14 图 二极管泄放电路 图 负载曲线 二极管 — 电阻续流 要求高速或变速运行时，断电绕组的能量必须尽快消耗，这可以通过增加一个与二极管串联的电阻 Rs，以减少泄放回路的时间常数，此时断电回 路的时间常数为 L/(R+Rs)。 Rs 的最大值取决于集 — 射极间的击穿电压 Ucer。 当步进电机截止时，若通过二极管的初始电流为额定电流 In，即 In=U/R 则晶体管集 — 射极间的压降为 Uce=U+RsIn=U（ 1+Rs/R） 这样为使 UceUcer 则 RsR(Ucer/U－ 1) 15 图 二极管 — 电阻续流回路 图 负载曲线 由以上分析可知续流电路的特点如下： (1) 断电相的磁场能量总是消耗在回路的电阻上，其中包括电动机绕组自身的电阻。 (2) 续流串联电阻的 大小因需要保护功放管的安全而受到限制。 (3) 衰减时间常数大，在步进电机高速运行时产生阻转矩，影响系统的特性。 步进电机驱动电路 步进电机不能直接接到交、直流电源上工作，而必须使用专用设备 — 步进电机驱动器。 步进电机驱动系统的性能，除与步进电机的自身性能有关外，在很大程度上也取决于驱动器的优劣。 步进电机的驱动电路应该既要保证绕组有足够的电压电流，同时又要保证驱动级功率器件的安全运行，另外还应有较高的效率、较小的功耗和较低的成本。 驱动级的功率放大器件有中功率晶体管、大功率的晶体管、达林顿管、可 16 控硅以及各种功率模块。 对于小功率的步进电机，可用中小功率晶体管进行驱动，晶体管具有放大倍数大、线路简单等优点，用于驱动小功率的步进电机（绕组电流在数百毫安）。 对于功率较大的步进电机，由于绕组所需要的电流较大、电压高、反电动势也大，因此需要用大功率的的晶体管驱动。 步进电机驱动电路与一般电气设备驱动的不同点主要有： (1) 各相绕组都是工作在开关状态，多数电动机的绕组都是连续的交流或者直流，而步进电机的各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是离散的。 (2) 电动机的各相绕组是绕在铁心上的线圈，所以 都有比较大的电感。 绕组通电时电流上升率受到限制，因而影响电动机绕组电流的大小。 (3) 绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该截止的相不能立即截止。 为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。 绕组导通和截止过程中都会产生较大的反向电动势，而截止时的反电动势将对驱动级器件的安全产生十分有害的影响。 (4) 电动机运转时在各相绕组中将产生旋转电动势，这些电动势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。 由于旋转电动势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电动势越大，绕组电流越小，从而使电 动机输出转矩也随着转速升高而下降。 (5) 电动机绕组中有电感电动势、互感电动势、旋转电动势。 这些电动势与外加电源共同作用于功率器件，当其叠加结果使电动机绕组两端电压大大超过电源电压时，会使驱动级的工作条件更为恶化。 由于步进电机需要的驱动电流比较大，所以单片机与步进电机的连接都需要专门的接口电路及驱动电路。 接口电路可以是锁存器，也可以是可编程的接 17 口芯片，如 825 8155 等。 驱动器可以用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。 本系统为了抗干扰，或避免一旦驱动电路发生故障，造成功率放大器中的高电平信号进入单片 机而烧毁器件，因而在驱动器与单片机之间增加一级光耦隔离器。 其接口电路原理图如图 所示。 图 驱动电路 电路工作原理：当 A 输出为 1 时，发光二极管不发光，因而光敏三极光截止，从而使达林顿管导通， A 相绕组通电。 反之当 A 为 0 时经反相后，使发光二极管发光，光敏三极管导通，从而使达林顿管截止， A 相绕组不通电，控制B、 C、 D 相亦然。 总之，只要按一定的顺序改变 A、 B、 C、 D 通电的顺序，就可控制步进电机按一定的方向步进 【 5】。 步进电机的变速控制 对于大多数的任务而言，总希望控制系统能尽快地到 达控制终点。 因此要求步进电机的速度尽可能快一些，但如果速度太快，则可能发生失步。 此外一般步进电机对空载最高启动频率都是有所限制的。 所谓的最高空载启动频率是指步进电机空载时，转子从静止状态不失步地进入同步状态（即步进电机每秒钟转过的角度和控制频率相对应的工作状态）的最大控制频率。 当步进电机带 18 负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。 根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差；当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。 由此可见，一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较 高的工作频率，必须在启动的瞬间采取加速的措施。 一般来说，升频的时间约为 ~1s 之间。 系统运行起来之后，如果到达终点时立即停止，可能会因系统惯性的原因，发生冲过终点的现象，使点位控制发生偏差，所以从高速运行到停止也应该有减速的措施 【 6 】。 为此，提出一种变速控制的程序，该程序的基本思想是，在启动时，以低于响应频率 fs 的速度运行；然后开始慢慢加速，加速到一定频率 fe 后就以此速率恒速运行。 当快要到达终点时，又使其慢慢减速，在低于响应频率 fs 的速率下运行，直到走完所规定的步数后就停止运行。 这样步进电机便可以以最 快的速度走完所规定的步数，而又不发生失步的现象。 因此在点位控制过程中，运行速度需要有一个加速 — 恒速 — 减速 — 低恒速 — 停止的过程，上述的变速控制过程如图 所示。 图 点 — 位控制的加减速过程 对于一个非常短的距离，如在数步范围内，电动机的加减速过程没有实际意义，只需要按起动频率运行即可。 对于中等或比较长的运行距离，步进电机 19 加速后应该有一个恒速的过程。 系统在工作过程中，都要求加减速的时间尽量短，而恒速时间尽量长。 特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点的时间要求最短，这就必须要求加减速的过程最短 而恒速时速度最高。 加速时的起始速度应该等于或略小于系统的极限起动频率，而不是从零开始。 减速过程结束时的速度一般等于或略低于起动速度，再经数步低速运行后停止。 升速的规律一般有两种，一是按直线规律升速，二是按指数规律升速。 按直线规律升速时加速度为恒定，因此要求步进电机产生的转矩为恒值。 但实际上步进电机升速时由于反电动势和绕组电感的作用，绕组电流将逐渐减小，因此输出的转矩会有所下降，按指数规律升速时，加速度是逐渐下降的，接近步进电机输出转矩随转速变化的规律 【 7 】。 由于步进电机的速度正比于脉冲频率，控制步进电机的速度实际上就是控制脉冲频率。 用单片机对步进电机进行加减速控制，即控制 CP 脉冲的时间间隔。 升速时使脉冲逐渐加密，减速时使脉冲逐渐变疏。 本系统采用定时器中断来控制步进电机的加减速，实际上是不断改变定时器的定时初值的大小。 在运行的过程中用查表的方式查出所需的定时初值，从而减小占用 CPU 的时间，提高系统的响应速度。 步进电机的加减速控制技术是步进电机控制中的一项关键技术，它直接影响步进电机运行的平稳性、升降速的快慢、定位精度等性能，从而决定了步进电机控制系统的综合性能。 采用步进电机的加减速控制可以有效地克服步进电机启动过程中出现失步的问题，提高系统的响应速度和精度 【 8】。 20 变速控制的方法 改变控制方式的变速控制 最简单的变速控制可以利用改变步进电机的控制方式实现。 例如，在三相步进电机中，启动或停止时，用三相六拍，大约在 秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到达终点时，再次采用三相六拍的控制方式，以 达到减速的目的。 均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制 步进电机的加减速控制，可以均匀地改变脉冲时间间隔来实现。 例如在加速控制中，可以均匀地减少延时时间间隔；在减速时，可以均匀地增加延时时间间隔。 具体地说，就是均匀地增加或减少延时程序中延时时间常数。 这种控制方法的优点是，由于延时的长短不受限制，使步进电机的频率变化范围比较宽，但它降低了单片机的实时处理能力。 采用定时器的变速控制 在单片机控制系统中，可以采用单片机内部的定时器来提供 CP 脉冲。 其方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间向 CPU 申请一次中断 ， CPU 响应中断后便发出一个脉冲。 此时只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加减速的目的 【 9】。 这种方法的优点是减少占用 CPU 的时间，提高控制系统的效率和实时处理能力。 为了提高单片机的实时处理能力，系统采用中断的方法进行调速。 步进电机在自动生产线中的应用 由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响比较小，方向和转 21 角控制简单，并且步进电机能直接接受数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。 此外，步进电机不需要位置传感器或速度传感器可以在开环状态下定位或同步运行，有利于装置或设备的小型 化和低成本，因而在软盘驱动器、扫描仪、打印机、数控机床和自动化生产线等领域中都得了到广泛的应用 【 10】。 自动生产线结构如图 所示，它由搬运站、供料站、加工站、装配站和分拣站构成，每一个工作站都可自成一个独立的系统。 搬运站的功能是向各个工作单元输送工件，每完成一道工序就把工件送给下一个工作站，等加工站完成后再将工件送到装配站和分拣站整个自动生产线的加工过程就完成。 搬运站的整体运动采用步进电机驱动，具有定位精确和快速的特点。 该步进电机驱动系统具有行程长、多定位点的特点，是一个典型的一维位置控制系统。 因此步进电机的运动控制在自动生产线中得到了广泛的应用。 为了提高系统的响应速度，需要步进电机的速度尽可能的快，但为了防止步进电机在启动过程中发生失步，需要按一定的规律对步进电机的速度进行控制，也就是对步进电机的脉冲频率进行控制。 当停车时，由较高的频率突然降为零频率，使步进电机立即停止，可能会由于系统惯性的原因，转子会冲过终点，结果使停车不准确，因此停车也必须有一个降频的过程。 整个加减速的控制，如本文所述的步进电机加减速控制。 图 自动生产线结构示意图 22 步进电机传动组件由齿轮传动，每转一圈搬运站移动 55mm，如果步距角为θ，每转一圈需要走的步数 N=360176。 /θ，那每一步走过的距离为 L=55/N。 由此可以算出每个站点之间的需要走的步数，即需要总的脉冲个数。 例如一个步距角为 176。 的步进电机，从供料站到加工站的距离为 470mm，需要总的脉冲个数为 1709 个 【 11】。 各站点之间的距离如表 所示。 表 各站点距离 序号 站点 距离 1 供料站 — 加工站 470mm 2 加工站 — 装配站 286mm 3 装配站 — 分拣站 235mm 4 分拣站 — 返回工作原点 925mm 选用的步进电机的步距角越小，定位 精度就越高。 步进电机需要走的步数可以根据不同距离预先计算好，然后在单片机程序里设定好，也可以通过上位机进行控制。 本章小结 本章首先分析了步进电机的原理，并总结步进电机控制系统的特点；其次根据步进电机的控制特点，设计步进电机的驱动电路和环形脉冲分配器；为了使控制系统快以最短时间到达控制终点，并根据步进电机的矩频特性设计步进电机的变速控制的方法。 最后根据步进电机的优点，介绍步进电机在自动生产线中的应用。 23 第三章 控制系统硬件设计 硬件系统设计原则 系统的扩展和模块设 计应遵循下列原则 【 12】 ： （ 1）尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的。