基于51单片机控制的步进电机调速

基于51单片机控制的步进电机调速内容摘要：

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 θ 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 35 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 2π/3 电角度，它的稳35 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。 NZ srSE  2 （ 31） 图 35 三拍时的矩角特性族 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，而且西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文） 12 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 MCS51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。 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 36 所示。 在 PWM8713 的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。 西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文） 13 图 36 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 ， ΦC 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 ， Φ4— Φ1 为四相步进脉冲输出端 ， Φ3— Φ1 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 37 所示。 图 37 驱动电路框图 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。 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。 独西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文） 14 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 38 8279 与 CPU 的接线图 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。 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西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文） 15 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 39 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。 PID 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 41 所示。 图 41 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：           t dIp dttdeTdtteTtektu01 （ 41） 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（ 41）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 tekp ， p 在比例部分中， Kp 是比例系数， Kp 越大，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 42 比例调节器 （ 42） 其中： U 控制器的输出。 PK 比例系数。 E 调节器输入偏差。 0U 控制量的基准。 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 积分部分的数学表达式是  0tPIK e t dtT 从它的数学表达式可以看出，要是系0Pu K e u西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文） 18 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 IT 的选择对积分部分的作用影响很大。 IT 较大，积分作用较弱，这时，系统消除误差所需的时间会加长，调节过程慢。 IT 较小，积分作用增强，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   pDkT de tdt。 微分部分的作用主要是抵消误差的变化，作用强弱由微分时间常数 T 确定。 DT 越大，则抑制误差 e(t)变化的作用越强，但易于使系统产生振荡， DT 越小，抵消误差的作用越弱。 因而，微分时间常数要选择合适，使系统尽快稳定。 比例积分微分调节器如图 43 所示。 图 43 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。 （ 43） （ 44） 由 (1)与 (2)式可推出下式 : （ 45） 增量式控制算法提供执行机构的增量 kΔu 只需要保持现时以前 3 个时刻的100[ ( ) ]k Dk P k j k kjI TTu K e e e e uTT     11 1 1 2 00[ ( ) ]k Dk P k j k kjI TTu K e e e e uTT       1 1 1 2[ ( 2 ) ]Dk k k P k k k k k kI TTu u u K e e e e e eTT           。