基于at89c51型单片机的步进电机转速控制器

基于at89c51型单片机的步进电机转速控制器内容摘要：

气隙的，这时作用在气隙中的磁势是同极性的，称为单极磁势。 而转子包括两段，一段经永磁体磁化成 N 山东科技大学学士学位论文 7 图 定子展开图 极，另一段磁化为 S 极，每段转子齿以一个齿距间隔均匀分布，但两段转子的齿相互错开 1/2 个转子齿距。 a) N 极段截面图 b) S 极段截面图如图 所示 : a) N 极段截面图 b) S 极段截面图 图 三相混合式步进电机截面图 步进电机详细调速原理 步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，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。 山东科技大学学士学位论文 8 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。 本次设计的基本要求 研究步进电机的特性、工作原理、及其具体的调速原理。 基本要求 : 步进电机采用三相步进电机，功率为 1W。 调速范围为 0 到 1000r/min最高转速时，精度 2%. 要基本上完成毕业设计，作到步进电机能精确的调速，正反转、并能在起动时不失步，基本上没有振荡，能完成完整的硬件电路图，软件设计。 2 方案的论证 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。 延时子山东科技大学学士学位论文 9 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： (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山东科技大学学士学位论文 10 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（ eleCtromotiveforCe， emf）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。 山东科技大学学士学位论文 11 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。 固一般采用后者，用光电骗码器作为反馈元件。 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。 山东科技大学学士学位论文 12 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，固应选用驱动芯片 8713 来驱动，并通过软件来实现步进电机的调速。 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 ： 山东科技大学学士学位论文 13 图 系统原理框图 3 硬件电路的设计 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（ FPEROM— FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）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。 单片机的引脚功能 (1)VCC（ 40）：电源 +5V。 (2)VSS（ 20）：接地，也就是 GND。 (3)XTL1（ 19）和 XTL2（ 18）：振荡电路。 光电编码器 8279 显示器 光电耦合 AT89C51 键盘 8713 三相步进电机 山东科技大学学士学位论文 14 单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在 XTL2 上加外部时钟信号（详细的内容将在以后 的课程中专门介绍）。 (4)PSEN（ 29）：片外 ROM 选 通信 号，低电平有效。 (5)ALE/PROG（ 30）：地址锁存信号输出端 /EPROM 编程脉冲输入端。 (6)RST/VPD（ 9）：复位信号输入端 /备用电源输入端。 (7)EA/VPP （ 31 ）：内 / 外部 ROM 选择 端。 (8)P0 口（ 3932）：双向 I/O 口。 P1 口（ 18）：准双向通用 I/0 口。 P2 口（ 2128）：准双向 I/0 口。 原理图如 所示： 主要特性 与 MCS51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000 写 /擦循环数据保留时间：全静态工作： 0Hz24Hz 三级程序存储器锁定、 128*8 位内部 RAM、32 可编程 I/O 线、两个 16 位定时器 /计数器、 5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 13 J un 201 0 S he e t of F i l e : G : \电路原理图 .ddb D r a w n B y :T 1/ P 15W R / P 16 R D / P 17X T A L 218X T A L 119GND20T 0/ P 14P 1 P 2P 4P 5P 6P 3P 7P 8R X D / P 10T X D / P 11R S T / V P D9P 38I N T 0/ P 12P 25P 21P 22P 23P 24I N T 1/ P 13P 26P 27P 28P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31。