荐基于proteus的步进电机闭环控制仿真［精选整理］

荐基于proteus的步进电机闭环控制仿真［精选整理］内容摘要：

5 就是齿 1） 下面是定 子和 转子的展开图： 图 21 定 子和 转子的展开图 2 步进电动机的介绍 7 步进电机的旋转 如 A 相通电， B， C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如 B 相通电， A， C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向右移过 1/3て ，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3 て ，齿 4 与 A 偏移 （て 1/3 て） =2/3 て。 如 C 相通电， A， B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过 1/3て ，此时齿 4 与 A 偏移为 1/3 て 对齐。 如 A 相通电， B， C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3 て ，这样经过 A、 B、 C、 A 分别通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到 A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A， B， C， A„„ 通电，电机就每步（每脉冲） 1/3 て ,向右旋转。 如按 A， C， B， A„„ 通电，电机就反转 [9]。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系 ，而方向由导电顺序决定。 图 22 电机的相与转子 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。 往往采用 AABBBC－ CCAA 这种导电状态，这样将原来每步 1/3 て改变为 1/6 て。 甚至于通过二相电流不同的组合，使其 1/3 て 变为 1/12 て ， 1/24 て ，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m 1)/m,1。 并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制 —— 这是步进电机旋转的物理条件 [10]。 步进电动机的控制原理 由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能西安交通大学城市学院本科毕业生（论文） 8 直接接到交直流电源上，而必须使用专 用设备 — 步进电机控制驱动器，控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列。 环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电动机的转动。 环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器、另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。 功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的 [11]。 换相顺序的控制 步进电动机的通电换相顺序严格按照步进电动机的工作方式进行。 通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。 例如：混合式步进电机的工作方式，起各相通电顺序为 ABCD，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A,B,C,D 相地通断，这就是所谓脉冲环形分配器 [12]。 步进电动机的转向控制 通过前面介绍的步进电动机原理我们已经知道，如果按给定的工作方式正序通电换相，步进电动机就正转；如果按反序通电换相，则电动机就反转。 步进电动机的速度控制 如果给步进电动机发一个控制脉冲 ，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。 两个脉冲的间隔时间越短，步进电动机就转的越快。 调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速 [13]。 步进电动机的位置控制 步进电动机的位置控制，指的是控制步进电动机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。 对步进电动机位置控制的一般作法是：步进电动机每走一步，步数减 1，如果没有失步存在，当执行机构到达目标位置时，步数正好减到 0。 因此，用步数等于 0 来判断是否移动到目标位，作为步进电动机停止运行的信号 [14]。 下面举例来说明步进电动机加、减 速控制程序的编制。 2 步进电动机的介绍 9 图 23 是近似指数加速曲线。 由图可见，离散后速度并不是一直上升的，而是每升一级都要在该级上保持一段时间，因此实际加速轨迹呈阶梯状。 如果速度是等间距分布，那么在该速度级上保持的时间不一样长。 为了简化，我们用速度级数 N 与一个常数 C 的乘积去模拟，并且保持的时间用步数来代替。 因此，速度每升一级，步进电动机都要在该速度级上走 NC 步（其中 N 为该速度级数）。 为了简化，减速也采用与加速时相同的方法，只不过其过程是加速时的逆过程。 图 23 加速曲线离散化 本程序的参数除了有速度级数 N 和级步数 NC 以 外，还有以下参数。 （ 1） 加速过程的总步数 电动机在升速过程中每走一步，加速总步数就减 1，直到减为 0，加速过程结束，进入恒速过程。 （ 2） 恒速过程的总步数 电动机在恒速过程中每走一步，恒速总步数就减 1，直到减为 0，恒速过程结束，进入减速过程。 （ 3） 减速过程的总步数 电动机在减速过程中每走一步，减速的总步数就减 1，直到减为 0，减速过程结束，电动机停止运行 [15]。 步进电动机的特点 步进电动机有如下特点： （ 1） 步进电机的角位移与输出脉冲数成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。 （ 2） 由步进电机和驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，又非常可靠。 同事，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 （ 3） 步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 （ 4） 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速情况下仍能保证获得很大的西安交通大学城市学院本科毕业生（论文） 10 转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。 （ 5） 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直接电源。 （ 6） 步进电机自身的噪声和震动比较大，带惯性负载的能力强 [16]。 3 主要芯片介绍 11 3 主要芯片介绍 89S5l 单片机简介 本次设计以 CPU选 用 89S5l 作为步进电机的控制芯片． 89S51 的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写 数 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。 AT89S51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM—Flash 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AT89S51 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 [17]。 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。 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。 （ 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。 （ 9） P1 口（ 18）：准双向通用 I/0 口。 （ 10） P2 口（ 2128）：准双向 I/0 口 [18]。 单片机的主要特性 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西安交通大学城市学院本科毕业生（论文） 12 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 [19]。 （ 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。 输入至 其 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 [20]。 （ 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， AT89S51 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 [21]。 L298 简介 L298 的原理 L298N 是 ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。 该芯片采用 15脚封装。 主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达 46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A；内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。 使用 L298N 芯片驱动电机，该芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可以直接通过电源来调节输出电压；并可以直接用单片机的 I/O 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便 [24]。 L298 概述 L298 是 SGS 公司的产品，比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298N，内部同样包含 4 通道逻辑驱动电路。 可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步3 主要芯片介绍 13 进电机。 L298N 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。 L298N 可接受标准 TTL 逻辑电平信号 VSS， VSS 可接 4． 5～ 7 V 电压。 4脚 VS 接电源电压， VS 电压范围 VIH 为＋ 2． 5～ 46 V。 输出电流可达 2． 5 A，可驱动电感性负载。 1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。 L298 可驱动 2 个电动机， OUT1， OUT2 和 OUT3，OUT4 之间可分别接电动机。 图 35 是 L298N 功能逻辑图 ,图 36 是 L298N 的引脚图 [25]。 图 35 L298N 芯片逻辑功能图 图 36 L298N 引脚图 西安交通大学城市学院本科毕业生（论文） 14 光电开关 本系统中所用传感器为 FCSPX302 光 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 524V,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 DC24V的广范围 5. 备有遮光时入光显示灯 灯亮型 其连接电路如图 37 所示： 图 37 “ L”与“ +”相连时 连接电路 图 “ L”与“ +”相连时，传感器未检测到物体时 LED 灯发光。 图 38 “ L” 悬空传感器检测到物体 时 连接电路 图 “ L”悬空传感器检测到物体时 LED 灯发光。 4 硬件设计 15 4 硬件设计 启动系统后，从单片机的 I/O 口输出控制脉冲，经过 L298N 驱动电路对脉冲进行处理，输出能直接控制步进电机的脉冲信号。 在负载能力范围允许内，就能实现步进电机独立起停、转向、速度、位置变化的 控制。 总体设计方框图 由 41 图中看以看出以单片机为控制核心。 键盘做为外设，进行功能的选择，启动，转速增加，转速减少，停止等操作。 1602 液晶屏显示实际转速和设定转速。 通过 L298N 来驱动步进电机。 把步进电机的实际转速通过单片机外部中断。