畢業設計-基于單片機的步進電機控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 60 度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運行時步距角為 θ=360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步）。 定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的） 靜轉矩：電機在額定靜態電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音 。 三、方案設計 單片機系統設計主要包括以下幾個方面的內容：控制系統總體方案設計，包括系統的要求、控制方案的選擇，以及工藝參數的測量范圍等；選擇各參數檢測元件及變送器；建立數學模型及確定控制算法；選擇單片機，并決定是自行設計還是購買成套設備；系統硬件設計，包括接口電路，邏輯電路及操作面板；系統軟件設計，包括管理、監控程序以及應用程序的設計，應用系統設計包含有硬件設計與軟件設計兩部分；系統的調試與試驗。 確定單片機控制系統總體方案，是進行系統設計最重要、最關鍵的一步。總體方案的好壞，直接影響整 個控制系統的性能及實施細則。總體方案的設計主要是根據被控對象的任務及工藝要求而確定的。設計方法大致如下：根據系統的要求，首先確定出系統是采用開環系統還是閉環系統，或者是數據處理系統。選擇檢測元件，在確定總體方案時，必須首先選擇好被測參數的測量元件，它是影響控制系統精度的重要因素之一。選擇執行機構，執行機構是微型機控制系統的重要組成部件之一。執行機構的選擇一方面要與控制算法匹配，另一方面要根據被控對象的實際情況確定。選擇輸入 /輸出通道及外圍設備。選擇時應考慮以下幾個問題：被控對象參數的數量；各輸入 /輸出通道是 串行操作還是并行操作；各通道數據的傳遞速率；各通道數據的字長及選擇位數；對顯示、打印有何要求；畫出整個系統原理圖。 167。 步進電機控制原理 步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移 在步進電機中，控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍，每一拍轉子就轉過一個步距角 ，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。 使用、控制步進電機必須由環形脈沖 ，功率放大等組成的控制系統，其方框圖如 （ 1）所示 ： 圖 （ 1） 步進電機的驅動電路根據控制信號工作，控制信號由單片機產生。其基本原理作用如下： (1)控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：四相步進電機的四拍工作方式，其各相通電順序為 ABC－ D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C,D 或者 D,C,B,A 相的通斷。 (2)控制步進電機的轉向 步進電機的轉向由脈沖的分配順序決定，如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉，要想改變步進電機的轉向，只需將脈沖的分配次序顛倒即可實現。 (3)控制步進電機的速度 如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短 ,即通電一周的周期越短 ,驅動頻率越高 ,則電機轉速越快 ,因此步進電機的轉速取決于脈沖的發送速度的快慢，脈沖速度快了不進電機的轉速也就會加快，反之則會變慢， 但步進電機的轉速也不可能太快 ,因為它每走一步需要一定的時間 ,若信號頻率過高 ,可能導致電機失步 ,甚至只在原步顫動 . 調整單片機發出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速，實現步進電機的轉速控制。 167。 驅動系統組成 對于一個步進電機驅動系統來說，應包括信號發生、信號分配、功率放大等幾個模塊 。 167。 信號發生 通過對單片機的 IO口置高低點電平來產生脈沖信號 步進脈沖產生電路 ，在采用單片機的步進電機開環系統中 ,控制系統的 CP脈沖的頻率或換向周期實際上是控制步進電機的運行速度。系統可用兩種辦法實現步進電機的速度控制 。 第 一 種方 案 是延時 延時方法是在每次換向之后調用一個延時子程序 ,待延時結束后再次執行換向 ,這樣周而復始就可發出一定頻率的 CP 脈沖或換向周期。延時子程序的延時時間與換向程序所用的時間和就是 CP 脈沖的周期。該方法簡單 ,占用資源少 ,全部由軟件實現 ,調用不同的子程序可以實現不同速度的運行 。但占用 CPU 時間長 ,不能在運行時處理其他工作 ,因此只適合較簡單的控制過程。 第二 種 方案 是定時。 定時方法是利用單片機系統中的定時器定時功能產生任意周期的定時信號 ,從而可方便地控制系統輸出 CP 脈沖的周期。當定時器起動后 ,定時器從裝載的初值開 始對系統及其周期進行加計數 。當定時器溢出時 ,定時器產生中斷 ,系統轉去執行定時中斷子程序。將電機換向子程序放在定時中斷服務程序中 ,定時中斷一次 ,電機換向一次 ,從而實現電機的速度控制。由于從定時器裝載完重新起動開始至定時器申請中斷止 ,有一定的時間間隔 ,造成定時時間增加。為了減少這種定時誤差 ,實現精確定時 ,要對重裝的計數初值作適當調整。調整的重裝初值主要考慮兩個因素 :一是中斷響應所需的時間 。二是重裝初值指令所占用的時間 ,包括在重裝初值前中斷服務程序中的其他指令因素。綜合這兩個因素后 ,重裝計數 初值的修正量取 8 個機器周期 ,即要使定時時間縮短 8 個機器周期。用定時中斷方式控制電動機變速時 ,實際上是不斷改變定時器裝載值的大小。在控制過程中 ,采用離散辦法逼近理想升降速曲線。為了減少每步計算裝載值的時間 ,系統設計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統的 ROM中 ,系統在運行中用查表法查出所需的裝載值 ,這樣可大幅減少占用 CPU 的時間 ,提高系統的響應速度。其流程圖如圖 4 所示。 這個時間不應采用延時來實現，因為會影響到其他功能的實現。這里以定時的方式來實現。 167。 功率放大 由于單片機的驅動能力較小，控制系 統中應使用驅動芯片來對單片機產生的脈沖信號進行放大，然后才能驅動步進電機。步進電機的驅動方式很多，有單電壓驅動、雙電壓驅動、斬波驅動、細分驅動和集成電路驅動。由于集成電路集驅動和保護于一體，作為小功率步進電動機的專用驅動芯片，使用起來非常方便。 功率放大是驅動系統最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態平均電流而非靜態電流（而樣本上的電流均為靜態電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅動方式，到目前為止，驅動方式一般有 以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數等。 功率放大方案選擇： 方案一： 使用多個功率放大器件驅動電機通過使用不同的放大電路和不同參數的器件，可以達到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四