基于51单片机控制的步进电机调速Word文件下载.docx
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2方案的论证
2.1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。
2.2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。
故一般采用后者，用光电骗码器作为反馈元件。
2.3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。
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，故应选用驱动芯片8713来驱动，并通过软件来实现步进电机的调速。
2.4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3-1所示。
图3-1系统原理框图
3硬件设计
3.1步进电机
因本次设计的要求，步进电机的应选用三相三拍的步进电机，关于步进电机的具体说明如下。
反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理。
3.1.1步进电机的特点
（1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
（2）步进电机外表允许的温度高。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；
一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；
频率越高，反向电动势越大。
在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
（4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。
步进电机有一个技术参数：
空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下，启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
3.1.2步进电机的静态指标
相数：
产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。
常用m表示。
拍数：
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
步距角：
对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。
3.1.3步进电机的动态指标
（1）步距角精度
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分比表示：
误差步距角*100%。
不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
（2）失步
电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。
称之为失步。
（3）失调角
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
（4）最大空载起动频率
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
（5）最大空载的运行频率
电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
（6）运行矩频特性
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。
如下图3-1所示
图3-1力矩频率曲线
（7）电机的共振点
步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180—250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
电机一旦选定，电机的静力矩确定而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态流）平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。
如下图3-2所示。
图3-2力矩频率特性曲线
其中，曲线3电流最大、或电压最高;
曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。
要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。
3.1.4步进电机详细调速原理
3.1.5步进电机的选择
图3-3是一台三相反应式步进电动机的原理图定子铁芯为凸极式共有三对六个磁极每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组转子用软磁性材料制成也是凸极结构只有四个齿齿宽等于定子的极靴宽下面通过几种基本的控制方式来说明其工作原理。
图3-3三相反应式步进电动机的原理图
（1）步进电机通电方式
当A相控制绕组通电，其余两相均不通电，电机内建立以定子A相极为轴线的磁场。
由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，使转子齿1，3的轴线与定子A相极轴线对齐，如图3-3（a）所示。
若A相控制绕组断电，B相控制绕组通电时，转子在反应转矩的作用下，逆时针方向转过30°
使转子齿2，4的轴线与定子B相极轴线对齐，即转子走了一步，如图3-3（b）所示，若再断开B相，使C相控制绕组通电，转子又转过30°
使转子齿1，3的轴线与定子C相极轴线对齐，如图3-3（C）所示。
如此按A-B–C-A的顺序轮流通电，转子就会一步一步地按逆时针方向转动，其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序若按A-C-B-A的顺序通电，则电机按顺时针反方向转动。
上述通电方式称为三相单三拍运行，“三相”是指三相步进电动机，“单”是指每次只有一相控制绕组通电，控制绕组每改变一次通电方式称为一拍，三拍是指经过三次改变通电方式为一个循环，我们称每一拍转子转过的角度为步距角。
三相单三拍运行时的步距角为30度。
其原理图如3-4所示。
图3-4定转子展开图
（2）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3-5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3-5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
。
（3-1）
图3-5三拍时的矩角特性族
3.2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MCS-51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。
3.3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3-6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。
图3-68713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3-7所示。
图3-7驱动电路框图
3.4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3-88279与CPU的接线图
3.5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。
3.5.1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3-9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。
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
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