单片机控制步进电机转速连续性最优控制方法研究.docx
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单片机控制步进电机转速连续性最优控制方法研究
本科毕业设计（论文）
题目：
单片机控制步进电机转速连续性最优控制方法研究
教学单位：
控制工程学院
专业：
自动化
学号：
1109101032
姓名：
毛彦雄
指导教师：
万少松
2015年5月
摘要
步进电机是通过把脉冲电信号转换为角位移或直线位移的电动机，非常适合进行微机数字控制，在工业生产过程中应用非常广泛。
它的角位移和电动机绕组的脉冲个数成正比，转速和电动机的频率成正比，通过改变脉冲频率，来控制步进电机的调速，同时，该电机还可以快速起动，制动，反转和自锁等。
此外，步进电机易和计算机或其他数字元件接口连接，适用于数字控制系统。
在实际应用中，如果全靠硬件来实现整个控制时，线路比较复杂，实现难度很大，且很难达到精确控制，随着单片机技术的快速发展，为实现步进电机软件控制提供了很好平台，让步进电机得到了飞速发展。
近年来步进电机在工业控制方面应用增加了很多，如视频图形控制系统，数控机床，红外窑监控粉状物料的计量等，本篇论文就对单片机控制步进电机转速连续性方法中存在的问题进行分析和展开研究，并提出简化加速算法和步进电机作为速度信号源时速度连续性最优化的控制方法和分析计算。
关键词；步进电机最优控制脉冲间隔时间常数机器周期电机转速变加速度计控制
Abstract
Steppermotoristhroughthepulsesignalintoangulardisplacementorlineardisplacementofthemotor,verysuitableformicrocomputerdigitalcontrol,iswidelyusedinindustrialproductionprocess.Itsangulardisplacementandpulseisproportionaltothenumberofthemotorwinding,thespeedandfrequencyisproportionaltothemotor,bychangingthepulsefrequency,tocontrolthespeedofstepmotor,atthesametime,themotorcanalsobequicklystarting,braking,reverseandself-locking,etc.Inaddition,thesteppermotorinterfaceconnectionandacomputerorotherdigitalcomponents,applicabletothedigitalcontrolsystem.Inpracticalapplication,ifdependsonthehardwaretorealizethewholecontrolcircuitismorecomplex,implementationisverydifficult,anditisdifficulttoachieveprecisecontrol,withthefastdevelopmentofmicrocomputertechnology,torealizethesteppermotorcontrolsoftwareprovidesagoodplatform,concessionsmotorgotrapiddevelopment.Steppingmotorinindustrialcontrolapplicationsinrecentyearshasincreasedalot,suchasvideographicscontrolsystem,thencmachinetools,infraredkilnmonitoringmeasurementofpowdermaterial,thispaperonsinglechipmicrocomputercontrolsteppingmotorspeedcontinuitymethodandanalyzestheproblemsexistinginthestudy,andputforwardthesimplifiedaccelerationalgorithmandstepmotorasthespeedsignalsourcespeedcontinuousoptimizationofthecontrolmethodandtheanalysisandcalculation.
Keywords;Steppermotoroptimalcontrolpulseintervaltimeconstantmotorspeedvariableaccelerometercontrolmachinecycle
目录
第1章绪论1
1.1研究本课题的背景1
1.2研究本课题的目的和意义1
1.2.1研究本课题的目的1
1.3国内外研究情况2
第2章本课题的研究方案4
2.1步进电动机的工作原理：
4
2.2步进电机的控制参数4
2.3步进电机控制系统设计5
2.3.1硬件设计5
2.3.2软件设计5
第3章研究方案的方法和分析7
3.1理论上运行曲线的简化加速算法7
3.2提出研究的方法7
3.3对提出的方法进行分析8
3.4加速简化算法实现控制的优点10
第4章总结与展望11
4.1总结11
4.2毕业设计的收获11
4.3完成设计中存在的问题11
4.4展望12
第5章参考文献13
致谢14
第1章绪论
1.1研究本课题的背景
每个都有一个控制脉冲电动机运行步骤称为步进电机或脉冲电机。
步进电机根据脉冲信号的方向设置一个固定的角度,可以通过控制脉冲数量进行控制,以达到精确定位目标角位移的数量。
它是通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,来实现步进电机的调速的。
步进电机转子低惯性定位精度高。
简单的没有累积误差的控制等等。
在现实工厂的控制不受电源电压，负载、环境、温度的影响从而实现快速起动,控制和反演。
步进电机是机电行业的代表产品，它可以高精度旋转角和转速的控制,同时广泛应用于包装机械，电子钟表工业控制控制系统等行业，在这个科学高速发展社会中，微电子和计算机技术日新月异,步进电机在国民经济领域的使用越来越广泛。
通过研究对步进电机转速的连续控制,让步进电机控制起来更加方便,让它应用于在更多的领域中。
步进电机的发展方向主要有以下三点；
（1）更好的完善和发展步进电机驱动和控制功能，如电子齿轮比技术，扩展通讯网络功能等
（2）对步进电机高功率密度系统进行研究和创新发展。
（3）改由闭环控制系统来替代开环控制系统，为了彻底克服步进电机系统中存在的一些问题，如震荡的倾向和失步等，从而改为闭环控制系统。
这种改变使步进电机系统起了质的改变，让步进电机不再是本来意义上的步进电机发展成为无刷直流电机。
1.2研究本课题的目的和意义
1.2.1研究本课题的目的
综合应用所学的理论知识，加上指导老师的帮助和参考文献的阅读，能知道单片机和步进电机的基本理论知识，知道是单片机如何控制步进电机的转速的，同时知道控制转速连续性最优化的方法。
1.2.2研究本课题的意义
开环控制步进电机系统中，电动机是很稳定的，它的转速不会随电动机超负载的变化而变化的,而是由脉冲信号的频率和个数决定的。
步进电机的运行实在专用的脉
冲电源供电下进行的，其转子走过的步数，与输入脉冲成正比的，步进电机动态响应快，控制性能好，步进电机的误差是不会一次一次累积的，只有周期性的误差,通过这种特性是对步进电机控制变得非常简单。
步进电机与普通的直流电机不同的是步进电机可以控制电机的旋转角度，步进电机是按照固定的角度旋转的。
这就可以看出,在应用中对步进电机的转速精确的控制是非常重要的。
可以通过控制脉冲频率来控制步进电机的转速，就可以更好地控制其转速连续性,因此由步进电机和驱动控制器组成的开环控制系统既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定的工作，在领域的自动化和机器人技术中步进电机就可以得到很好的应用
1.3国内外研究情况
步进电机是是根据固定的角度（称为步距角）一步一步运行旋转的，在运行过程中是不会产生误差，利用这一特点把步进电机应用在开环控制系统中。
在其工作过程中，需要达到精确定位的目的和控制不同转速时都可以使用步进电机[1]。
在我国，步进电机的研制始于1958年。
当时只有清华大学，华中理工大学等少数高校在从事这项工作，到70年代，由于电子工业数字控制技术的发展，特别是数字控制线切割机床发展的需求，才使步进电机的研究初步开展起来，经过四十几年的发展，随着步进电机理论的完善，特别是磁阻式步进电机，产品品种，规格的系列化使得步进电机的发展势头有所缓和步进电机电磁设计通常分为:
永磁（PM）、活性（VR）和混合（HB）,同时,根据不同的设计的线圈励磁,步进电机可以根据传输设计方法、步骤,步进电机和旋转型线性步进,没有减速齿轮与减速齿轮等分为俩个阶段。
永磁步进电机的转矩和体积较小,它的步距角一般是7.5度或15度，可以实现大扭矩输出,但在使用时噪音和振动很大。
在欧洲和美国和其他发达国家在80年代已经消除。
混合式步进是指永磁和反应性的优点。
它分为两个阶段,四个,五个阶段:
两个阶段第五步阶段通常和间隔角1.8度角0.72度。
步进电机的应用更为广泛。
步进电机是按照电动机的内部线圈组数分为两相、三相、四相,五相。
除了不同的角度，步进电机相数是不同的,一般分为1.8度角的两相电机,三相1.5度、0.72度的五个阶段[2]。
步进电机的操作电子设备驱动程序,设备是步进电机驱动器,它是控制系统的脉冲信号为步进电机的角位移,或者:
每发送一个脉冲信号控制系统,通过驱动使从步进电机旋转的角度。
近期在我国，磁阻式步进电机还有一定的市场，年需求量为十几万台，从目前来看，今后几年还会有所增长的。
这是因为我国工业化的程度不高，许多先进的伺服系统还没有达到商品化的程度。
而这种磁阻式步进电机技术已经成熟，在价格上较为便宜，易于操作，在国外，这种步进电机几乎没有了，仅仅在一些特定的场合，例如在温度很高的核反应堆中用到。
永磁式步进电机是把绕满漆包线的注塑骨架套在定子极板上，再把极板和冲制而成的机壳电焊在一起，就形成一台电动机。
这种结构充分体现微电机加工中的少切割，无切削化。
具有简单，工艺极佳，生产效率高，成本低等优点，因此一面世就广泛的应用于打字机，复印机，传真机等领域中。
混式步进电机是结合了磁阻式步进电机和永磁式步进电机的特征，因而性能好，具有分辨率高，控制功率小等优点，随着世界全球经济化的发展，发达国家把一些量大面广劳动密集的产品向劳动力低廉的中国转移，使我国在该类步进电机的研制和生产上，形成了一定的规模。
第2章本课题的研究方案
2.1步进电动机的工作原理：
对于普通的电动机来说，它的转子是用永磁体做成的，按下开关按钮，这是电流流过定子绕组,由于定子绕组间发生电生磁现象，使定子绕组上产生磁场。
产生的磁场可以通过磁力作用让转子旋转一个角度,从而使转子和定子的磁场方向保持一致。
当电机的定子绕组旋转一个角度时，电机定子也会在磁力作用下转一个角度。
改变绕组电流的方向,则电动机就会产生逆向转动。
所以,可用控制脉冲数量、频率和相绕组电机为了控制步进电机的转动。
单一的三种模式,例如,一个术语首先电力两个电力（B,C）,产生一个——”,通过转子形成闭环。
在这一点上,“极电磁铁N,s极.在磁场的作用下,转子总是和定子的位置对齐,“非常;然后常见电气电力或不（A、C）,转子顺时针方向转动30°,和B,B’的对齐,然后共同电动C（A、B两个电或不）,转子将顺时针3°C,C”对齐,当从一个接一个脉冲信号时,转子会顺时针,一步一步,如果>C>B>>…电力的顺序,电动机转子逆时针旋转。
这是步进电机的工作原理。
2.2步进电机的控制参数
当把步进电机作为速度执行元件进行高速运行时，如果电机启动的太快就容易引起丢步现象，如果步进电机停止太快，就会由惯性作用引起从而产生的过冲现象，这样就会给控制系统造成一定的误差，所以步进电机在高速运行时要经过起动时加速然后恒速运行，再减速，最后停止这样的过程，因此在计算机控制的智能检测系统中会使用了三台步进电机X轴驱动，Y轴驱动，速度信号源[3]。
下位机采用8098单片机，通过仔细的分析和反复调试实验得出出了一个较为通用的电机控制程序。
在8098内部RAM上依次存放。
电机号；1,2,3分别代表1#，2#.3#电动机
正反转；0代表反转，1代表正转
加速度；步进电机进行加速的脉冲个数为M（从第M个脉冲开始恒速运行）
匀速度；匀速运行时速度常数为N
减速度；步进电机进行减速脉冲个数为w（从第w个脉冲开始减速运行）
总步数；电机运行的总步数
连续否；F是电机运行完给定的总步数，不记录最后所停止的相位，D是电机运行完给定的总步数，同时记录电机最后所停止的相位以便下一次起动时接着运行，从而保证系统的连续定位精度。
锁存相位1；X轴电机上次运行结束时停留的相位。
锁存相位2；Y轴电机上次运行结束时停留的相位。
2.3步进电机控制系统设计
2.3.1硬件设计
本系统主要采用8098单片机高速输出口HSO及软件定时器按一定规律输出脉冲控制步进电机的运行频率，同时还采用了EPROM（27128）、RAM（6264）、键盘和显示接口电路（8279）、显示器和键盘、驱动电路、光电编码器等器件。
步进电机控制器如图2.1所示。
图2.1步进电机控制器的硬件结构图
8098单片机具有计数器、高速输进、输出端口和串行端口，采用它构成步进电机控制器，简化了控制结构，从而使控制系统本钱降低，因此，可在产业控制系统中推广使用[4]。
2.3.2软件设计
控制系统软件主要由监控子程序、主控制程序、中断程序等组成。
监控子程序用于输进数据和控制参数；主控制程序用于以最优控制策略控制步进电机起动、运行和停止；
中断程序用于切换步进电机的控制电压。
最优控制主程序框图如图2.2所示。
图2.2步进电机最优控制程序框图
第3章研究方案的方法和分析
3.1理论上运行曲线的简化加速算法
根据上面的参数,很难确定步进电机加速和减速,加速过程的计算机控制可以成功,是因为加速脉冲重复频率的增加。
根据参考,步进电机转矩频特性,如图表显示这个矩频特性分析,适用于线性加速度的兴衰,这个特性是使用变量指数曲线,曲线比较符合步进电机的运行规律和减速过程中,可以充分利用有效的步进电机转矩,快速响应和加速度方法1和2中给出参考参数基于查表的方法,即曲线分段线性化操作之前,速度来计算每个级别对应的参数序列的速度,存储形式的形式,分别要求电动机转速[5]。
这种方法在统一的速度可以任意更改将无法满足需求,因为不能提前储存太多的形式调用,和选项卡很麻烦,非常简单,在微机近似优化加速实现的过程电机在低速时（focn，G-NG-N-（N-1）…..，co+10，co+6，co+3，co+1，（n-1，2….N）式中cn-Cn-1=n，n=1，2，….，N
上面序列从co开始，相邻俩项之差依次为；1,2,3,….，N，是一个递增序列，因此可以得出；
它对应着一个匀变加速运动过程，每一步加速度按1,2,3….，它的基本延时单位递增，匀变加速度等于1个基本延时单位[6]。
N的选择需满足的条件是，电机以cn为脉冲间隔延时时间常数启动时，fo=500Hz左右。
因为n是作为加速参数可以随意设定，这样很容易确定一个合适的值。
对于不同的匀速频率f1，f2，..fn，电机都是用同样的匀变加速度起动的，由于匀变加速度等于1个最小延时单位，这样电机就可以平稳起动而且不会产生丢步现象，此方法起动时间长一些，但对单片机控制系统来说，是可以忽略不计的。
3.2提出研究的方法
我们之所以把步进电机作为速度信号源，是因为它可以产生连续的速度信号。
可以通过控制脉冲时间间隔来改变步进电机的转速的，脉冲时间间隔每减少△tm，步进电机的转速就增加△ts，所以当△tm趋向于0时，就可以得到最优连续转速，这个在实际控制应用中是没有办法实现的。
但在单片机控制步进电机系统中就可以获得最优的速度连续性。
3.3对提出的方法进行分析
设步进电机步矩角θ=1.5度，每圈步数为360/θ240度
设每步时间（脉冲间隔）为ts，每圈时间为；t=240ts。
由此可得电机转速为；
（1）
每当步时间为
时，电机转速为；
（2）
由式
（1）得；
将t’代入式
（2）得；
（3）
当s尽可能趋近0时，电机就可以获得最优连续转速。
以8098单片机系统为例，当系统晶振为fo时，机器周期为公式（3）时；
（4）
在不增加硬件接口的情况下，可以通过控制改变步进电机脉冲时间间隔的方法有，软件延时或占用8098本身的定时/计数器，定时/计时器一般很少用到，因为8098的定时/计数器通常是用在一些重要事件的处理上[7]。
通过软件延时来控制脉冲时间间隔时，设寄存器R存放脉冲间隔延时时间常数，最为简单的延时子程序格式为：
机械周期
DELY;DECBR4
DINZDELY9
RET12
设（R）-n，当（R）=n+l时，对应的延时时间增量：
设系统晶振为6MHz
将上式代入式（3），可以求出步进电机在转速分别为200，400，600，800，1000r/min时，当脉冲间隔延时时间常数每减1时电机相应的转速变化如表1所示，在表中可以看出，当步进电机转速越高时，它的速度连续性越差，要使速度连续性变好就让△tm趋向于最小。
在这里用的延时方法，选用机器周期最少的指令作为延时的基本单位，利用浮动指针取延时程序首址的方法，比如8098指令系统中的NOP指令，占4个机器周期，其中，延时首址TIME指针可上下浮动，每浮动一条指令，对应的延时子程序增加或减少一个NOP指令周期，即四个机器周期，也就是：
将上式代入公式（3），可以得出TIME指针每减1相应的转速变化如表1所示。
当系统晶振选用12MHz时，就可以得到更加连续的转速特性，这时：
将上式代入公式（3），可以求出TIME指针每减1相应的转速变化如表1中相应的项[8]。
这对于单片机所控制的步进电机来说，速度的连续性已经是最优的了
下面是TIME浮动在任意延时位置所对应的步进电机的转速的快速算法：
先设定一个转速s，然后根据程序计算或实验求出步进电机在转速为s时，脉冲间隔延时程序TIME的位置，设为（nnnn0），电机调速可以通过移动TIME指针进行。
设调到任意转速时，TIME指针为（nnnnl），根据公式（3）可以得出，这时电机转速s’：
取
，代入上式得；
根据上面所介绍的延时方法和速度计算方法做实验，得出由式（4）同时计算出的转速理论值和实际值的对比如表2所示，可以看出精度是很高
表3.1相应的转速变化
延时程序
TIME
对应转速
TIME下移1对应转速
速度增量
△s
TIME下移
1对应转速
速度增量
△s
TIME下移
1对应转速
速度增量△s
200
201.0
1.0
200.3
0.3
200.2
0.2
400
404.2
42
401.3
1.3
400.6
0.6
600
609.5
9.5
602.9
2.9
601.4
1.4
800
817.0
17.0
805.1
5.1
802.5
2.5
1000
1026.7
26.7
1008.1
8.1
1004.0
4.0
表3.2转速理论值与实测值对比
理论值
197.8
204.1
393.5
589.7
615.2
777.6
955.2
1016
实测值
197.4
204.0
393.0
598.0
616.0
777.0
954.7
1017
3.4加速简化算法实现控制的优点
操作时方便,让计算变得十分简单,通过改变转速的加速度来达到控制加速过程的参数不同的速度的目的,并且可以防止电动机有失步和超调现象[9]。
使用脉冲间隔延迟方法的优点:
（1）.通过应用浮针,最小单位时间延迟方法可以使步进电机转速有了最优速度连续性,这是用软件调整步进电机转速的有效方法。
（2）.使用这种方法好处是不占用单片机其他别针,不需要外部扩展计时电路,可以达到连续速度的效果，用起来十分方便。
（3）.使用式,可以精确地计算在任何时刻电阻电流步进电机的速度,不需要其他的硬件设施,这在需要随时知道电动机转速的场合下非常有用,同时也节省了许多硬件资源。
第4章总结与展望
4.1总结
实验结果表明，以J为目标函数获得的最优控制脉冲序列能使步进电机以最短的时间启动加速到稳态转速和由稳态转速减速到零，其加、减速过程比过往以为是最优规律的指数曲线来得快，并且可以保证按照系统确定的最优控制脉冲序列加速不会丢步、减速不会越步。
本文提出的方法不用推导步进电机复杂的非线性数学模型，而由系统通过检测目标函数，直接确定与目标函数极值相对应的最优控制脉冲序列，进而实现最优控制。
当负载改变时，也只要重新执行一遍程序就可获得与新负载相对应的最优脉冲序列。
因此本方法较为简单、方便。
对于生产现场产业微机控制系统中的步进电机，只需要在现场系统中增加部分硬件和软件就可以由现场系统自行确定电机的最优脉冲序列，而不必将电机与负载移进实验室进行试验，整个方法比较实用、灵活。
步进电机最优控制明显进步了产业控制系统的生产效率，因而在产业控制中得到了广泛的应用。
4.2毕业设计的收获
经过万老师的悉心指导，我在本次毕业设计过程中学到了很多知识，知道
什么是步进电机，如何通过单片机来控制步进电机，在控制步进电机的转速是
有哪些方法可以使其达到转速连续性最优化控制。
在这期间，万老师向我推荐
了一些专业书籍，让我懂得了许多以前不知道的知识。
同时也让我知道了学无
止境的道理，使我明白了在以后的生活过程中一定要多看书，来丰富自己的知
识。
4.3完成设计中存在的问题
因为我的专业课学的比较差，设计论文时准备不太充分，有许多地方不是
很明白，因此，论文中有很多不足的地方。
现在我只知道了一些基本理论知识，
还有许多东西不能用在实际操作中，只能是纸上谈兵罢了。
4.4展望
就目前情况看，步进电机系统在控制领域起主导作用。
因为步进电机具有距值不受各种干扰因素的影响，误差不长期积累，控制性能好，启动、停车、翻转都是在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢失一步。
所以，步进电机被广泛应用于数控机床上。
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