直流电机调速系统仿真研究毕业设计论文分析.docx
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直流电机调速系统仿真研究毕业设计论文分析
中文摘要和关键字
摘要：
我这次毕业设计的题目是：
步进电机准确定位的实现。
众所周知，软件的设计离不硬件这个平台，所有的设计都要围绕已有的硬件
条件进行。
我们的控制系统的核心是步进电机。
步进电机作为一种数字伺服执
行元件.具有结构简单，运行可靠，控制方便，控制性能好等优点，因此在数控机床，机器人，自动化仪表等领域有着日益广泛的应用。
对于那些以低廉的开发成本，快速的开发过程，简单的系统维护为主目的，而对系统的运算速度要求不高的工程项目，独立式运动控制系统是最理想的选择。
为了使步进电机在转速和负载变化的情况下不失步地运行，并保持最快响应速度，需要对其进行
动态升降速控制。
在我的设计中，采用8051单片机作为上位机，发出一系列的脉冲来控制步进
电机的升降速。
至于发出什么样的脉冲信号以实现特定的功能，取决于上位机的
软件设计。
作为上位机的设计者，上位机的软件实现是我最重要的工作。
关键字：
步进电机自动升降速单片机控制系统
英文摘要和和关键字
Abstract:
Thetopicofthiscoursedesignofmeis:
Achievementofaccuratefixedpositionbysteppermotordriving.
Asweknown,noneofsoftwaredesigncandeviatefromtheroofgardenofhardware.Asadigitalservoexecutionelement,steppingmotoris
reliable,easytobecontrolledandbeingofsimplestructureandexcellentperformanee.IthasbeenwidelyusedinNCmachinetools,robotsautomationinstrumentsandotherfields.Independencymotioncontrollermightbethebestchoiceforthoseprojects,whichshouldbeeconomic,quicktobedeveloped,andofeasymaintenancewhiletheydon'thavetobeofhighoperationspeed.Inordernottoloseastepunderavarying
speedandavaryingload，adynamicspeedcontrolisneededtogetthefastestresponse.
Asthedesigner,toaccomplishthesorfewareismymostimportant
mission.1adaptMicroconcrollerasthecontrollertocontroltheelectricpuslesigals,realizedthestepper-motorspeedcontrolling.
Keyword：
stepper-motorMicroconcrollerControlsystem
第一章绪论
1.1问题的提出
1.1.1前言
步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，具有精度高、惯性小、工作可靠、能实现高精度快速开环和闭环控制，是一种性能良好的数字化执行元件。
随着数字技术和计算机的迅速发展，步进电机广泛应用于伺服控制，在经济型数控系统中步进电机应用广泛，使用步进电机在开环控制数控系统在高速运行前必
须有一逐步升速的过程，否则步进电机将会失步：
临到终点前必须有一个减速过
程，否则会造成过冲，使定位不准。
然而，在实际应用过程中，它的运行性能受电机本身结构参数、驱动电路、所带负载以及控制脉冲等影响，特别是控制脉冲的质量影响步进电机的效率、精度及误差，若在升速过程中，脉冲频率（即步
进电机的换相频率）的变化不合理，轻则使步进电机失步且升速时间延长，重则输出力矩达不到设计指标，并且远远达不到电机设计的高频性能，特别是在一些要求快速响应的场合要求步进电机在最短的时间内作出最快的反应这就要求步进电机够快速启停，在短时间内速度达到最大；而后又要使步进电机的速度在短时间内降为零；同时又要满足不失步而能够精确定位。
因此使步进电机在应用过程中能够达到快速定位，运行步数准确。
对于那些以低廉的开发成本、快速的开发过程、简单的系统维护为主要设计目的，而对系统的人机界面和运算速度要求不高的工程项目，独立式运动控制系统是最理想的选择之一。
另外一些应用范围包括那些需要自主运动控制子系统的分布式系统。
通过把独立式控制器集成于一个分布式应用系统中可以简化点到点之间的配线，避免在每一个控制点都需要一台单独的主机。
在有些场合如艰苦环境下的野外作业，模块化设计等，都需要一个有牢固机箱的控制器，独立式运动控制器也是理想的选择。
独立式控制器的应用十分广泛在使用步进电机和数字伺服电机的运动控制
系统中，都可以使用它作为核心控制单元，典型的应用领域包括：
数控机床、
X-Y-Z（或X-Y）控制台、机器人、绘图仪、打印机、雕刻机、印刷机、包装机械、
纺织机械、打标机、绕线机、医疗设备等
1.1.2步进电机失步原因
在步进电机运行过程中，电机失步有两种原因
1.转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，也就是低于换相速度而产
生的。
这是因为输入电机的电能不足，在步进电机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转从而引起失步，并且凡是比这时频率高的工作频率都必将失步。
2.转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度。
这时定子通电激励
的时间较长，大于转子步进一步所需要的时间，则转子在步进的过程中获得过多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡，当振荡足够严重时就会导致失步。
所以要使步进电机快速地达到所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的转矩，但又不能超过这个转矩.
1.2论文目的与任务
步进电机的升降速控制已经不在是一个新的课题。
但是目前其实际应用还远非完善。
通常步进电机的升降速控制是为了防止步进电机转速突然变化时发生失步和过冲。
要做到这一点，只要不使步进电机的加速度超过其临界失步点即
可。
然而步进电机的临界失步加速度是随着运行频率和负载而变化的。
如何根据具体的应用环境（步进电机的类型、运行状态、负载的特性等）确定最佳的升降速曲线;如何在负载变化的情况下及时调整升降速的控制，就成为步进电机动态控制的研究内容。
步进电机是开环控制，易过冲或失步，采用S型加减速曲线，可实现步进电
机准确定位。
而我设计的主要目的和任务是：
掌握步进电机工作原理，了解步进电机失步和过冲的产生；失步和过冲对位置控制系统定位的影响；
了解加减速曲线在位置控制系统中的作用，掌握在数字离散系统中加减速曲线的实现；采用S加减速曲线，保证步进电机平滑运动，实现准确定位。
第二章步进电机及微机控制
2.1概述
步进电机是一种用电脉冲控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机，它可以看作是一种特殊运行方式的同步电动机，是由专用的电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步进电机就移近一步，所以称为步进电机。
又因其绕组上所加电压是脉冲电压，也称为脉冲电机。
步进电机是脉冲信号控制的，因此它适合于作为数字控制系统的伺服元件。
它的直线位移量或角位移量与脉冲数成正比，所以步进电机的线速度或转速也于脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速起动，制动和反转.步进电机中有些形式在停止供电状态下还有定位转矩，有些在停机后某些相绕组仍保持通电状态，也具有自锁能力,不需要机械的制动装置。
近年来，步进电机己广泛地应用于数字控制系统中，例如数控机床，绘图机，计算机外围设备等。
相应地，其研制工作进展迅速，电机性能也有较大提高。
步进电机具有无累积定位误差，适于数字计算机控制，机械结构简单，很少或无需维护，可重复地堵转而不会损坏等优越性，但步进电机也具有效率较低的缺点，并且需要配上适当的驱动电源。
一般说来，它带负载惯量的能力不强，在使用时既要注意负载转矩大小，又要注意负载转动惯量的大小，只有两者选择在合适的范围内时，电机才能获得满意的运行性能。
此外，共振和振荡也常常是运行中出现的问题。
2.2步进电机的结构和工作原理
2.2.1步进电机的分类
步进电机可分为三类:
1.反应式步进电动机
反应式步进电动机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。
它的结构简单,成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。
2.永磁式步进电动机
永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个线圈。
它的输出转矩大，动态性能好。
转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。
3.混合式步进电动机
混合式步进电动机综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩大，动态性
能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。
由于反应式步进电机的性能价格比比较高，因此这种步进电机应用的非常广泛，在单片机系统中尤其是运动控制系统中大量使用。
这里以这种步进电机为例，介绍步进电机的原理和控制方法。
222反应式步进电机的结构
下图是一个三相反应式步进电机结构图。
从图中可以看出它分成转子和定子两个部分。
定子是由硅钢片叠成的。
定子上有6个磁极（大极），每两个相对
的磁极组成一对，共有三对。
每对磁极都缠有同一绕组，也即形成一相，这样
3对磁极有三个绕组，形成三相。
可以得出，四相步进电机有四对磁极、4相绕
组:
五相步进电动机有5对磁极、5相绕组;依此类推。
每个磁极的内表面都分布着多个小齿，它们的大小相同，间距相同。
转子由软磁材料制成的，其外表面都分
布着多个小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同，形状相似。
由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，它们的齿距角都可以由下式来计算：
反应式步进电动机运动的动力来自于电磁力。
在电磁力的作用下，转子被强
行推动到最大磁导率（或者最小磁阻）的位置，并处于平衡状态。
对三相步进电动机来说，当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位
置。
我们把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿；把定子小齿与转子不对齐
的状态称为错齿。
错齿的存在是步进电机能够旋转的前提条件，所以，在步进电
相必须处于错齿状态.
223步进电机的工作原理
三相反应式步进电机的工作原理如下：
当A相控制绕组通电时，故将使转子
齿1,3和定子极A-A'对齐，当A相断电，B相绕组通电时.则转子将在空间转过
300,即步距角0=300，当A相此时转2,4和定子极B-B'对齐。
如再有B相断电,
C相通电时，转子又在空间转过300,此时将使转子1,3和定子极C-C'对齐。
如此循环往复，并按A-B-C顺序通电，步进电机按一定的方向转动。
步进电机
的转速取决于控制绕组电源接通或断开的变化频率。
若按A-C-B的方向通电，则步进电机反向转动，这种方式称为三相单三拍。
三相步进电机还经常工作于单、双六拍通电方式，这时通电顺序为:
A-AB-B-BC-C-CA-A或A-AC-C-CB-B-BA-A也就是A相控制绕组通电；以后AB相组
同时通电,然后断开A相控制绕组，由B相控制绕组单独通电；再使B,C相控制绕组
同时通电；依此进行。
采用这种通电方式时，定子三相控制绕组通过六次切换通电状态才能完成一个循环，其步距角为150
除此两种通电方式之外还有双三拍通电方式，即按AB-BC-CA-A移的通电顺
序，或按AC-CB-BA-A（的通电顺序进行。
这时每个通电状态均为个控制绕组同时通电，其步距角为s=30o。
步进电机的步距角s的大小是由转子的齿数Zr、控制绕组的相数m和通电
方式所决定的，它们之间存在以下关系
0=368/（m*Zr*c）
式中c为通电状态系数，当采用单拍或双拍方式时，c=1;而采用单、双拍
方式时c=2。
若步进电机通电的脉冲频率为f，即每秒的拍数或每秒的步数为f.
则步进电机的转速为n=60o*fl（m*Zr*c），式中f的单位是赫兹;n的单位是
转/分。
步进电机除三相外，也可以做成二相、四相、五相、六相或更多相数，但
相数和转子齿数越多，则步距角0就越小，这样步进电机在脉冲频率一定时转速也越低。
另外电机相数越多，相应电源越复杂，造价越高，所以步进电机一般多为六相，只有个别电机才做成更多相数的。
2.3步进电机的主要参数和性能指标
2.3.1主要参数
1.额定电压Ue
它是指加在步进电机各相绕组主回路的直流电压。
2.额定电流le
在额定电压作用下，电机静止不动，按规定的运行方式通电，通电相的晶体管处于饱和导通状态，环形分配器不工作，各通电相的稳定电流值即为额定电流值。
3.转子转动惯量Jp
空载时使电机产生单位角加速度时所需要的转矩即为转子的转动惯量。
2.3.2主要性能指标
1.矩角特性
步进电机静转矩和失调角的关系称为矩角特性，如图2-1所示。
静转矩是指
步进电机转子静止时，控制绕组通以直流电流，由失调角的存在而引起的电磁转矩。
失调角是定转子齿中心线间的夹角。
2.
最大静转矩
图2-1矩角特性
图2-2最大静转矩特性
最大静转矩即矩角特性上最大电磁转矩值，它的值取决于绕组内电流及通
电相数。
在不改变通电状态情况下，改变励磁绕组的电流大小，可得到一条最大静转矩随电流变化的曲线，叫最大静转矩特性。
如图（2-2）所示。
3.启动频率与连续运行频率
步进电机启动频率是指它在一定负载转矩下能够不失步地启动的脉冲最高频率。
它又可分为空载和负载两种情况。
步进电机在启动后，当控制脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高频率称为该电机的连续运行频率。
步进电机的连续运行频率要比启动频率高的多.
4.启动矩频特性与运行矩频特性
步进电机在负载转动惯量及其它条件不变的情况下，启动频率和最大输出转矩的关系称为启动频率特性。
随着脉冲频率的提高，脉冲时间间隔减小，由于电路时间常数的影响，控制绕组中的电流来不及升至稳态值。
频率越高，电流上升到达的数值就越小，因而使电磁转矩下降。
此外，又因随着脉冲频率上升，转子转矩升高，在控制绕组中产生附加感应电势，并在该电路中形成附加电流，使电机受到电磁阻尼转矩的作用，这样，脉冲频率越高，电机的电磁转矩越小，致使连续运行时的矩频特性为一条下降的曲线。
2.4步进电机的单片机控制
步进电机的驱动电路根据控制信号工作。
在步进电机的单片。
在步进电机的
单片机控制中，控制信号由单片机产生。
其基本控制作用如下控制换相顺序；
控制步进电机的速度；
如果给步进电机发一个控制脉冲，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，步进电机就转得越快。
因此，脉冲的频率决定了步进
电机的转速。
调整步进电机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。
2.4.1脉冲分配
实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：
软件法和硬件法。
软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O
口向驱动电路发出控制脉冲。
软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CP时间，可能使单片机无法进行其他工作，所以，人们更喜欢用硬件法。
通过硬件实现脉冲分配
2.4.2步进电机的运行控制
步进电机的运行控制涉及到位置控制和加减速控制。
1.步进电机的位置控制
步进电机的位置控制，指的是控制步进电机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。
步进电机的位置控制是步进电机的一大优点，它可以不用借助位置传感器而只需要简单的开环控制就能达到足够的位置精度，因此应用很广。
步进电机的位置控制需要两个参数。
第一个参数是步进电机控制的执行机构当前的位置参数，我们称为绝对位置。
绝对位置是有极限的，其极限是执行机构运动的范围，超过了这个极限就应报警。
第二个参数是从当前位置移动到目标位置的距离，我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电机的步数。
这个参数是外界通过键盘或可调电位器旋转输入的，所以折算的工作应该在键盘程序或A/D转换程序中完成。
对步进电机位置控制的一般作法是：
步进电机每走一步，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。
因此，用步数等于0来判断是否移动到
目标位，作为步进电机停止运行的信号。
绝对位置参数可作为人机对话的显示参数，或作为其他控制目的的重要参数（例如下面作为越界报警参数），因此也必须要给出。
它与步进电机的转向有关，当步进电机正转时，步进电机每走一步，绝
对位置加1;当步进电机反转时，绝对位置随每次步进减1。
2.步进电机的加减速控制
步进电机驱动执行机构从A点到B点移动时，要经历升速、恒速和减速过程。
如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率，步进电机要发生失步现象，因此会造成不能正常启动。
如果到终点时突然停下来，由于惯性作用，步进电机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。
所以，对步进电机的加减速有严格的要求，那就是保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到指定的位置。
为了满足加减速要求，步进电机运行通常按照加/减速曲线进行。
加减速运行曲线没有一个固定的模式，一般根据经验和实验得。
2438051单片机简介
单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机。
单片机是
把中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）、随机存取存储器RAM（Random
AccessMemory）、只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）定时器/计数器以及
l/O（Input/Output）接口电路等主要计算机部件集成在-块集成电路芯片上的微型计算机。
MCS-5是美国Intel公司的八位单片机系列，是在MCS-4系列基础上发展而成
的。
在MCS-5系列里，有多种机型。
我采用的是8051作为数控主机，因此这里只介绍MCU-805单片机。
8051单片机内部包含了作为微型计算机所必需的基本功能部件，各功能部件相互独立而融为一体，集成在同一块芯片上。
8051内部结构如下图所示。
如果把
图中RO这部分电路移走，贝尼和8031的内部结构相同，它的功能部件可划分为
CPU存储器、I/O端口、定时器/计数器和中断系统等五部分。
2.4.3单片机的特点
MCU-51
用MCU-5单片计算机可以构成功能强、成本低的步进电机控制器。
系列单片机有如下突出的特性:
1.集成度高。
8051单片机为40脚封装，内部有4k字节的ROM128字节的RA四
个八位的并行口，一个全双工的串行口，2个16位的定时器/计数器，一个功
能很强的中央处理CPI以及内部晶体振动电路。
2.系统结构简单。
一片MCU-5可构成一个小型的控制系统。
该芯片扩充能力强,
3.具有对64k外部程序存储器和内部存储器的寻址能力。
两个单片机还可以进行
通讯，可以构成双CPI系统。
因此一般系统要求都可以满足。
4.可靠性高。
MCU-5大部分总线在芯片内部不易受干扰，系统简单，体积小,容易采取屏蔽措施，因此有较高的可靠性。
5.处理功能强，速度高。
MCU-5单片机具有丰富的指令系统。
它的CP时钟高达
12MHz机器周期只有1卩s，多数的指令周期为一个机器周期或两个机器周期，
所以运算速度快，可使系统有较强的功能和较高的响应。
6.容易产品化。
由于芯片有体积小，功能强，可靠性高，价格低的优点，是控制器设计者的较好的选择。
2.4.4单片机的工作方式
单片机工作方式是进行系统设计的基础，也是单片机应用工作者必须熟悉的问题。
8051单片机的工作方式包括：
复位方式和程序执行方式。
1.复位方式
单片机在开机都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一
个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
单片机复位后，其片内各寄存器状态如下表2-1所示:
奇存器名
寄存器初值
寄存器名
寄存器初值
PC
0000H
TL0
00H
ACC
00H
TH1
00H
B
00H
TL1
00H
PSM
00H
SBUF
不定
SP
07H
TMOD
00H
DPTR
0000H
SCON
00H
P0-P3
FFFFH
PCON
0XXXXXXXB
IP
XXX00000B
IE
0XX00000B
TCON
00H
TH0
00H
表2-1单片机复位后各寄存器的状态
2.程序执行方式
程序执行方式是单片机的基本工作方式，通常可以分为单步执行和连续执行两种工作方式。
（1）单步执行方式是指单片机在控制面板上某个按钮控制下一条一条执行用户程序中指令的方式，即按一次单步执行键就执布于一条用户指令的方式。
单
步执行方式常常用于用户程序的调试。
（2）连续执行方式是所有单片机都需要的一种工作方式，被执行程序可以放在
片内或片外RO中，由于单片机复位后租字计数器PC=000OH因此机器在加电或按钮复位后总是到oooOH执程序，这就可以预先在oooO处放一条转移指令,以便跳转至口OOOOH-FFF中勺任何地方执行指令。
第二章系统的总体设计方案和硬件接线
3.1系统的总体设计
用单片机控制步进电机显然是个开环控制系统，这种控制系统中，步进电
机的位移量或转角直接反映指令的输入脉冲数，实现跟踪驱动。
单片机控制步进电机的结构框图如下:
图3-1单片机控制步进电机系统框图
3.1.1单片机的功能
我们采用8051单片机作为脉冲信号源，根据具体的运行要求，编写相应的控
制程序，由它来控制发出各种数字脉冲，再经过后续的一系列转换和驱动装置,实现对步进电机的控制。
因此，单片机主要完成实时监控和发出指令，产生数字脉冲等工作。
3.1.2驱动系统组成与设计
步进电机的驱动器由环形分配器，细分电路，驱动电路等组成的控制系统,其方框图如下:
图3-2驱动系统的结构
1.环行脉冲分配器
要使步进电动机正常工作，必须按照该种电动机的励磁状态转换表所规定的状态和顺序依次对各种绕组进行通电或断电的控制。
各相驱动信号来源于环行分配器。
环行分配器的主要功能是把来源于控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电动机驱动器的各相输入端，控制励磁绕组的导通或截止。
同时。
由于电动机有正反转要求，所以这种环行分配器的输出是周期性的，又是可逆的。
因此，环行分配器是一种特殊的可逆循环计数器，只是这种计数器的输出不是一般的编码，而是电动机励磁状态要求的特殊编码。
步进电动机驱动系统中，控制器与驱动器之间的联接分串行控制和并行控制两种。
串行控制时，控制器输出时钟脉冲串和方向电平，靠驱动器中的环行分配器转换成并行驱动信号，去控制各相绕组
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