單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)性最優(yōu)控制方法研究

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)性最優(yōu)控制方法研究教學(xué)單位： 控制工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 1109101032 姓 名： 毛彥雄 指導(dǎo)教師： 萬(wàn)少松 2015年 5月摘要 步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)把脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的電動(dòng)機(jī)，非常適合進(jìn)行微機(jī)數(shù)字控制，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用非常廣泛。它的角位移和電動(dòng)機(jī)繞組的脈沖個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)的頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，同時(shí)，該電機(jī)還可以快速起動(dòng)，制動(dòng)，反轉(zhuǎn)和自鎖等。此外，步進(jìn)電機(jī)易和計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字元件接口連接，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，如果全靠硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制時(shí)，線路比較復(fù)雜，

2、實(shí)現(xiàn)難度很大，且很難達(dá)到精確控制，隨著單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)軟件控制提供了很好平臺(tái)，讓步進(jìn)電機(jī)得到了飛速發(fā)展。近年來(lái)步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)控制方面應(yīng)用增加了很多，如視頻圖形控制系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床，紅外窯監(jiān)控粉狀物料的計(jì)量等，本篇論文就對(duì)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)性方法中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析和展開(kāi)研究，并提出簡(jiǎn)化加速算法和步進(jìn)電機(jī)作為速度信號(hào)源時(shí)速度連續(xù)性最優(yōu)化的控制方法和分析計(jì)算。 關(guān)鍵詞；步進(jìn)電機(jī) 最優(yōu)控制 脈沖間隔 時(shí)間常數(shù) 機(jī)器周期 電機(jī)轉(zhuǎn)速 變加速度 計(jì)控制 Abstract Stepper motor is through the pulse signal into angular

3、displacement or linear displacement of the motor, very suitable for microcomputer digital control, is widely used in industrial production process. Its angular displacement and pulse is proportional to the number of the motor winding, the speed and frequency is proportional to the motor, by changing

4、 the pulse frequency, to control the speed of step motor, at the same time, the motor can also be quickly starting, braking, reverse and self-locking, etc. In addition, the stepper motor interface connection and a computer or other digital components, applicable to the digital control system. In pra

5、ctical application, if depends on the hardware to realize the whole control circuit is more complex, implementation is very difficult, and it is difficult to achieve precise control, with the fast development of microcomputer technology, to realize the stepper motor control software provides a good

6、platform, concessions motor got rapid development. Stepping motor in industrial controlapplications in recent years has increased a lot, such as video graphics control system, the nc machine tools, infrared kiln monitoring measurement of powder material, this paper on single chip microcomputer contr

7、ol stepping motor speed continuity method and analyzes the problems existing in the study, and put forward the simplified acceleration algorithm and step motor as the speed signal source speed continuous optimization of the control method and the analysis and calculation. Key words; Stepper motor op

8、timal control pulse interval time constant motor speed variable accelerometer control machine cycle目錄第1章 緒論11.1 研究本課題的背景11.2 研究本課題的目的和意義11.2.1 研究本課題的目的11.3 國(guó)內(nèi)外研究情況2第2章 本課題的研究方案42.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理：42.2 步進(jìn)電機(jī)的控制參數(shù)42.3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)52.3.1 硬件設(shè)計(jì)52.3.2 軟件設(shè)計(jì)5第3章 研究方案的方法和分析73.1 理論上運(yùn)行曲線的簡(jiǎn)化加速算法73.2 提出研究的方法73.3 對(duì)提出的方法

9、進(jìn)行分析83.4 加速簡(jiǎn)化算法實(shí)現(xiàn)控制的優(yōu)點(diǎn)10第4章 總結(jié)與展望114.1 總結(jié)114.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)的收獲114.3 完成設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題114.4 展望12第5章 參考文獻(xiàn)13致謝14西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論1.1 研究本課題的背景 每個(gè)都有一個(gè)控制脈沖電動(dòng)機(jī)運(yùn)行步驟稱(chēng)為步進(jìn)電機(jī)或脈沖電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)根據(jù)脈沖信號(hào)的方向設(shè)置一個(gè)固定的角度,可以通過(guò)控制脈沖數(shù)量進(jìn)行控制,以達(dá)到精確定位目標(biāo)角位移的數(shù)量。它是通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速的。 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子低慣性定位精度高。簡(jiǎn)單的沒(méi)有累積誤差的控制等等。在現(xiàn)實(shí)工廠的控制不受電源電壓，負(fù)載、環(huán)境、溫

10、度的影響從而實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng),控制和反演。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電行業(yè)的代表產(chǎn)品，它可以高精度旋轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的控制,同時(shí)廣泛應(yīng)用于包裝機(jī)械，電子鐘表工業(yè)控制控制系統(tǒng)等行業(yè)，在這個(gè)科學(xué)高速發(fā)展社會(huì)中，微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異,步進(jìn)電機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的使用越來(lái)越廣泛。通過(guò)研究對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)控制,讓步進(jìn)電機(jī)控制起來(lái)更加方便,讓它應(yīng)用于在更多的領(lǐng)域中。 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展方向主要有以下三點(diǎn)；（1）更好的完善和發(fā)展步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制功能，如電子齒輪比技術(shù)，擴(kuò)展通訊網(wǎng)絡(luò)功能等（2）對(duì)步進(jìn)電機(jī)高功率密度系統(tǒng)進(jìn)行研究和創(chuàng)新發(fā)展。（3）改由閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)替代開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，為了徹底克服步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中存在的一些問(wèn)題，如震蕩的傾

11、向和失步等，從而改為閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種改變使步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)起了質(zhì)的改變，讓步進(jìn)電機(jī)不再是本來(lái)意義上的步進(jìn)電機(jī)發(fā)展成為無(wú)刷直流電機(jī)。1.2 研究本課題的目的和意義1.2.1 研究本課題的目的 綜合應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)，加上指導(dǎo)老師的幫助和參考文獻(xiàn)的閱讀，能知道單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的基本理論知識(shí)，知道是單片機(jī)如何控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的，同時(shí)知道控制轉(zhuǎn)速連續(xù)性最優(yōu)化的方法。1.2.2 研究本課題的意義 開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)是很穩(wěn)定的，它的轉(zhuǎn)速不會(huì)隨電動(dòng)機(jī)超負(fù)載的變化而變化的,而是由脈沖信號(hào)的頻率和個(gè)數(shù)決定的。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行實(shí)在專(zhuān)用的脈沖電源供電下進(jìn)行的，其轉(zhuǎn)子走過(guò)的步數(shù)，與輸入脈沖成正比的，步進(jìn)電機(jī)

12、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制性能好，步進(jìn)電機(jī)的誤差是不會(huì)一次一次累積的，只有周期性的誤差,通過(guò)這種特性是對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制變得非常簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)與普通的直流電機(jī)不同的是步進(jìn)電機(jī)可以控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，步進(jìn)電機(jī)是按照固定的角度旋轉(zhuǎn)的。這就可以看出,在應(yīng)用中對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速精確的控制是非常重要的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以更好地控制其轉(zhuǎn)速連續(xù)性,因此由步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制器組成的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定的工作，在領(lǐng)域的自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)中步進(jìn)電機(jī)就可以得到很好的應(yīng)用1.3 國(guó)內(nèi)外研究情況 步進(jìn)電機(jī)是是根據(jù)固定的角度（稱(chēng)為步距角）一步一步運(yùn)行旋轉(zhuǎn)的，在運(yùn)行過(guò)程中

13、是不會(huì)產(chǎn)生誤差，利用這一特點(diǎn)把步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中。在其工作過(guò)程中，需要達(dá)到精確定位的目的和控制不同轉(zhuǎn)速時(shí)都可以使用步進(jìn)電機(jī)1。在我國(guó)，步進(jìn)電機(jī)的研制始于1958年。當(dāng)時(shí)只有清華大學(xué)，華中理工大學(xué)等少數(shù)高校在從事這項(xiàng)工作，到70年代，由于電子工業(yè)數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)字控制線切割機(jī)床發(fā)展的需求，才使步進(jìn)電機(jī)的研究初步開(kāi)展起來(lái)，經(jīng)過(guò)四十幾年的發(fā)展，隨著步進(jìn)電機(jī)理論的完善，特別是磁阻式步進(jìn)電機(jī)，產(chǎn)品品種，規(guī)格的系列化使得步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展勢(shì)頭有所緩和步進(jìn)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)通常分為:永磁(PM)、活性(VR)和混合(HB),同時(shí),根據(jù)不同的設(shè)計(jì)的線圈勵(lì)磁,步進(jìn)電機(jī)可以根據(jù)傳輸設(shè)計(jì)方法、步驟,步進(jìn)

14、電機(jī)和旋轉(zhuǎn)型線性步進(jìn),沒(méi)有減速齒輪與減速齒輪等分為倆個(gè)階段。永磁步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和體積較小,它的步距角一般是7.5度或15度，可以實(shí)現(xiàn)大扭矩輸出,但在使用時(shí)噪音和振動(dòng)很大。在歐洲和美國(guó)和其他發(fā)達(dá)國(guó)家在80年代已經(jīng)消除。混合式步進(jìn)是指永磁和反應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)。它分為兩個(gè)階段,四個(gè),五個(gè)階段:兩個(gè)階段第五步階段通常和間隔角1.8度角0.72度。步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用更為廣泛。步進(jìn)電機(jī)是按照電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部線圈組數(shù)分為兩相、三相、四相,五相。除了不同的角度，步進(jìn)電機(jī)相數(shù)是不同的,一般分為1.8度角的兩相電機(jī),三相1.5度、0.72度的五個(gè)階段2。步進(jìn)電機(jī)的操作電子設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,設(shè)備是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,它是控制系統(tǒng)的脈沖信

15、號(hào)為步進(jìn)電機(jī)的角位移,或者:每發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)控制系統(tǒng),通過(guò)驅(qū)動(dòng)使從步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。 近期在我國(guó)，磁阻式步進(jìn)電機(jī)還有一定的市場(chǎng)，年需求量為十幾萬(wàn)臺(tái)，從目前來(lái)看，今后幾年還會(huì)有所增長(zhǎng)的。這是因?yàn)槲覈?guó)工業(yè)化的程度不高，許多先進(jìn)的伺服系統(tǒng)還沒(méi)有達(dá)到商品化的程度。而這種磁阻式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，在價(jià)格上較為便宜，易于操作，在國(guó)外，這種步進(jìn)電機(jī)幾乎沒(méi)有了，僅僅在一些特定的場(chǎng)合，例如在溫度很高的核反應(yīng)堆中用到。 永磁式步進(jìn)電機(jī)是把繞滿漆包線的注塑骨架套在定子極板上，再把極板和沖制而成的機(jī)殼電焊在一起，就形成一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。這種結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)微電機(jī)加工中的少切割，無(wú)切削化。具有簡(jiǎn)單，工藝極佳，生產(chǎn)效率高，成

16、本低等優(yōu)點(diǎn)，因此一面世就廣泛的應(yīng)用于打字機(jī)，復(fù)印機(jī)，傳真機(jī)等領(lǐng)域中。 混式步進(jìn)電機(jī)是結(jié)合了磁阻式步進(jìn)電機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)的特征，因而性能好，具有分辨率高，控制功率小等優(yōu)點(diǎn)，隨著世界全球經(jīng)濟(jì)化的發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家把一些量大面廣勞動(dòng)密集的產(chǎn)品向勞動(dòng)力低廉的中國(guó)轉(zhuǎn)移，使我國(guó)在該類(lèi)步進(jìn)電機(jī)的研制和生產(chǎn)上，形成了一定的規(guī)模。第2章 本課題的研究方案2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理： 對(duì)于普通的電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，它的轉(zhuǎn)子是用永磁體做成的，按下開(kāi)關(guān)按鈕，這是電流流過(guò)定子繞組,由于定子繞組間發(fā)生電生磁現(xiàn)象，使定子繞組上產(chǎn)生磁場(chǎng)。產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以通過(guò)磁力作用讓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,從而使轉(zhuǎn)子和定子的磁場(chǎng)方向保持一致。當(dāng)電機(jī)的定子繞

17、組旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度時(shí)，電機(jī)定子也會(huì)在磁力作用下轉(zhuǎn)一個(gè)角度。改變繞組電流的方向,則電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生逆向轉(zhuǎn)動(dòng)。所以,可用控制脈沖數(shù)量、頻率和相繞組電機(jī)為了控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。單一的三種模式,例如,一個(gè)術(shù)語(yǔ)首先電力兩個(gè)電力(B,C),產(chǎn)生一個(gè)”,通過(guò)轉(zhuǎn)子形成閉環(huán)。在這一點(diǎn)上,“極電磁鐵N,s 極.在磁場(chǎng)的作用下,轉(zhuǎn)子總是和定子的位置對(duì)齊,“非常;然后常見(jiàn)電氣電力或不(A、C),轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)30°,和B,B的對(duì)齊,然后共同電動(dòng)C(A、B兩個(gè)電或不),轉(zhuǎn)子將順時(shí)針3°C,C”對(duì)齊,當(dāng)從一個(gè)接一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí),轉(zhuǎn)子會(huì)順時(shí)針,一步一步,如果> C > B > >電力

18、的順序,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這是步進(jìn)電機(jī)的工作原理。2.2 步進(jìn)電機(jī)的控制參數(shù) 當(dāng)把步進(jìn)電機(jī)作為速度執(zhí)行元件進(jìn)行高速運(yùn)行時(shí)，如果電機(jī)啟動(dòng)的太快就容易引起丟步現(xiàn)象，如果步進(jìn)電機(jī)停止太快，就會(huì)由慣性作用引起從而產(chǎn)生的過(guò)沖現(xiàn)象，這樣就會(huì)給控制系統(tǒng)造成一定的誤差，所以步進(jìn)電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)要經(jīng)過(guò)起動(dòng)時(shí)加速然后恒速運(yùn)行，再減速，最后停止這樣的過(guò)程，因此在計(jì)算機(jī)控制的智能檢測(cè)系統(tǒng)中會(huì)使用了三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)X軸驅(qū)動(dòng)，Y軸驅(qū)動(dòng)，速度信號(hào)源3。下位機(jī)采用8098單片機(jī)，通過(guò)仔細(xì)的分析和反復(fù)調(diào)試實(shí)驗(yàn)得出出了一個(gè)較為通用的電機(jī)控制程序。在8098內(nèi)部RAM上依次存放。 電機(jī)號(hào)；1,2,3分別代表1#，2#.3#電動(dòng)機(jī)

19、正反轉(zhuǎn)；0代表反轉(zhuǎn)，1代表正轉(zhuǎn) 加速度；步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加速的脈沖個(gè)數(shù)為M（從第M個(gè)脈沖開(kāi)始恒速運(yùn)行） 勻速度；勻速運(yùn)行時(shí)速度常數(shù)為N 減速度；步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行減速脈沖個(gè)數(shù)為w（從第w個(gè)脈沖開(kāi)始減速運(yùn)行） 總步數(shù) ；電機(jī)運(yùn)行的總步數(shù) 連續(xù)否；F是電機(jī)運(yùn)行完給定的總步數(shù)，不記錄最后所停止的相位，D是電機(jī)運(yùn)行完給定的總步數(shù)，同時(shí)記錄電機(jī)最后所停止的相位以便下一次起動(dòng)時(shí)接著運(yùn)行，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)定位精度。 鎖存相位1；X軸電機(jī)上次運(yùn)行結(jié)束時(shí)停留的相位。 鎖存相位2；Y軸電機(jī)上次運(yùn)行結(jié)束時(shí)停留的相位。2.3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.3.1 硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要采用8098單片機(jī)高速輸出口HSO及軟件定時(shí)器按

20、一定規(guī)律輸出脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率，同時(shí)還采用了EPROM(27128)、 RAM(6264)、鍵盤(pán)和顯示接口電路(8279)、顯示器和鍵盤(pán)、驅(qū)動(dòng)電路、光電編碼器等器件。步進(jìn)電機(jī)控制器如圖2.1所示。圖2.1 步進(jìn)電機(jī)控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖 8098單片機(jī)具有計(jì)數(shù)器、高速輸進(jìn)、輸出端口和串行端口，采用它構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)控制器，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)，從而使控制系統(tǒng)本錢(qián)降低，因此，可在產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)中推廣使用4。2.3.2 軟件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)軟件主要由監(jiān)控子程序、主控制程序、中斷程序等組成。監(jiān)控子程序用于輸進(jìn)數(shù)據(jù)和控制參數(shù)；主控制程序用于以最優(yōu)控制策略控制步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行和停止； 中斷程序用于切換步進(jìn)電機(jī)的

21、控制電壓。最優(yōu)控制主程序框圖如圖2.2所示。圖2.2 步進(jìn)電機(jī)最優(yōu)控制程序框圖第3章 研究方案的方法和分析 3.1 理論上運(yùn)行曲線的簡(jiǎn)化加速算法 根據(jù)上面的參數(shù),很難確定步進(jìn)電機(jī)加速和減速,加速過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制可以成功,是因?yàn)榧铀倜}沖重復(fù)頻率的增加。根據(jù)參考,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩頻特性,如圖表顯示這個(gè)矩頻特性分析,適用于線性加速度的興衰,這個(gè)特性是使用變量指數(shù)曲線,曲線比較符合步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行規(guī)律和減速過(guò)程中,可以充分利用有效的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩,快速響應(yīng)和加速度方法1和2中給出參考參數(shù)基于查表的方法,即曲線分段線性化操作之前,速度來(lái)計(jì)算每個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)的參數(shù)序列的速度,存儲(chǔ)形式的形式,分別要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5。這種

22、方法在統(tǒng)一的速度可以任意更改將無(wú)法滿足需求,因?yàn)椴荒芴崆皟?chǔ)存太多的形式調(diào)用,和選項(xiàng)卡很麻煩,非常簡(jiǎn)單,在微機(jī)近似優(yōu)化加速實(shí)現(xiàn)的過(guò)程電機(jī)在低速時(shí)（fo cn，G-N G-N-(N-1).，co+10，co+6，co+3，co+1，（n-1，2.N）式中c n-Cn-1=n，n=1，2，.，N 上面序列從co開(kāi)始，相鄰倆項(xiàng)之差依次為；1,2,3,.，N，是一個(gè)遞增序列，因此可以得出； 它對(duì)應(yīng)著一個(gè)勻變加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，每一步加速度按1,2,3.，它的基本延時(shí)單位遞增，勻變加速度等于1個(gè)基本延時(shí)單位6。N的選擇需滿足的條件是，電機(jī)以cn為脈沖間隔延時(shí)時(shí)間常數(shù)啟動(dòng)時(shí)，fo=500Hz左右。因?yàn)閚是作為加速

23、參數(shù)可以隨意設(shè)定，這樣很容易確定一個(gè)合適的值。對(duì)于不同的勻速頻率f1，f2，.fn，電機(jī)都是用同樣的勻變加速度起動(dòng)的，由于勻變加速度等于1個(gè)最小延時(shí)單位，這樣電機(jī)就可以平穩(wěn)起動(dòng)而且不會(huì)產(chǎn)生丟步現(xiàn)象，此方法起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)一些，但對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是可以忽略不計(jì)的。3.2 提出研究的方法 我們之所以把步進(jìn)電機(jī)作為速度信號(hào)源，是因?yàn)樗梢援a(chǎn)生連續(xù)的速度信號(hào)。可以通過(guò)控制脈沖時(shí)間間隔來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的，脈沖時(shí)間間隔每減少tm，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就增加ts，所以當(dāng)tm趨向于0時(shí)，就可以得到最優(yōu)連續(xù)轉(zhuǎn)速，這個(gè)在實(shí)際控制應(yīng)用中是沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)的。但在單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中就可以獲得最優(yōu)的速度連續(xù)性。3.3

24、對(duì)提出的方法進(jìn)行分析 設(shè)步進(jìn)電機(jī)步矩角=1.5度，每圈步數(shù)為360/240度 設(shè)每步時(shí)間（脈沖間隔）為ts，每圈時(shí)間為；t=240ts。 由此可得電機(jī)轉(zhuǎn)速為； （1） 每當(dāng)步時(shí)間為時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為； （2） 由式（1）得； 將t代入式（2）得； （3） 當(dāng)s盡可能趨近0時(shí)，電機(jī)就可以獲得最優(yōu)連續(xù)轉(zhuǎn)速。 以8098單片機(jī)系統(tǒng)為例，當(dāng)系統(tǒng)晶振為fo時(shí)，機(jī)器周期為公式(3)時(shí)； （4） 在不增加硬件接口的情況下，可以通過(guò)控制改變步進(jìn)電機(jī)脈沖時(shí)間間隔的方法有，軟件延時(shí)或占用8098本身的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，定時(shí)/計(jì)時(shí)器一般很少用到，因?yàn)?098的定時(shí)/計(jì)數(shù)器通常是用在一些重要事件的處理上7。通過(guò)軟件延時(shí)來(lái)控制

25、脈沖時(shí)間間隔時(shí)，設(shè)寄存器R存放脈沖間隔延時(shí)時(shí)間常數(shù)，最為簡(jiǎn)單的延時(shí)子程序格式為： 機(jī)械周期 DELY; DECB R 4 DINZ DELY 9 RET 12 設(shè)(R)-n，當(dāng)(R) =n+l時(shí)，對(duì)應(yīng)的延時(shí)時(shí)間增量： 設(shè)系統(tǒng)晶振為6MHz 將上式代入式(3)，可以求出步進(jìn)電機(jī)在轉(zhuǎn)速分別為200，400，600，800，1 000r/min時(shí)，當(dāng)脈沖間隔延時(shí)時(shí)間常數(shù)每減1時(shí)電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化如表1所示，在表中可以看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高時(shí)，它的速度連續(xù)性越差，要使速度連續(xù)性變好就讓tm趨向于最小。 在這里用的延時(shí)方法，選用機(jī)器周期最少的指令作為延時(shí)的基本單位，利用浮動(dòng)指針取延時(shí)程序首址的方法，比

26、如8098指令系統(tǒng)中的NOP指令，占4個(gè)機(jī)器周期，其中，延時(shí)首址TIME指針可上下浮動(dòng)，每浮動(dòng)一條指令，對(duì)應(yīng)的延時(shí)子程序增加或減少一個(gè)NOP指令周期，即四個(gè)機(jī)器周期，也就是： 將上式代入公式(3)，可以得出TIME指針每減1相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化如表1所示。當(dāng)系統(tǒng)晶振選用12MHz時(shí)，就可以得到更加連續(xù)的轉(zhuǎn)速特性，這時(shí)： 將上式代入公式(3)，可以求出TIME指針每減1相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化如表1中相應(yīng)的項(xiàng)8。這對(duì)于單片機(jī)所控制的步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，速度的連續(xù)性已經(jīng)是最優(yōu)的了 下面是TIME浮動(dòng)在任意延時(shí)位置所對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的快速算法： 先設(shè)定一個(gè)轉(zhuǎn)速s，然后根據(jù)程序計(jì)算或?qū)嶒?yàn)求出步進(jìn)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為s時(shí)，脈沖間

27、隔延時(shí)程序TIME的位置，設(shè)為(nnnn 0)，電機(jī)調(diào)速可以通過(guò)移動(dòng)TIME指針進(jìn)行。設(shè)調(diào)到任意轉(zhuǎn)速時(shí)，TIME指針為(nnnnl)，根據(jù)公式(3)可以得出，這時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速s： 取，代入上式得； 根據(jù)上面所介紹的延時(shí)方法和速度計(jì)算方法做實(shí)驗(yàn)，得出由式(4)同時(shí)計(jì)算出的轉(zhuǎn)速理論值和實(shí)際值的對(duì)比如表2所示，可以看出精度是很高 表3.1 相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化延時(shí)程序TIME對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速 TIME下移1對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速速度增量sTIME下移1對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速速度增量sTIME下移1對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速速度增量s200201.01.0200.30.3200.20.2400404.242401.31.3400.60.6600609.59.560

28、2.92.9601.41.4800817.017.0805.15.1802.52.510001026.726.71008.18.11004.04.0表3.2 轉(zhuǎn)速理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比理論值197.8204.1393.5589.7615.2777.6955.21016實(shí)測(cè)值197.4204.0393.0598.0616.0777.0954.710173.4 加速簡(jiǎn)化算法實(shí)現(xiàn)控制的優(yōu)點(diǎn) 操作時(shí)方便,讓計(jì)算變得十分簡(jiǎn)單,通過(guò)改變轉(zhuǎn)速的加速度來(lái)達(dá)到控制加速過(guò)程的參數(shù)不同的速度的目的,并且可以防止電動(dòng)機(jī)有失步和超調(diào)現(xiàn)象9。使用脈沖間隔延遲方法的優(yōu)點(diǎn): （1).通過(guò)應(yīng)用浮針,最小單位時(shí)間延遲方法可以使步進(jìn)電

29、機(jī)轉(zhuǎn)速有了最優(yōu)速度連續(xù)性,這是用軟件調(diào)整步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的有效方法。 (2).使用這種方法好處是不占用單片機(jī)其他別針,不需要外部擴(kuò)展計(jì)時(shí)電路,可以達(dá)到連續(xù)速度的效果，用起來(lái)十分方便。 (3).使用式,可以精確地計(jì)算在任何時(shí)刻電阻電流步進(jìn)電機(jī)的速度,不需要其他的硬件設(shè)施,這在需要隨時(shí)知道電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合下非常有用,同時(shí)也節(jié)省了許多硬件資源。第4章 總結(jié)與展望4.1 總結(jié) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以J為目標(biāo)函數(shù)獲得的最優(yōu)控制脈沖序列能使步進(jìn)電機(jī)以最短的時(shí)間啟動(dòng)加速到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速和由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速減速到零，其加、減速過(guò)程比過(guò)往以為是最優(yōu)規(guī)律的指數(shù)曲線來(lái)得快，并且可以保證按照系統(tǒng)確定的最優(yōu)控制脈沖序列加速不會(huì)丟步、減速不會(huì)越

30、步。 本文提出的方法不用推導(dǎo)步進(jìn)電機(jī)復(fù)雜的非線性數(shù)學(xué)模型，而由系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)函數(shù)，直接確定與目標(biāo)函數(shù)極值相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)控制脈沖序列，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，也只要重新執(zhí)行一遍程序就可獲得與新負(fù)載相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)脈沖序列。因此本方法較為簡(jiǎn)單、方便。對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)業(yè)微機(jī)控制系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)，只需要在現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)中增加部分硬件和軟件就可以由現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)自行確定電機(jī)的最優(yōu)脈沖序列，而不必將電機(jī)與負(fù)載移進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，整個(gè)方法比較實(shí)用、靈活。步進(jìn)電機(jī)最優(yōu)控制明顯進(jìn)步了產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，因而在產(chǎn)業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。4.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)的收獲 經(jīng)過(guò)萬(wàn)老師的悉心指導(dǎo)，我在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)到了很多知識(shí)

31、，知道什么是步進(jìn)電機(jī)，如何通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，在控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是有哪些方法可以使其達(dá)到轉(zhuǎn)速連續(xù)性最優(yōu)化控制。在這期間，萬(wàn)老師向我推薦了一些專(zhuān)業(yè)書(shū)籍，讓我懂得了許多以前不知道的知識(shí)。同時(shí)也讓我知道了學(xué)無(wú)止境的道理，使我明白了在以后的生活過(guò)程中一定要多看書(shū)，來(lái)豐富自己的知識(shí)。4.3 完成設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題 因?yàn)槲业膶?zhuān)業(yè)課學(xué)的比較差，設(shè)計(jì)論文時(shí)準(zhǔn)備不太充分，有許多地方不是很明白，因此，論文中有很多不足的地方。現(xiàn)在我只知道了一些基本理論知識(shí)，還有許多東西不能用在實(shí)際操作中，只能是紙上談兵罷了。4.4 展望 就目前情況看，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)在控制領(lǐng)域起主導(dǎo)作用。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具有距值不受各種干擾因素的影

32、響，誤差不長(zhǎng)期積累，控制性能好，啟動(dòng)、停車(chē)、翻轉(zhuǎn)都是在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)動(dòng)方式都不會(huì)丟失一步。所以，步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上。 近年來(lái)，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其主要原因是：一方面微處理器芯片及相關(guān)元件的價(jià)格大大下降，使得步進(jìn)電機(jī)的性能價(jià)格比不斷提高。另一方面步進(jìn)電機(jī)的功能愈來(lái)愈強(qiáng)大，它在不需要用戶(hù)過(guò)多的開(kāi)發(fā)情況下，能進(jìn)行復(fù)雜的控制處理。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大的功能，單片機(jī)等簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制，而且將在更多的領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。所以，根據(jù)目前步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)和服務(wù)范圍所要求的性能及各個(gè)企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)，步進(jìn)電機(jī)性能在未來(lái)的發(fā)展將會(huì)朝更加穩(wěn)定、可靠、舒適等性能的方向去發(fā)展。為了滿足各行業(yè)的需要，各個(gè)企業(yè)在未來(lái)中將會(huì)研制出多型號(hào)、多功能的且更靈活的步進(jìn)電機(jī)這樣企業(yè)才能在這個(gè)充滿競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代中生存。第5章 參考文獻(xiàn)1孫建忠、劉鳳春. 電機(jī)與拖動(dòng)MATLAB仿真與學(xué)習(xí)指導(dǎo). 機(jī)械工業(yè)出版社.2008年. 2潘曉晟，郝世勇. MATLAB電機(jī)仿真精華50例. 電子工業(yè)出版社.  2007年.