步進電機速度控制系統(tǒng)設計

目錄TOC\o"1-3"\u1總體方案的擬定 11.1對步進電機的分析 11.2電機的控制方案 21.3控制算法的方案 31.4串口通訊的模擬 32硬件的設計與實現(xiàn) 42.1微解決器的選擇 42.2控制電路的實現(xiàn) 42.3鍵盤和顯示電路 63軟件的設計與實現(xiàn) 73.1控制信號輸入程序 73.2步進電機控制程序設計 83.3程序分析及說明 104系統(tǒng)的仿真與調試 114.1程序的調試 114.2串口通信的調試 114.3調試結果及分析 125設計總結 13參考文獻 14附錄 15步進電機速度控制系統(tǒng)設計報告1總體方案的擬定系統(tǒng)以單片機為核心，接受并分析來自鍵盤或串口的控制指令，通過CPU的邏輯計算輸出控制信息，讓步進電機按規(guī)定轉動。由于步進電機是開環(huán)元件，系統(tǒng)不需反饋環(huán)節(jié)，但也同時規(guī)定控制信號足夠精確。此外，為實現(xiàn)單片機與電機之間信號對接，需要加入步進電機驅動單元。1.1對步進電機的分析步進電機又叫脈沖電機，它是一種將電脈沖信號轉化為角位移的機電式數(shù)模轉換器。在開環(huán)數(shù)字程序控制系統(tǒng)中，輸出控制部分常采用步進電機作為驅動元件。步進電機控制線路接受計算機發(fā)來的指令脈沖，控制步進電機做相應的轉動，步進電機驅動數(shù)控系統(tǒng)的工作臺或刀具。很明顯，指令脈沖的總數(shù)就決定了數(shù)控系統(tǒng)的工作臺或刀具的總位移量，指令脈沖的頻率決定了移動的速度。因此，指令脈沖能否被可靠地執(zhí)行，基本上取決于步進電機的性能。步進電機的工作就是步進轉動。在一般的步進電機工作中，其電源都是采用單極性的直流電源。要是步進電機轉動，就必須對步進電機定子的各相繞組以適當?shù)臅r序進行通電。當步進驅動器接受到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角）。通過控制脈沖個數(shù)即可以控制角位移量，從而達成準擬定位的目的；同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，即可達成調速的目的。本設計是用單片機輸出可調脈沖作為單片機的控制信號，通過改寫脈沖頻率調節(jié)單片機轉速。常見的步進電機分三種：永磁式（PM），反映式（VR）和混合式（HB），永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小；反映式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，但噪聲和振動都很大?；旌鲜讲竭M是指混合了永磁式和反映式的優(yōu)點,它又分為兩相和五相,應用最為廣泛。單片機管腳輸出電壓一般局限性以驅動步進電機轉動，所以需要在單片機和步進電機之間加入驅動電路。1.2電機的控制方案步進電機有三相、四相、五相、六相等多種，不同的電機又各有很多工作方式。由于步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專用設備-步進電機控制驅動器。典型步進電機控制系統(tǒng)如圖1所示：控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾十千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分派器提供脈沖序列。環(huán)形分派器的重要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分派后，通過功率放大器的放大加到步進電機驅動電源的各項輸人端，以驅動步進電機的轉動。環(huán)形分派器重要有兩大類：一類是用計算機軟件設計的方法實現(xiàn)環(huán)分器規(guī)定的功能，通常稱軟環(huán)形分派器。另一類是用硬件構成的環(huán)形分派器，通常稱為硬環(huán)形分派器。功率放大器重要對環(huán)形分派器的較小輸出信號進行放大，以達成驅動步進電機目的。圖1典型步進電機控制框圖軟環(huán)形分派即采用微機控制取代脈沖分派器，直接將控制信號分管腳送到驅動電路，常用的辦法是通過編程輸出內存中定義好的控制方式輸出字。這樣，當步進電機的相數(shù)和控制方式擬定之后，以一定規(guī)律輸出控制字就可以了。軟環(huán)形分派用程序取代了脈沖分派器，一定限度上減少了成本。但假如要預存的控制字很多，就會占用單片機較多內存。此外，當所控制的步進電機相數(shù)較多，需要的輸出管腳也會隨之增長，這樣就占用了單片機較多的數(shù)據(jù)口，減少接口的運用率的同時限制了單片機實現(xiàn)更多功能。由于任務規(guī)定系統(tǒng)有鍵盤、顯示以及串口控制等多個部分，且要控制兩部電機，為留出更多的數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)上述功能，設計選擇常規(guī)的電機控制電路。由脈沖分派器完畢對電機繞組電平的時序控制（即脈沖分派），從而每個電機只需單片機相應輸出一個觸發(fā)信號（控制方向）和一組脈沖波（控制速度）即可。要注意的是，對脈沖波頻率的計算和輸出控制沒有直接輸出控制字的方法精確，響應效果也會因脈沖分派器的存在而稍差一些。1.3控制算法的方案單片機對步進電機的控制算法也有多種，如上述的輸出字法就是運用單片機內部的計時功能定期輸出控制字，把對電機速度的控制轉變?yōu)閷纱屋敵鰰r間間隔的控制?？刂扑惴ê艽笙薅葲Q定于電機的控制方案。上文選定的電機控制方案是規(guī)定單片機實時輸出改變電機方向的觸發(fā)信號和控制電機轉速的脈沖信號。對于電機方向的控制，由按鍵或串口控制指令改寫相應的標志量的值并由接口輸出即可。對電機速度的控制就是對輸出脈沖波頻率的控制，而頻率的大小是要有時間標尺衡量的。單片機內部對輸出頻率的控制是通過兩個中間變量的比較運算實現(xiàn)的：其中一個變量（以A代替）由單片機內部的計時器改寫，表征時間量作為標尺；另一個變量（以B代替）由按鍵或串口控制指令改寫，表征速度值（其大小可通過算數(shù)運算與實際速度相統(tǒng)一）。程序在每次執(zhí)行計時中斷程序時改變一次電平：本來是高電平則變?yōu)榈碗娖?，本來是低電平則變?yōu)楦唠娖健ｏ@然，B值的大小直接決定了比較結果產生的快慢，即輸出端高低電平變化的快慢。改變B的大小就可以改變輸出的脈沖頻率，從而控制步進電機的速度。變量的使用不僅方便地實現(xiàn)了對輸出脈沖頻率的控制，尚有助于實現(xiàn)多部步進電機的異步運營。針對每個電機定義一個速度變量，分別與時間標量進行比較運算，比較結果控制各自的管腳電平變化。用取反運算或者位異或運算改寫管腳電平，可以有效控制輸出電平而不互相干擾。1.4串口通訊的模擬單片機上有通用異步接受/發(fā)送器用于串行通信，發(fā)送時數(shù)據(jù)由TXD端送出，接受時數(shù)據(jù)由RXD端輸入。有兩個緩沖器SBUF，一個作發(fā)送緩沖器，另一個作接受緩沖器。短距離的機間通訊可使用UART的TTL電平，使用驅動芯片可接成RS232C與通用微機進行通訊。波特率時鐘必須從內部定期器1或定期器2獲得。本設計運用軟件模擬上位機控制端，通過串口輸出控制信號到單片機串行口，形成區(qū)別于鍵盤的另一種控制方式。2硬件的設計與實現(xiàn)2.1微解決器的選擇AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器和128bytes隨機存取數(shù)據(jù)存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微解決器。片內置通用8位中央解決器，采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術的生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)。AT89C51提供以下標準功能：4K字節(jié)Flash閃存存儲器，128字節(jié)內部RAM，32個I/O口線，兩個16位定期/計數(shù)器；一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式，空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM、定期/計數(shù)器、串行通信及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并嚴禁其他所有部件工作直到下一次硬件復位。用AT89C51足以實現(xiàn)對步進電機的簡樸控制。2.2控制電路的實現(xiàn)常規(guī)步進電機的驅動是用ULN達林頓驅動器實現(xiàn)的，其內部具有多個達林頓管，適于感性負載的驅動。本文所設計的步進電機控制驅動器的框路圖如圖2：圖2步進電機控制驅動器框圖L297芯片是一種硬件環(huán)分集成芯片，可產生四相驅動信號，用于計算機控制的兩相雙極或四相單極步進電機。其內部重要部分是一組譯碼器，能產生各種所需的相序。這一部分是由兩種輸入模式控制，方向控制(CW/CCW)和HALF/FULL，以及步進式時鐘CLOCK，能將譯碼器從一階梯推動至另一階梯。譯碼器有四個輸出點連接到輸出邏輯部分，提供克制和斬波功能所需的相序。因此L297能產生三種相序信號，相應于三種不同的工作方式：即半步方式(HALFSTEP)，基本步距(FULLSTEP，整步)一相激勵方式，基本步距兩相激勵方式。脈沖分派器內部是一個3bit可逆計數(shù)器，加上組合邏輯產生每周期8步格雷碼時序信號，就是半步工作方式的時序信號，此時HALF/FULL信號為高電。若HALF/FULL取低電平，得到基本步距工作方式，即雙四拍全階梯工作方式。L297另一個重要組成是由兩個PWM斬波器來控制相繞組電流，實現(xiàn)恒流斬波控制以獲得良好的矩頻特性。每個斬波器由一個比較器、一個RS觸發(fā)器和外接采樣電阻組成，并設有一個公用振蕩器，向兩個斬波器提供觸發(fā)脈沖信號。L298是一種高壓、大電流雙全橋式驅動器，其設計是為接受標準TTL邏輯電平信號和驅動電感負載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動機和步進電動機等。L298具有兩克制輸入，可使器件不受輸入信號影響。每橋的三級管的射極是連接在一起的，相應外接線端可用來連接外設傳感電阻，還可安頓另一輸入電源，使邏輯能在低電壓下工作。L298芯片是具有15個引出腳的多瓦數(shù)直插式封裝的集成芯片。由L297和L298所組成的步進電機控制電路如圖3所示。這種控制電路的優(yōu)點是需要的元件較少，裝配線路簡樸，成本低，可靠性高，占空間少?？刂齐娐匪栊盘栆脖容^簡易，可以簡化和減輕微型計算機的承擔。此外，L297和L298都是獨立的芯片，所以組合和控制十分靈活。但缺陷是，所控制的電機類型以及運營方式會受芯片限制。圖3步進電機控制電路2.3鍵盤和顯示電路本設計鍵盤采用低電平有效的獨立鍵盤，用位運算進行鍵盤掃描。顯示選用LM016L液晶顯示器，可同時顯示兩部電機的運營方向和速度。加入通信串口，晶振以及相關配件后的系統(tǒng)總電路圖如下，（系統(tǒng)調試后的完整電路圖見附錄）:3軟件的設計與實現(xiàn)單片機是系統(tǒng)的核心，重要承擔控制信號的接受，邏輯分析和運算，控制量的輸出和顯示的運算和輸出等功能。本程序采用模塊化設計，針對上述功能重要涉及主函數(shù)、鍵盤掃描、串口中斷、計時中斷和顯示程序幾個模塊。其中，主函數(shù)重要負責對單片機、內部元件及中斷等工作方式進行定義和設定，并協(xié)調好各模塊之間的運營時序，其流程圖如下：圖5主函數(shù)流程圖3.1控制信號輸入程序控制信號可以通過獨立鍵盤和串口通訊兩種方式輸入。鍵盤的輸入重要是用掃描程序，即不斷取鍵盤接口的邏輯值，與特定值進行位運算就可以辨認鍵盤的控制信息。串口通訊控制信號的輸入也是運用了掃描，但是單片機內軟件所要做的，重要是定義計數(shù)器工作及串口協(xié)議，如波特率等。成功實現(xiàn)串口通訊后，對獲得的數(shù)據(jù)編輯運算就可以形成相應的控制輸出。為避免兩種方式的控制信號沖突，程序通過外接開關選定控制方式。整個控制信號輸入程序流程圖如下：圖6輸入掃描程序流程圖3.2步進電機控制程序設計擬定方案的時候已經提到，對步進電機的控制重要是對單片機輸出脈沖頻率的控制。頻率的快慢必然是要有時間來衡量的，顯然要使用單片機內部的計時器進行計時，電平輸出指令就在計時器中斷程序中。每當計時結束，就執(zhí)行一次比較運算并改寫電平與本來相反。值得注意的是，由于單片機計時器的計時是對預存的起始量進行減運算。這樣，要想加快電機速度提高輸出頻率就要減小速度標量B，以減少兩者比較次數(shù)，更頻繁地執(zhí)行中斷以改寫電平，從而達成提高頻率的目的。頻率控制原理圖如圖7所示：圖7頻率變化原理由圖可以明顯地看出，速度標志量越小，輸出波形的頻率越快。由此可以擬定鍵盤控制和串口控制下，步進電機控制算法程序的流程圖如下：圖8步進電機控制程序流程圖3.3程序分析及說明本設計的程序采用了多個變量，其中Runspeed變量在控制輸入和控制輸出之間起樞紐作用，可以說對Runspeed的控制就是對電機速度的控制。計數(shù)器環(huán)節(jié)中，Cnt變量的使用讓計時器解放出來成為獨立的走時，把對計時中斷次數(shù)的記錄作為計算量，而計數(shù)器自身不參與邏輯運算。這樣大大提高了單片機內有限個計時器的運用率，當有新的控制需要時間量度時，只需增長變量即可。此外，通過取反改變輸出電平的算法簡樸方便，節(jié)省了單片機內存空間的同時也節(jié)省了有限的數(shù)據(jù)口。設計程序從多方面充足提高單片機的運用率，是值得推廣的。4系統(tǒng)的仿真與調試仿真時，先完畢由鍵盤控制的一臺步進電機的加速減速控制，擬定鍵盤掃描、電機走步等的基本算法是否可行。之后開辟新的接口，對另一臺電機控制，新變量的加入使兩臺電機的異步運營十分容易。最后仿真串行接口的通訊與控制。4.1程序的調試對于脈沖波的輸出算法，可以選擇對管腳位定義，再對變量或管腳代號分別作取反運算。這種方法可靠簡樸，但假如所要控制的電機數(shù)目較多，程序就會十分冗長。用8位異或的位運算就可以解決這個問題，位異或可以只對目的管腳作用而不影響其他管腳的輸出，可以同時對多個管腳改寫電平。鍵盤掃描是不斷用接口數(shù)據(jù)與特定16進制數(shù)進行位運算，位運算的選擇也會影響到信號采集的準確度和管腳的運用率。調試顯示器的關鍵則是準確地將初始化信息分批地送到顯示器里。針對本設計所使用的AT89C51單片機，假如選用P0口作為顯示輸出則必須對P0口每個管腳接上拉電阻。而對電機速度的顯示需要以Runspeed為應變量選取適當?shù)膿Q算函數(shù)，才干顯示對的的速度值。4.2串口通信的調試調試串口通訊的關鍵是對串口對的地初始化。一旦通信成功，串口控制就解決了大半的問題，接著就是用緩存里的數(shù)據(jù)編程控制，其算法與鍵盤控制相差不遠。串口調試最需注意的是，除了在程序里對串口和通訊初始化之外，電路圖中器件相關屬性的設立都必須與通訊規(guī)定保持一致，比如串口的波特率應設立為軟件里初始化波特率的大小。同樣地，模擬的上位機的傳輸位和停止位等指標也應認真選定。本設計只完畢了單片機與控制口之間以字節(jié)為單位的簡樸通訊，所以能通信的控制功能十分有限。4.3調試結果通過調試，系統(tǒng)能以鍵盤和串口兩種方式對兩部步進電機進行異步控制，并在顯示屏上顯示各電機的轉向和轉速。其中串口控制仿真效果如下圖所示：圖9串口控制仿真效果圖圖10串口控制窗口5設計總結本計選擇常規(guī)的脈沖分派器完畢對電機繞組電平的時序控制，從而使單片機對每部電機相應輸出一個觸發(fā)信號和一組脈沖波即可。這樣節(jié)省了單片機的數(shù)據(jù)接口，一定限度提高了運用率。此外，正如程序分析師所述，本設計的軟件采用了多個變量使單片機計時器等部分得以共享，當有新的控制需要時間量度時，只需增長變量即可，大大提高了使用價值。此外，程序通過取反改變輸出電平的算法簡樸方便，節(jié)省了單片機內存空間的同時也節(jié)省了有限的數(shù)據(jù)口。系統(tǒng)對信號頻率控制，使得控制的精確度較輸出控制字方式較差。此外，變量的使用也是的多個程序模塊同時依賴一個計數(shù)器，減少了系統(tǒng)可靠性。參考文獻[1]于海生.微型計算機控制技術.北京:清華大學出版社,1999.3[2]常喜茂,孔英會等.C51基礎與應用實例.北京:電子工業(yè)出版社,2023[3]馬德駿,張建宏等.C語言程序設計.北京:科學出版社,2023[4]劉寶廷,程樹康等.步進電機及其驅動控制系統(tǒng).哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,1997[5]馬忠梅,籍順心等.單片機的C語言應用程序設計.北京:北京航空航天大學出版社,2023附錄#include<AT89X51.h>#include<stdio.h>#include<intrins.h>intdelay();voidinti_lcd();voidshow_lcd(inti);voidcmd_wr();voidShowSpeed();voidShowDir();voidkey_scan();voidcod_scan();voiddelayms(intms);voidsend_char(unsignedcharout);sbitRS=P2^4;//定義LCD的端口物理地址sbitRW=P2^5;sbitE=P2^6;charSpeedChar1[]="V1(n/min):"; //顯示變量charSpeedChar2[]="V2(n/min):";charSPEED1[3]="050";charSPEED2[3]="050";charforward='f',backforward='b';unsignedintRunSpeed1=50;//運算變量unsignedintRunSpeed2=50;unsignedintcnt1=0;unsignedintcnt2=0;unsignedintcod;bitRunDir1=1,RunDir2=1;//運營狀態(tài)(起始為正方向)bit Contrl=0;//控制狀態(tài)(起始為按鍵控制)unsignedchartemp;//串口變量voidInit_RS232(void){TL1=0Xfd;TH1=0Xfd;//波特率為9600(fd),4800(fa),2400(f4) SCON=0x50; //設定串行口工作方式 PCON&=0xef; //波特率不倍增TR1=1;}main(){ TMOD=0x21; //定期器工作方式EA=1; //開中斷 TR0=0;//關閉計數(shù)器0 TH0=(65535-1000)>>8; //定期器0初值，即1ms中斷一次 TL0=(65535-1000)&0x00ff; PT0=1; //定期器0高優(yōu)先級中斷 ET0=1;//定期器0中斷允許 TR0=1; //啟動計數(shù)器0Init_RS232(); inti_lcd(); ShowSpeed();ShowDir(); while(1){ if(Contrl^P1_6) //控制方式鍵是否按下 Contrl=P1_6; if(Contrl==0) //按下則掃描鍵盤 { key_scan(); } if(Contrl==1) //沒按下則等待輸入 { if(RI) //是否有數(shù)據(jù)到來 { RI=0; //暫停接受數(shù)據(jù) cod=SBUF; //存儲接受的數(shù)據(jù) delayms(10); send_char(cod); //回傳接受到的數(shù)據(jù) cod=cod-0x30;//將ASC碼轉化 cod_scan(); ShowSpeed(); } 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