基于单片机控制的步进电动机调速系统设计.docx
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基于单片机控制的步进电动机调速系统设计
论文题目：
基于单片机控制的步进电动机调速系统设计
摘要
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。
在本设计方案中采用AT89C51型单片机内部的定时器改变CP脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行控制，实现电机调速与正反转的功能。
关键词：
步进电机，单片机，调速系统
Abstract:
Step-by-stepelectricmotoristheringopeninggatingelementchangingelectricitypulsesignalintoangulardisplacementorlinedisplacement.Underthesituationofmustoverload,theelectricmotorrotationrate,discontinuouslocationdependonpulsesignalfrequencyandpulsenumberonly,makefreefrombeingloadedwiththeeffectchanging,butbethatbeingaddedapulsesignal,theelectricmotorbyelectricmotoristohaverotatedastepspurangle.Thisgleamofthesexualrelationshipsexistence,addsstep-by-stepelectricmotorcharacteristicssuchasonlyhavingthecyclicityerrorbuttherebeingnoaccumulativeerror.Feasiblesimplicitycontrollingafieldusingstep-by-stepelectricmotortocometocontrolchangeableextraordinaryinspeed,locationetc.Step-by-stepelectricmotorspeedregulationgeneralbechangeimportstep-by-stepelectricmotorpulsefrequencycometruestep-by-stepelectricmotorspeedregulation,becauseofstep-by-stepelectricmotoreverybegiventoapulserightawayrotateonefixedangle,suchrightawaynotbadpassunderthecontrolofstep-by-stepelectricmotorapulsearriveatnextpulseperiodcometochangepulsefrequency,Cometocontrolthespeedregulation,realizingstep-by-stepelectricmotortherebytocometochangetheelectricmotorrotationratestep-by-stepangleconcretelythedeferredlength.FrequencyadopttheinternaltimerofAT89C51typemonolithicmachinetochangeCPpulseinthedesignplaninrealizesthespeedregulationcontrolling,realizinganelectricmotorandthefunctionthatthepositiveandnegativerotatesbeinginprogresstostep-by-stepelectricmotorrotationratethereby.
Keywords:
Step-by-stepelectricmotor,monolithicmachine,speedregulationsystem
第一章步进电机概述
第一节步进电机的特点
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。
第二节步进电机的工作原理
步进电机是一种用电脉冲进行控制,将电脉冲信号转换成相位移的电机,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了电机运转的速度.当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
第三节步进电机的分类
一步进电机分为三大类
1）反应式步进电机（VAriABleReluCtAnCe，简称VR）反应式步进电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，成本距角可以做得很小，但动态性能较差。
反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。
2）永磁式步进电机（PermAnentMAgnet），简称PM永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。
转子的极数和定子的极数相同，所以一般步进角比较大，它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小（相比反应式），但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。
3）混合式步进电机（HyBrid，简称HB）混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。
混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。
因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。
这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。
由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。
二步进电机的内外结构
步进电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开如图1-1所示：
图1-1定子展开图
电动机定子铁心和一般电机一样由硅钢片叠成，铁心内孔表面有开口槽。
转子装有一个轴向磁化永磁体用以产生一个单向磁场。
永磁体产生的磁通，在每一个气隙圆周上都是单方向通过气隙的，这时作用在气隙中的磁势是同极性的，称为单极磁势。
而转子包括两段，一段经永磁体磁化成N极，另一段磁化为S极，每段转子齿以一个齿距间隔均匀分布，但两段转子的齿相互错开1/2个转子齿距。
A）N极段截面图B）S极段截面图如图1-2所示:
A）N极段截面图B）S极段截面图
图1-2三相混合式步进电机截面图
第四节步进电机详细调速原理
步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电的调速。
具体的延时时间可以通过软件来实现。
第二章本次设计的基本要求
步进电机采用三相步进电机，功率为1W。
调速范围为0到1000r/min
最高转速时，精度2%
要基本上完成毕业设计，作到步进电机能精确的调速，正反转、并能在起动时不失步，基本上没有振荡，能完成完整的硬件电路图，软件设计。
第三章方案的论证
第一节驱动方式的确定
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。
固一般采用后者，用光电骗码器作为反馈元件。
第二节基本方案的确定
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
第四章硬件电路的设计
第一节单片机的选择
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（FPEROM—FAlshProgrAmmABleAndErAsABleReAdOnlyMemory）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
第二节驱动电路的选择
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。
具体的连接图如4-3-1所示：
图4-3-1步进电机驱动电路图
PWM8713芯片介绍如下；
PMM8713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。
PMM8713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1所示，表1所列是PMM8713的引脚功能。
在PMM8713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。
PMM8713有两种脉冲输人法:
双脉冲输人法和单脉冲输人法。
采用双脉冲输人法的连线方式如图4-3-2（A）所示，其中CPICA两端分别输人步进电机正反转的控制脉冲。
当采用单脉冲输人法时，其连线方式如图2所示；
图4-3-28713脉冲输入
图4-3-3PWM8713的引脚图
PMM8713功能介绍
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。
如图1所示PMM8713的引脚,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4-3-4所示:
图4-3-4驱动电路框图
第五章算法的设计
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,可产生多种更好的控制方法。
本文采用的复合PID控制算法和带动态补偿的模糊控制算法克服了以上缺陷,取得了较好的实验效果。
第一节PID控制算法
PID调节的实质就是根据输入的偏差值,按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制,将基本PID算式离散化可得到位置型PID控制算法,对位置型PID进行变换可得到增量型PID控制算法。
对控制精度要求较高的系统一般采用位置型算法,而在以步进电机或多圈电位器做执行器件的系统中,则采用增量型算法。
PID是一种工业控制过程中应用较为广泛的一种控制算法，它具有原理简单，易于实现，稳定性好，适用范围广，控制参数易于整定等优点。
PID控制不需了解被控对象的数学模型,只要根据经验调整控制器参数,便可获得满意的结果。
其不足之处是对被控参数的变化比较敏感。
但是通过软件编程方法实现PID控制,可以灵活地调整参数。
尽管近年来出现了很多先进的控制算法，但PID控制仍然以其独有的特点在工业控制过程中具有相当大的比重，且控制效果相当令人满意。
连续PID控制器也称比例－积分－微分控制器，即过程控制是按误差的比例（P-ProportionAl）、积分（I-IntegrAl）和微分（D-DerivAtive）对系统进行控制，其系统原理框图如图5-1所示：
图5-1PID的原理框图
它的控制规律的数学模型如下：
（5-1）
或写成传递函数形式：
（5-2）
式中，e（t）：
调节器输入函数，即给定量与输出量的偏u（t）：
调节器输出函数。
Kp：
比例系数；
T：
积分时间常数；
T：
微分时间常数。
将式（2-1）展开，调节器输出函数可分成比例部分、积分部分和微分部分，它们分别是:
⑴比例部分比例部分的数学表达式是
p在比例部分中，Kp是比例系数，Kp越大，可以使系统的过渡过程越快，迅速消除静误差；但Kp过大，易使系统超调，产生振荡，导致不稳定。
因此，此比例系数应选择合适，才能达到使系统的过渡过程时间短而稳定的效果。
图为比例调节器
（5-3）
比例调节器
其中：
U控制器的输出
比例系数
E调节器输入偏差
控制量的基准
比例作用：
迅速反应误差，但不能消除稳态误差，过大容易引起不稳定
⑵积分部分积分部分的数学表达式是
从它的数学表达式可以看出，要是系统误差存在，控制作用就会不断增
加或减少，只有e（t）=0时，它的积分才是一个不变的常数，控制作用也就不会改变，积分部分的作用是消除系统误差。
积分时间常数
的选择对积分部分的作用影响很大。
较大，积分作用较弱，这时，系统消除误差所需的时间会加长，调节过程慢；
较小，积分作用增强，这时可能使系统过渡过程产生振荡，但可以较快地消除误差。
⑶微分部分
微分部分的数学表达式是
.
微分部分的作用主要是抵消误差的变化，作用强弱由微分时间常数T确定。
越大，则抑制误差e（t）变化的作用越强，但易于使系统产生振荡；
越小，抵消误差的作用越弱。
因而，微分时间常数要选择合适，使系统尽快稳定。
比例积分微分调节器如图5-2所示:
图5-2
但PID算法有两种分别为:
位置式、增量式.
位置式PID控制算法
（5-4）
（5-5）由（5-5）与（5-6）式可以推出下式
（5-6）
位置式控制算法提供执行机构的位置uk，需要累计Ek.
增量式PID控制算法
（5-8）
（5-9）
由
（1）与
（2）式可推出下式:
（5-10）
增量式控制算法提供执行机构的增量
只需要保持.现时以前3个时刻的偏差值即可.增量式算法不需做累加，计算误差和计算精度问题对控制量的计算影响较小；位置式算法要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累计误差。
控制从手动切换到自动时，位置式算法必须先将计算机的输出值置为原始值
时，才能保证无冲击切换；增量式算法与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。
在实际应用中，应根据被控对象的实际情况加以选择。
一般认为，在以闸管或伺服电机作为执行器件，或对控制精度要求较高的系统中，应当采用位置式算法；而在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中，则应采用增量式算法。
因本次设计对步进电机的调速范围与控制精确的要求,应采用增量式PID控制：
系统的流程框图如5-2所示:
图5-2步进电机调速系统的控制
第六章软件的设计
第一节显示子程序的设计
图6-1-1显示程序流程图
第二节 键盘子程序的设计
图6-2-1键盘程序流程图
第三节 驱动程序流程的设计：
图6-3-1主程序流程图
第四节 正反转程序流程图
一 正反转程序流程图
图6-4-1正反转程序流程图
二转速快慢程序流程图
6-4-2转速快慢程序流程图
三定时中断流程图
图6-4-2中断子程序流程图
第七章实验结果与分析
第一节有关参数的计算与分析
在单相三拍方式控制中，假如A相电源通电，B、C两相都不通电，在磁场作用下，使转子齿和A相的定子齿对齐。
若此时为初始状态，并设与A相磁极对齐的齿为0号齿，由于B相齿与A相齿相差120度。
且
不为整数。
所以此转子不能和B号齿对齐，只有13号小齿靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3度，如果此时变为B相通电，万里A、C两相不通电，则B相磁极迫使与13号齿对齐，整个齿就转了3度，称为一步。
步进电机就是以这种方式作为动力而转动。
在单相三拍A-B-C-A通电一周，转子转动了9度。
固步距角可用公式7-1表示：
（7-1）
其中
为步距角，N为运行的拍数，
为转子的齿数。
其中
，
为控制的相绕阻，C在三拍中为1，在六拍中为2。
步距角的速度的控制是通过改变脉冲的时间间隔来控制的。
如果步进电机每转20圈要2秒。
则每进一步所在的时间为：
计算公式如7-2所示：
（7-2）
可见只要输出一个脉冲后延时
再输脉冲就可以达到自定的速度。
本次设计在求的转速范围为0到
，最高转速时的精度为2%。
功率为1W。
得：
步进脉冲之间的延迟时间为
。
。
=
延迟时间在0到
。
精度是由步进电机的性能决定的。
第二节理论与实际的分析
从
的公式看到,改变步进电动机步距的大小有三种方式:
1）改变步进电动机的相数。
步进电动机的相数越多、步距角就越小。
2）与步进电动机的定、转齿数有关。
3）与定子控制绕组的通电方式有关。
要改变步进电机步距角的大小也只能通过这三种方式。
设计中步进电机为三相，功率为1W。
因步进电机的转子上没有绕阻而是由40个小齿均匀地分布在圆周上。
定子的齿也是固定不变的，通电方式是选取用三相单三拍方式。
可见步进电机的一但选定，其步距角就不能再改变了。
要改变转束也就只能通过脉冲之间的延时来改变。
但对步进电动机的步距角的控制,可以实现对步进电动机的转速精度控制。
但实际上步进电机在用行时是带有一定量的负载，当运转时会存在许多误差，同时因为负载的存在可能引起失步和震荡。
这就使步进电机不能按预定的规律运行，从而是很难达到转速精度的要求。
为准确测量电机的转速稳定度,须选用高精度测量仪器。
光电编码器因光电式数字输出而更具抗干扰性强和处理简便的优势。
增量式旋转编码器如图7-1所示。
其核心部件为光栅码盘,玻璃盘表面的光栅道数决定了编码器的分辨率,而后者制约了转速测量的精度。
当编码器分辨率与系统误差相近时,其影响将不复存在。
图7-1 增量式旋转编码器
光电编码器的分分辨率是决定着反馈的准确性与反馈的精度。
也对步进电机的延时长短起到一定的作用。
可见实际与理论是有一定的差别的。
结束语
通过这段时间的毕业设计，把所学过的各种知识进行了一次全面而系统的综合，并融会贯通，把所学到的各种理论与思想进行可一次合理的应用，把所查阅到的各种文献及与设计相关的资料进行了合理的提取与分析，并应用到实际。
这不但增强了自己的知识结构，同时对所学过的各种理论知识与专业知识进行了一次全面的终结。
由于不断的上机操作与实践，不但加强了自己动手能力，同时对一些计算机软件的应用有了一定的掌握与理解，并加强了网上学习和查阅资料的能力。
步进电机调速系统适用各种现场自动化控制，特别应用于小功率负载的控制；具有成本底，性能稳定,可靠性高等优点。
步进电机作为执行元件，在科技的进步中起到了非常重要的作用，而步进电机调速系统可方便地应用与各种自动化控制系统与领域。
毕业设计是对大学所学课程的一个高度的综合。
无论是基础知识还是专业知识都被设计统一起来，使零散的知识系统化，形成了一种能力，这也是毕业设计所要达到的目的。
这也为我们走入社会打下一个良好的基础，为走入社会对知识与理论的应用做了一个好的铺垫。
人生的路是漫长而曲折的，在这漫长而曲折的道路上需要自己的不断努力与拼搏。
作为即将离校的学生，走出校门就站在另一个人生起点上，还有很长的路要走，这必须有足够的勇气与自信去迎接挑战，克服困难，创造奇迹。
特别对未来要充满期盼，充满希望，要微笑着走人生的每一步。
“路漫漫其修远兮，我将上下而求索”。
致谢
本次毕
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