基于Proteus的步進電機閉環(huán)控制仿真

1、本科畢業(yè)設計論文題題 目目 基于 Proteus 的步進電機閉環(huán)控制仿真 所所在在系系 電氣與信息工程 學生姓名學生姓名 專專 業(yè)業(yè) 電子信息工程 班班 級級 學學 號號 指導教師指導教師 2013 年年 6 月月西安交通大學城市學院本科生畢業(yè)設計（論文）摘要I摘 要步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應的角位移(或線位移)的電磁裝置，因為步進電機不需要 A/D 轉換，能夠直接將數字脈沖信號轉化成為角位移，所以被認為是理想的數控機床的執(zhí)行元件，由于其精確性以及其良好的性能在實際當中得到了廣泛的應用。本文介紹了以 51 系列單片機 AT89S51 為控制核心所設計的步進電機控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)的硬件仿

2、真電路以及軟件的設計方面實現(xiàn)了對步進電機的控制。并且由傳感器 FC-SPX302 采集轉速數據進而進行關于速度的閉環(huán)控制，經過仿真驗證電路證明，該仿真控制系統(tǒng)的隨動性能好，抗干擾能力強，穩(wěn)定性好。關鍵詞： 步進電機，閉環(huán)，控制西安交通大學城市學院本科生畢業(yè)設計（論文）IIABSTRACTIIIABSTRACTStepper motor is a pulse signal is converted into the corresponding angular displacement (or linear displacement) of electromagnetic devices, bec

3、ause step motor does not need A/D conversion, digital pulse signal can be directly transformed into angular displacement, so It is considered to be an ideal actuator of CNC machine tools. Because of its good performance and accuracy in practice has been widely applied. This paper introduces to 51 se

4、ries microcontroller AT89S51 as control core design of stepping motor control system, From the hardware circuit simulation and software design and implementation of stepper motor control. And use the acquisition speed data sensor FC-SPX302 to make up a closed-loop of speed control system. Through th

5、e circuit simulation prove, dynamic performance with the simulation of the control system, strong anti-interference ability, good stability.KEY WORDS: Stepper motor，Closed loop，Control西安交通大學城市學院本科生畢業(yè)設計（論文）IV目 錄V目目 錄錄1 緒論.11.1 步進電機國內外研究現(xiàn)狀 .11.2 研究主要內容及其意義 .21.3 步進電機的單片機控制優(yōu)點 .32 步進電動機的介紹.52.1 步進電動機的基本

6、原理 .52.2 步進電動機分類 .52.3 步進電機的一些基本參數 .52.3.1 電機的拍數 .52.3.2 電機固有步進角 .62.3.3 步進電機的相數 .62.4 步進電機結構 .62.4.1 步進電機的旋轉 .72.5 步進電動機的控制原理 .72.5.1 換相順序的控制 .82.5.2 步進電動機的轉向控制 .82.5.3 步進電動機的速度控制 .82.5.4 步進電動機的位置控制 .82.6 步進電動機的特點 .93 主要芯片介紹.113.1 89S5L單片機簡介 .113.1.1 單片機的引腳功能 .113.1.2 單片機的主要特性 .113.2 L298 簡介.123.2.

7、1 L298 的原理.123.2.2 L298 概述.123.3 光電開關 .144 硬件設計.154.1 總體設計方框圖 .154.2 系統(tǒng)仿真圖 .154.3 步進電動機的控制方式選擇 .164.4 步進電動機的驅動方式選擇 .17西安交通大學城市學院本科畢業(yè)生（論文）VI4.5 鍵盤電路設計 .174.5.1 鍵盤原理圖 .174.5.2 鍵盤功能 .184.6 顯示電路 .184.7 測速電路 .195 軟件設計.215.1 PID 控制算法.215.1.1 位置式 PID 的控制算法 .215.1.2 增量式 PID 的控制算法 .225.2 主程序 .236 實驗結果及分析.256

8、.1 測量轉速與實際轉速比較 .256.2 結論 .25總結.27致謝.29參考文獻.31附錄 A 電路原理圖（PROTEL） .33附錄 B 電路仿真圖（PROTEUS） .34附錄 C 程序 .35Error! No text of specified style in document.11 緒論1.1 步進電機國內外研究現(xiàn)狀步進電動機是一種新型增量式電機，是數字控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。它是利用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的電動機。它的位移與輸入脈沖信號相對應，步矩誤差不長期積累，不需用電刷，電機本體部件少，易于啟停、正反轉及變速。用步進電機作為驅動裝置構成

9、的控制系統(tǒng)，具有成本低，控制簡單，容易維護等優(yōu)點。步進電動機問世后，廣泛地應用在等各個領域。做為機床控制、電子瞄準、工業(yè)自動化、辦公自動化和機器人運動控制中應用的重要執(zhí)行部件，顯示出廣闊的發(fā)展前景。步進電動機有多種不同的結構。經過近七十多年的發(fā)展，逐漸形成以混合式和反應式為主的產品格局?；旌鲜讲竭M電動機是在同步電動機或者說是在永磁感應子式同步電動機的基礎上發(fā)展起來的。既有反應式步進電動機基于氣隙磁導變化的特征，又有軸向恒定磁場的永磁式步進電動機的特征。其綜合了該兩類步進電動機的特點，因而性能更好。具有分辨率高，控制功率小等優(yōu)點，是應用最為廣泛的步進電動機種類，至今沒發(fā)現(xiàn)更合適取代它的產品。缺點

10、是帶慣性負載能力差，低頻振蕩現(xiàn)象嚴重，高頻運行時輸出轉矩下降。國外步進電動機研究較早，對步進電機驅動技術的研究一直很活躍，如今正在研究開發(fā)以步進電動機為執(zhí)行機構的高性能伺服系統(tǒng)。目前，這類電動機最大的生產國還是日本。日本有很多公司生產，像 JAPAN SERVO，SANYO DENKI 等。它們的產品無論是外觀質量，內部性能指標，還是生產手段，都處于世界先進水平。而在我國，步進電動機的研制最早始于 1958 年。經過五十年的發(fā)展，目前發(fā)展趨于平緩，與國外相比，反應式步進電動機還占大量比例，只是隨著近年來大批進口設備大量涌入我國，而這些設備大多數采用了混合式步進電動機，混合式步進電動機才為人們所

11、熟悉。在國外，特別是工業(yè)比較發(fā)達的國家，步進電動機及其驅動技術早已規(guī)?；a，我國與之相比還有相當大的差距。雖然我國在該類電機的研制和生產上已形成一定規(guī)模，但生產規(guī)模較小，未形成商品化和系列化，僅處于按用戶要求研制定制階段，與國外產品相比尚無競爭能力。從步進電動機驅動技術發(fā)展歷史來看，步進電動機的相數不同，有 2 相、3 相、4 相、5 相、9 相等。齒數也不同，使得產品規(guī)格品種繁多，生產格局復雜化，對用戶選擇不利。然而由于步進電動機和其它電機有著很大的差別，具有其它電機所沒有的特性。因此，它仍然能根據市場的需求，沿著小型化、高效、低價的方向發(fā)展。步進電動機的使用性能與它的驅動電路有密切的關系

12、，隨著電力電子技術西安交通大學城市學院本科畢業(yè)生（論文）2及微電子技術及其器件的發(fā)展，驅動器的面貌不斷改變。最初使用的末級功放元件是可控硅?？煽毓桦m然觸發(fā)簡單，但關斷困難，總的來說線路較復雜、易形成誤觸發(fā)、可靠性也差；且不便于調試和維護、抗干擾能力不好。但隨著大功率晶體管的發(fā)展目前一般不再采用末級功放元件來驅動控制步進電動機。目前，功率開關管多采用功率場控晶體管(MOSFET)和全控型器件(IGBT)。功率集成電路(PIC)將功率器件、前級驅動電路、控制電路及保護電路等都集成在一起，具有較強的功能和較大的輸出功率。用這種器件做成步進電動機驅動器，具有結構簡單、性能穩(wěn)定及運行可靠等優(yōu)點。目前已應

13、用于中、小功率步進電動機的驅動。驅動器控制電路發(fā)展的一個重要方面是集成電路專用芯片的采用。如 F/V 變換器(LM2917)，V/W 變換器(SG3525，TL494)，微步控制與功率器件集成在一起的芯片(A3955SB)等，更使步進電機驅動器的研制上了一個新臺階，使其性能指標有了顯著的提高。使步進電動機的控制系統(tǒng)達到了一個新的水平。其它一些控制技術，如矢量控制，模糊控制，神經網絡控制等也獲得了飛速發(fā)展和應用。步進電動機今后的發(fā)展，依賴于新材料的應用，設計手段的完善，以及與驅動技術的最佳配合。首先，精確的分析和設計，模型的建立和完善，是一項重要的基礎研究，至今還有很多工作要做，它可以為各類問題

14、的深入分析提供基礎，為優(yōu)化設計指出方向。其次，電力電子技術、微電子技術的發(fā)展，高性能永磁材料的應用及優(yōu)化設計技術起到明顯的作用自不待說，驅動技術改進的作用也不容忽視，特別是微步驅動技術的應用和成熟，使步進電動機的分辨率和特性與相數的關系不大，對步進電動機的設計，今后的發(fā)展會產生很大的影響，也提出了一系列新的研究課題和方向。1.2 研究主要內容及其意義 隨著步進電動機系統(tǒng)在各種數字控制系統(tǒng)中的廣泛應用，各種數字控制系統(tǒng)隨步進電動機性能和使用條件的要求也越來越高。這就要求不斷研制出高性能高可靠性高集成化低價位的驅動器和低成本的單片機控制滿足需求。眾所周知，國內對這方面的研究一直很活躍，但是可供選用

15、的高性能的步進電動機驅動器卻很少，而且國內的驅動器方面基本都存在著體積大、外形尺寸不規(guī)則、性能指標不穩(wěn)定及遠沒有達到系列化等問題，這就給驅動器的選用和安裝帶來了極大的不便，另外，隨著國內單片機技術的發(fā)展，更精度的步進電動機控制技術也得到很大的發(fā)展。國外雖然有通用的各種類型的步進電動機驅動器，但大都存在價格昂貴，與我國的系統(tǒng)連接不匹配等問題。步進電動機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅動器；在驅動電源的設計方面目前采用更多的是由單片機提供脈沖驅動信號。步進電動機系統(tǒng)的性能，Error! No text of specified style in document.3除與電

16、動機自身的性能有關外，也在很大程度上取決于驅動器的性能。步進電動機在運行時，一般有以下問題:各相繞組都是開關工作，多數電動機繞組都是連續(xù)的交流或直流，而步進動機各相繞組都是脈沖式供電所以繞組電流不是連續(xù)的。電動機各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有較大的電感。繞組通電時，電流不能迅速上升至額定值，電流上升率受到限制，繞組斷電時，應該電流截止的相不能立即截止。繞組導通和截止都會產生較大的反電勢，而截止時反電勢將對驅動級器件的安全產生有害的影響。電動機運轉時在各相繞組中產生旋轉電勢，這些電勢的大小和方向將對繞組電流產生很大的影響。由于旋轉電勢基本上與電動機轉速成正比，轉速越高，電勢越大，繞組電流

17、越小，從而使電機輸出轉矩也隨著轉速升高而下降。步進電動機的固有分辨率不高，不能精密位移。以應用最廣的 8 極 50 齒兩相混合式步進電動機為例，其步距角為0.9/1.8，需配合機械減速機構以達到所需要的脈沖當量精度，但是，機械系統(tǒng)的增加也同時帶來了一個誤差源。步進電動機在低頻運行時的振蕩及過沖問題，嚴重限制了步進電動機的應用范圍。對這個問題的解決辦法，除了改善負載特性及附加機械阻尼外，還可以在驅動電源方面加以改善，如引入電磁阻尼、采用細分驅動等辦法來解決。在機電一體化中，步進電機是最常用的一種執(zhí)行電機，它實現(xiàn)了機械中的角度、位移的數字化控制，從而使機械控制的精度大大提高?，F(xiàn)代控制技術中普遍采用

18、的方式為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，開環(huán)控制結構簡單成本低但其精度不是太高；閉環(huán)控制可以實現(xiàn)高精度的控制，但其結構復雜投入成本高。步進電機的出現(xiàn)解決了這一技術難題，它使得開環(huán)控制的精度和速度大大提高，由它組成的步進式伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)了數字化機械生產過程。步進電機可以直接用數字信號驅動，使用非常方便。一般電動機都是連續(xù)轉動的，而步進電動機則有定位和運轉兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉動，每給它一個脈沖信號，它就轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向

19、。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機控制2。1.3 步進電機的單片機控制優(yōu)點控制系統(tǒng)對步進電機的控制通過步進電機驅動器來完成。因此它已經被廣泛地用于自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調試安裝復雜，要消耗大量元器件，實西安交通大學城市學院本科畢業(yè)生（論文）4現(xiàn)起來成本高、費時多，而且一旦定型后，電路就很難改動，因此不得不重新設計控制器。單片機是一種微型計算機，它在一個集成芯片中，集成有微處理器（CPU）、存儲器（RAM 和 ROM）、基本的 I/O 接口以及定時/計數部件，

20、即在一個芯片上實現(xiàn)了一臺微型計算機的基本功能3。步進電機的控制部分以單片機為主的微處理器控制具有如下優(yōu)點：1.靈活性和適應性。微處理器的控制方式是有軟件完成時，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只需修改程序即可。在系統(tǒng)調試和升級時，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數，非常方便。2.可以實現(xiàn)較復雜的控制，控制精度高。微處理器具有很強的邏輯功能、運算速度快、精度高、有大量的存儲單元，因此有能力實現(xiàn)復雜的控制。3.可提供人機界面。在電機控制中要用到鍵盤和顯示器作為人機界面來實現(xiàn)對步進電機的控制。單片機體積小，重量輕，抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，指令功能強，運行速度快，可靠性高及靈活

21、性好開發(fā)也較為容易，國內近些年來已將其廣泛應用4。在該設計中我選用了 MSC-51 作為步進電機的控制器, 用它來實現(xiàn)步進電機的空載時的一些控制功能。Error! No text of specified style in document.52 步進電動機的介紹2.1 步進電動機的基本原理步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。步進電機可以直接用數字信號驅動，使用非常方便。一般電動機都是連續(xù)轉動的，而步進電動機則有定位和運轉兩種基本狀態(tài)，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定

22、的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差的特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單，廣泛應用于各種開環(huán)控制5。 2.2 步進電動機分類步進電機的品種規(guī)格很多，現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。 永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 7.5 度或

23、15度；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為 1.5 度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 1.8 度而五相步進角一般為 0.72 度。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本方案所選用的步進電機6。2.3 步進電機的一些基本參數2.3.1 電機的拍數完成一個磁場周期性變化所需脈沖用 n 表示或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數以四相電機為例，四相四拍運行方式即 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運西安交通大學城市學院本科畢

24、業(yè)生（論文）6行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。2.3.2 電機固有步進角 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如 86BYG250A 型電機給出的值為 0.9/1.8（表示半步工作時為 0.9、整步工作時為 1.8），這個步距角可以稱之為電機固有步距角，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關7。2.3.3 步進電機的相數產生不同對極 N、S 磁場的激磁線圈對數，是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為 0.9/1.8、三

25、相的為 0.75/1.5、五相的為 0.36/0.72。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則相數將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角8。2.4 步進電機結構 電機轉子均勻分布著 40 個小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開 0、1/3 、2/3 ,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以表示），即 A 與齒 1 相對齊，B 與齒 2 向右錯開 1/3 ，C 與齒 3 向右錯開 2/3 ，A與齒 5 相對齊，（A就是 A，齒 5 就是齒 1）下面是定子和轉子的展開圖： 圖 2-1 定子和轉

26、子的展開圖Error! No text of specified style in document.72.4.1 步進電機的旋轉 如 A 相通電，B，C 相不通電時，由于磁場作用，齒 1 與 A 對齊，（轉子不受任何力以下均同）。 如 B 相通電，A，C 相不通電時，齒 2 應與 B 對齊，此時轉子向右移過 1/3，此時齒 3 與 C 偏移為 1/3 ，齒 4 與 A 偏移（-1/3 ）=2/3 。 如 C 相通電，A，B 相不通電，齒 3 應與 C 對齊，此時轉子又向右移過 1/3，此時齒 4 與 A 偏移為 1/3 對齊。 如 A 相通電，B，C 相不通電，齒 4 與 A 對齊，轉子又向

27、右移過 1/3 ，這樣經過 A、B、C、A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A 相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按 A，B，C，A通電，電機就每步（每脈沖）1/3 ,向右旋轉。如按 A，C，B，A通電，電機就反轉9。 由此可見：電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系，而方向由導電順序決定。 圖 2-2 電機的相與轉子不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用 A-AB-B-BCC-CA-A 這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3 改變?yōu)?1/6 。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3 變?yōu)?1/12 ，1/24 ，這就是電機細分驅動的

28、基本理論依據。 不難推出：電機定子上有 m 相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制這是步進電機旋轉的物理條件10。 2.5 步進電動機的控制原理 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，它不西安交通大學城市學院本科畢業(yè)生（論文）8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，控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經過功率放大器的放大加到步進電機驅動電源的各項輸入端，以

29、驅動步進電動機的轉動。環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器、另一類是用硬件構成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅動步進電機的目的11。2.5.1 換相順序的控制步進電動機的通電換相順序嚴格按照步進電動機的工作方式進行。通常我們把通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：混合式步進電機的工作方式，起各相通電順序為 A-B-C-D，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C,D 相地通斷，這就是所謂脈沖環(huán)形分配器12。2.5.2 步進電動機的轉向控制通過前面介紹的步進電動機原理

30、我們已經知道，如果按給定的工作方式正序通電換相，步進電動機就正轉；如果按反序通電換相，則電動機就反轉。2.5.3 步進電動機的速度控制如果給步進電動機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔時間越短，步進電動機就轉的越快。調整送給步進電機的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速13。2.5.4 步進電動機的位置控制步進電動機的位置控制，指的是控制步進電動機帶動執(zhí)行機構從一個位置精確地運行到另一個位置。 對步進電動機位置控制的一般作法是：步進電動機每走一步，步數減 1，如果沒有失步存在，當執(zhí)行機構到達目標位置時，步數正好減到 0。因此，用步數等于 0 來判斷是否移動到目

31、標位，作為步進電動機停止運行的信號14。下面舉例來說明步進電動機加、減速控制程序的編制。Error! No text of specified style in document.9圖 2-3 是近似指數加速曲線。由圖可見，離散后速度并不是一直上升的，而是每升一級都要在該級上保持一段時間，因此實際加速軌跡呈階梯狀。如果速度是等間距分布，那么在該速度級上保持的時間不一樣長。為了簡化，我們用速度級數 N 與一個常數 C 的乘積去模擬，并且保持的時間用步數來代替。因此，速度每升一級，步進電動機都要在該速度級上走 NC 步（其中 N 為該速度級數）。為了簡化，減速也采用與加速時相同的方法，只不過其過程

32、是加速時的逆過程。圖 2-3 加速曲線離散化本程序的參數除了有速度級數 N 和級步數 NC 以外，還有以下參數 。（1）加速過程的總步數電動機在升速過程中每走一步，加速總步數就減 1，直到減為 0，加速過程結束，進入恒速過程。（2）恒速過程的總步數電動機在恒速過程中每走一步，恒速總步數就減 1，直到減為 0，恒速過程結束，進入減速過程。（3）減速過程的總步數電動機在減速過程中每走一步，減速的總步數就減 1，直到減為 0，減速過程結束，電動機停止運行15。2.6 步進電動機的特點步進電動機有如下特點：（1）步進電機的角位移與輸出脈沖數成正比，因此當它轉一轉后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。（2

33、）由步進電機和驅動電路組成的開環(huán)數控系統(tǒng)，既非常方便、廉價，又非?？煽?。同事，它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數控系統(tǒng)。（3）步進電機的動態(tài)響應快，易于起停、正反轉及變速。西安交通大學城市學院本科畢業(yè)生（論文）10（4）速度可在相當寬的范圍內平滑調節(jié)，低速情況下仍能保證獲得很大的轉矩，因此一般可以不用減速器而直接驅動負載。（5）步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接用交流電源或直接電源。（6）步進電機自身的噪聲和震動比較大，帶慣性負載的能力強16。Error! No text of specified style in document.113 主要芯片介紹3.1 89S5l

34、單片機簡介本次設計以 CPU 選用 89S5l 作為步進電機的控制芯片89S51 的結構簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫數達幾萬次以上使用方便等優(yōu)點，而且完全兼容 MCS5l 系列單片機的所有功能。AT89S51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable And erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，A

35、TMEL 的 AT89S51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案17。3.1.1 單片機的引腳功能（1）VCC（40）：電源+5V。（2）VSS（20）：接地，也就是 GND。（3）XTL1（19）和 XTL2（18）：振蕩電路。單片機是一種時序電路，必須有脈沖信號才能工作，在它的內部有一個時鐘產生電路，有兩種振蕩方式，一種是內部振蕩方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時，需在 XTL2 上加外部時鐘信號。（4）PSEN（29）：片外 ROM 選通信號，低電平有效。（5）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號輸出端/E

36、PROM 編程脈沖輸入端。（6）RST/VPD（9）：復位信號輸入端/備用電源輸入端。 （7）EA/VPP（31）：內/外部 ROM 選擇端（8）P0 口（39-32）：雙向 I/O 口。（9）P1 口（1-8）：準雙向通用 I/0 口。（10）P2 口（21-28）：準雙向 I/0 口18。3.1.2 單片機的主要特性與 MCS-51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000 寫/擦循環(huán)數據保留時間：全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz 三級程序存儲器鎖定、128*8 位內部西安交通大學城市學院本科畢業(yè)生（論文）12RAM、32 可編程 I/O 線、兩個 16 位定時器/計數器、5 個中斷源

37、、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內振蕩器和時鐘電路19。（1）振蕩器特性：XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2 應不接。輸入至其內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度20。（2）芯片擦除：整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此

38、外，AT89S51 設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU 停止工作。但 RAM 定時器，計數器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止21。3.2 L298 簡介3.2.1 L298 的原理L298N 是 ST 公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用15 腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達 46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達 3A，持續(xù)工作電流為 2A；內含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電

39、動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N 芯片驅動電機，該芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓；并可以直接用單片機的 I/O 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便24。3.2.2 L298 概述L298 是 SGS 公司的產品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt 封裝的 L298N，內部同樣包含 4 通道邏輯驅動電路?？梢苑奖愕尿寗觾蓚€直流電機，或一個

40、兩Error! No text of specified style in document.13相步進電機。L298N 芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達 50V，可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的 IO 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。L298N 可接受標準 TTL 邏輯電平信號 VSS，VSS 可接 457 V 電壓。4腳 VS 接電源電壓，VS 電壓范圍 VIH 為2546 V。輸出電流可達 25 A，可驅動電感性負載。1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298 可驅動 2 個電動機

41、，OUT1，OUT2 和OUT3，OUT4 之間可分別接電動機。圖 3-5 是 L298N 功能邏輯圖,圖 3-6 是L298N 的引腳圖25。圖 3-5 L298N 芯片邏輯功能圖圖 3-6 L298N 引腳圖西安交通大學城市學院本科畢業(yè)生（論文）143.3 光電開關 本系統(tǒng)中所用傳感器為FC-SPX302光電開關，該傳感器為開關型傳感器，四個接線腳分別為“+，L,OUT,-”其輸入電壓范圍廣為直流 5-24V,L 為控制指示端，當“L”與“+”相連時，傳感器未檢測到物體時 LED 燈發(fā)光，當“L”懸空時則相反，其特點為：1. 動作模式備有遮光時 ON/入光時 ON(可切換型)2. 應答頻率

42、為 1KHZ 的高速響應3. 入光顯示燈明顯,容易進行動作確認4. 電源電壓為 DC-24V 的廣范圍5. 備有遮光時入光顯示燈燈亮型其連接電路如圖 3-7 所示： 圖 3-7 “L”與“+”相連時連接電路圖“L”與“+”相連時，傳感器未檢測到物體時 LED 燈發(fā)光。 圖 3-8 “L”懸空傳感器檢測到物體時連接電路圖“L”懸空傳感器檢測到物體時 LED 燈發(fā)光。Error! No text of specified style in document.154 硬件設計啟動系統(tǒng)后，從單片機的 I/O 口輸出控制脈沖，經過 L298N 驅動電路對脈沖進行處理，輸出能直接控制步進電機的脈沖信號。在

43、負載能力范圍允許內，就能實現(xiàn)步進電機獨立起停、轉向、速度、位置變化的控制。4.1 總體設計方框圖由 4-1 圖中看以看出以單片機為控制核心。鍵盤做為外設，進行功能的選擇，啟動，轉速增加，轉速減少，停止等操作。1602 液晶屏顯示實際轉速和設定轉速。通過 L298N 來驅動步進電機。把步進電機的實際轉速通過單片機外部中斷反饋到單片機。調用 PID 程序，通過改變脈沖周期調節(jié)轉速?？傮w設計方框圖如圖 4-1 所示 圖 4-1 總體設計方框圖4.2 系統(tǒng)仿真圖 系統(tǒng)仿真圖如圖 4-2。仿真圖是根據實際電路所搭建。是以單片機為核心，L298 為驅動，1602 作為顯示，按鍵作為輸入所搭建的仿真模型。4

44、-2 圖所示模鍵盤鍵盤電機驅電機驅動模塊動模塊298N 芯芯片片P3.2單片機單片機AT89S51P1.4P1.5 P2P1.5 P1.7 P0P3.0P3.1P3.31602 液液晶顯示晶顯示器器步進電動步進電動機機速度檢速度檢測反饋測反饋西安交通大學城市學院本科畢業(yè)生（論文）16型處于運行狀態(tài)。啟動仿真模型，選擇按鍵 START，模型開始正常運轉，通過V+V-改變電機轉速，最后選擇按鍵 STOP 停止仿真。圖 4-2 系統(tǒng)仿真圖4.3 步進電動機的控制方式選擇 步進電機控制是一個比較精確的控制，步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點，在采用單片機的步進電機開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)

45、的 CP脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進電機的運行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實現(xiàn)步進電機的速度控制。一種是延時，一種是定時。延時方法是在每個周期完成后調用一個延時子程序，待延時結束后再次執(zhí)行脈沖輸出程序，這樣周而復始就可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖。延時子程序的延時時間與換向程序所用的時間和，就是 CP 脈沖的周期，該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實現(xiàn)，調用不同的子程序可以實現(xiàn)不同速度的運行，適合較簡單的控制過程。定時方法是利用單片機系統(tǒng)中的定時器定時功能產生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出 CP 脈沖的周期，有點是定時時間準確。本次設計采用第二種方式改變頻率，進而來控制速度的

46、方法來實現(xiàn)。Error! No text of specified style in document.174.4 步進電動機的驅動方式選擇步進電機的驅動一般有兩種方法，一種是通過 CPU 直接來驅動，這種方法一般不宜采用，因為 CPU 的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進電機的轉動；別一種是通過 CPU 來間接驅動，就是把從 CPU 輸出的信號進行放大，然后直接驅動或是再通過控制驅動器接來驅動步進電機，這種方法比較安全可靠。因此本次設計應采用 CPU 間接驅動步進電機。而步進電動機的控制驅動器一般有兩種：一種是使用多個功率放大器件驅動電機。通過使用不同的放大電路和不同參數的器件，可以達到

47、不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復雜。另一種是：使用電機驅動模塊芯片驅動電機。此次設計采用了、L298 芯片驅動電機。應用 L298 芯片可方便的驅動步進電機，并結合單片機進行控制，即可以實現(xiàn)用相對便宜的價格組成一個性能不錯的步進電機驅動電路。 該電路為固定斬波頻率的 PWM 恒流斬波驅動方式，適用四相雙極性步進電機，最高電壓 46V，每相電流可達 2A。采用此設計的步進電機驅動系統(tǒng)，需要的元件很少.從而使得裝配成本低, 可靠性高和占空

48、間少。并且通過軟件開發(fā), 可以簡化和減輕微型計算機的負擔，并且在驅動二相或四相混合式步進電機時運動平穩(wěn)，速度快，噪音低，控制精高,而且可選整步半步驅動。另外, L298 是獨立的芯片, 所以應用是十分靈活的?？蓮V泛應用于需要驅動電流小于 2A 的混合式兩相或四相步進電機的系統(tǒng)中。電整個系統(tǒng)方案簡潔、設計成本低廉、性能可靠、現(xiàn)場使用方便。4.5 鍵盤電路設計4.5.1 鍵盤原理圖一般鍵盤分為兩種接口情況，矩陣式鍵盤接口技術和獨立式接口技術。矩陣式接口方式結構相對比較復雜，占用資源較少，通常用在按鍵較多的時候使用。采用獨立式鍵盤接口技術，該接法結構相對簡單，但占用資源多,通常用在按鍵數量較少的場合

49、。本次設計按鍵較少，因此本次設計采用了獨立式鍵盤接口技術，其原理圖如下：西安交通大學城市學院本科畢業(yè)生（論文）18GNDSTARTV+V-STOP 圖 4-3 鍵盤原理圖4.5.2 鍵盤功能根據系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設置了啟動控制、加速控制、減速控制、停止控制、反轉控制按鈕，分別為 S1、S2、S3、S4，控制電路如圖所示，通過 S1 實現(xiàn)電機的啟動，當 S1 狀態(tài)變化時，內部程序檢測 P1.3 的狀態(tài)來跳動相應的啟動程序，實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動控制。步進電機的轉速控制主要通過控制通入電機的脈沖頻率，從而控制電機的轉速。 表 4-1 按鍵功能表S1啟動S2速度增加/定位加S3速度減少/定位減S4

50、停止4.6 顯示電路在此次步進電機的控制中，要求顯示電以加速、減速。如果采用 4 位段數碼管組成顯示電路，將單片機得到的數據通過數碼管顯示出來。該方案簡單易行，但所需的元件較多，且不容易進行操作，可讀性差，一旦設定后，很難再加入其他的功能，顯示格式受限制且耗電量大，不宜用電池給系統(tǒng)供電。為了方便知道電機的運行狀態(tài)和轉速的多少，設計了電機轉速和電機的工作狀態(tài)的顯示電路。在顯示電路中，主要是利用了單片機于液晶顯示器相結合，來顯示所需數據。采用液晶顯示器件，顯示比采用數碼管的電路結構要簡單，電路的連線比較少，且液晶顯示平穩(wěn)、省電、美觀，更容易實現(xiàn)題目要求的顯示狀態(tài)，對后續(xù)的功能兼容性高，只需將軟件作

51、修改即可，可操作性強，也易于讀數，采用LM016 兩行帶中文字庫顯示，能同時顯示實際轉速與設定轉速。如圖 4-4。Error! No text of specified style in document.19D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3+5GNDR110kXTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23

52、P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C55234567891RP1RESPACK-8+5RSRSRWENINTORWENIN2IN3IN4ENAENBIN1圖 4-4 電機運行狀態(tài)及轉速顯示電路4.7 測速電路測速電路很簡單，我們選用的傳感器為 FC-SPX30

53、2 關電開關，所以電路相對簡單，如下圖所示。-OUTL+5GNDFC-SPX302T1圖 4-5 測速模塊西安交通大學城市學院本科畢業(yè)生（論文）20Error! No text of specified style in document.215 軟件設計步進電機控制程序就是完成環(huán)形分配器的任務，從而控制步進電機轉動，以達到控制轉動角度和位移之目的。首先要進行旋轉方向的判斷，然后轉到相應的控制程序。正反向控制程序分別按要求的控制順序輸出相應的控制模型，再加上脈寬延時程序即可。5.1 PID 控制算法在計算機控制過程中，整個過程采用的是數值計算方法，當采樣周期足夠小時，這種數值近似計算相當誰確，

54、使離散的被控過程與連續(xù)過程相當接近。圖 5-1 為單片機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。PID 算法是將描述連續(xù)過程的微分方程轉化為差分方程，然后，根據差分方程編制計算程序來進行控制計算的。單片機控制系統(tǒng)脈沖發(fā)放電路生產過程轉速檢測電路圖 5-1 單片機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖5.1.1 位置式 PID 的控制算法如前所述 PID 調節(jié)的微分方程見公式（5-1）001()tepditdykeedtTyTd公式（5-1）將此微分方程寫成對應的差分方程形式。1001()nnnnpnkdkieeyk ee TTyTT公式（5-2） 公式（5-2）式中-第n次采樣周期內所獲得的偏差信號；-第n-1次采樣ne1ne西安交通大

55、學城市學院本科畢業(yè)生（論文）22周期內所獲得的偏差信號；T-采樣周期；-調節(jié)器第rt次控制變量的輸出；為ny了編寫計算機程序的方便，現(xiàn)將公式（5-2）寫成下列形式100()nnpnakbnnkyk ekekeey公式（5-3）公式（5-3）中，。因為采樣周期T，積分常數和微*paikTkT*pdbkTkTiT分常數選定后皆為常數，因此及必為常。當調整參數改善控制性能時，dTakbk也只須調整、和的大小即可。pkakbk5.1.2 增量式 PID 的控制算法在位置式PID控制算法中，每次的輸出與控制偏差e過去整個變化過程相關，這樣由于偏差的累加作用很容易產生較大的累積偏差，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)不良的超

56、調現(xiàn)象。由公式（5-4）可得：12222001()nnnnpnkdkieeyk ee TTyTT公式（5-4）用（5-4）式減去（5-6）式，可得增量式PID的算式：112()*(2)dnpnnnnnniTTykeeeeeeTT公式（5-5）其中，1nnnyyy為了編寫程序方便，將(5-5)式改寫成下列形式 12*nnnnyA eB eC e公式（5-6）式中：，(1)dpiTTAkTT(12)dpTBkT *dpTCkT從增量式PID的算式中可知，只要知道了現(xiàn)時以前的三次采樣周期內的偏Error! No text of specified style in document.23差信號，即可

57、計算出本次采樣周期內的控制變量y的增量。ne1ne2neny綜合以上分析，我們采用增量式PID算法。其控制算法的流程圖為圖 5-2 閉環(huán)控制流程圖5.2 主程序開始 START鍵按下V+鍵按下V-鍵按下實際轉速 =設定值初始化正常運行、顯示YNY加速減速調用PID程序存儲YYYNNN圖 5-3 總程序框圖西安交通大學城市學院本科畢業(yè)生（論文）24Error! No text of specified style in document.256 實驗結果及分析6.1 測量轉速與實際轉速比較 安裝 Proteus7.7 版仿真軟件 Keil4.1 版軟件，在 Proteus 中編輯仿真界面，在 K

58、eil 中編寫程序，在 Proteus 仿真界面中的 AT89C51 中導入 Keil 生成的 hes文件，在 Proteus 中點擊開始運行，通過按鍵啟動仿真，通過兩個按鍵調節(jié)轉速，測試不同轉速下實際值與測量值的差距，反復測試 N 次，得到比較理想的結果。經過多次的數據記錄顯示，測量轉速與實際轉速偏差不是很大，多次不同測量數據最大偏差滿足本設計的精度要求，表 6-1 和表 6-2 是不同時間的測量值和設定值的比較。表 6-1 5.12 測量值轉速次數123456789測量值/（r/s）800766760723688670630586540實際值/（r/s）800766760723688670

59、630587539表 6-2 5.18 測量值轉速次數123456789測量值/（r/s）800810840866760743721611600實際值/（r/s）8008108408667607437216105996.2 結論本設計通過分析步進電機結構、工作原理，查閱步進電機控制系統(tǒng)的相關科技文獻，遵循實用、簡單。可靠和低成本的原則，設計了一種既可用于精度要求不高，但控制需完備的生產場合的步進電機控制系統(tǒng)，達到了預期的目標。對于本次設計，采用單片機為控制核心，利用其強大的功能，把鍵盤電路和顯示電路有機的結合起來，組成一個操作方便、交互性強的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件采用結構化設計，具有易維護性，根據

60、用戶新的要求，對軟件系統(tǒng)進行少量的修改，使系統(tǒng)功能得到一定程度的提高。在完成本設計的過程中，我把注意力主要集中在程序編程和路調試上。合理地運用軟件設計模塊電路可以節(jié)省很多功夫，但完全照搬也不能達到預想的西安交通大學城市學院本科畢業(yè)生（論文）26效果，因為實際參數無法與設計精確匹配，因此做到精益求精，盡量達到指標要求。本次設計綜合運用了各類元器件，同時查閱了大量相關資料，包括查閱相關書籍和網上的資料，獲得了一些相關信息。在方案設計方面，討論篩選出最優(yōu)的設計方案，比如在設計顯示電路時我們放棄了用數碼管顯示,而直接運用了 LCD 液晶來顯示。 通過這次系統(tǒng)設計，我學會了步進電機的運轉一般是有脈沖和方