《基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》13000字（論文）

基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u13275基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 120689摘要 18380第1章緒論 23901.1研究背景及意義 2242471.2研究的現(xiàn)狀 3135401.3主要研究?jī)?nèi)容 325552第2章電機(jī)介紹 547692.1步進(jìn)電機(jī)技術(shù) 591162.2步進(jìn)電機(jī)工作原理 5265812.3步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù) 718872.4本章小結(jié) 812047第3章光電編碼器介紹 910953.1光電編碼技術(shù) 9169573.2莫爾條紋及光電編碼器原理 9102873.3光電編碼器分類 11196583.4光電編碼器在反饋控制中的應(yīng)用 12311893.5本章小結(jié) 121939第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13121374.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 13219274.2硬件電路設(shè)計(jì) 1458494.3步進(jìn)電機(jī)控制模塊 18204664.4增量式光電編碼器模塊 1995494.5本章小結(jié) 2032569第5章控制算法的研究與設(shè)計(jì) 2140125.1步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)規(guī)律 21161565.2數(shù)字PID控制原理 2272035.3設(shè)計(jì)具體方案 24230275.4本章小結(jié) 247428總結(jié)與展望 2511456參考文獻(xiàn) 26摘要角度對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的參數(shù)，小到我們的生活發(fā)展、大到國(guó)防建設(shè)，都離不開角度測(cè)量這個(gè)問(wèn)題。角度及角度測(cè)量技術(shù)是我們?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)和其他過(guò)程中的重要組成部分，精密的角度測(cè)量技術(shù)在產(chǎn)品生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量控制中起著至關(guān)重要的作用。本篇文章介紹的是一種由STC90C51RD+單片機(jī)作為主控制器，它能夠通過(guò)調(diào)節(jié)增量式光電編碼器的光電軸，然后利用與步進(jìn)電機(jī)在同軸的光電編碼器來(lái)反饋監(jiān)測(cè)我們步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。最后將獲得的這一數(shù)據(jù)同開始所輸入的光電編碼器輸入的脈沖數(shù)據(jù)通過(guò)我們的51單片機(jī)對(duì)比進(jìn)行校準(zhǔn)。將前者通過(guò)51單片機(jī)進(jìn)行比較之后所產(chǎn)生的差值輸出給到步進(jìn)電機(jī)。然后通過(guò)這個(gè)差值來(lái)實(shí)現(xiàn)我們對(duì)步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確的控制，這樣就具有了反應(yīng)速度更快，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，控制準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。關(guān)鍵字：光電編碼器；角度；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)第1章緒論1.1研究背景及意義角度對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的參數(shù)，小到我們的生活發(fā)展、大到國(guó)防建設(shè)，都離不開角度測(cè)量這個(gè)問(wèn)題。而且它的精度會(huì)對(duì)其最后產(chǎn)品的質(zhì)量、使用壽命有著很大的影響，所以，高精度角度測(cè)量技術(shù)在測(cè)量的領(lǐng)域中有著非常重要的地位[1]。伴隨著我們的工業(yè)產(chǎn)品的需求量地不斷加大、人們對(duì)產(chǎn)品和商品的質(zhì)量要求也不斷地在提高，角度測(cè)量對(duì)高精度需求也越來(lái)越頻繁[2]。但一般地機(jī)械式測(cè)量量具和儀器所還不能解決這個(gè)需求。為了滿足人民生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)和國(guó)外的一些研究組織不斷地研發(fā)出很多測(cè)量角度的儀器。這些角度測(cè)量?jī)x器大多使用了當(dāng)今社會(huì)最先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，因此它不僅能提高測(cè)量角度精度，同時(shí)也擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域。比如對(duì)水平角和垂直角可以進(jìn)行更加準(zhǔn)確的測(cè)量；保證飛機(jī)、艦船航行、交通等方位角控制的準(zhǔn)確性；對(duì)于正在機(jī)床精密加工的零部件提供更高精度的角度控制；對(duì)選中的目標(biāo)進(jìn)行精確地角度定位使導(dǎo)彈能準(zhǔn)確命中目標(biāo)。因此角度測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用的生活和科技發(fā)展中十分廣泛。1.2研究的現(xiàn)狀在這么多的計(jì)量技術(shù)中，角度計(jì)量可以說(shuō)是這里面很重要的一個(gè)部分，角度及角度測(cè)量技術(shù)是我們?nèi)粘Ｉ睢⑸a(chǎn)和其他過(guò)程中的重要組成部分，精密的角度測(cè)量技術(shù)在產(chǎn)品生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量控制中起著至關(guān)重要的作用。角度測(cè)量技術(shù)總的來(lái)說(shuō)可以劃分為兩類，一個(gè)是靜態(tài)測(cè)量，一個(gè)是動(dòng)態(tài)測(cè)量[3]。靜態(tài)測(cè)量，是我們對(duì)加工或拆卸的器件或儀器在它們保持在靜態(tài)時(shí)的角度和位置時(shí)所進(jìn)行的測(cè)量。動(dòng)態(tài)角度測(cè)量，指我們的物體或系統(tǒng)正處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，對(duì)其角度展開測(cè)量。就目前來(lái)說(shuō)兩種技術(shù)都在不停地進(jìn)步與完善，靜態(tài)測(cè)角技術(shù)可以說(shuō)是達(dá)到了成熟階段。然而目前對(duì)于動(dòng)態(tài)角度測(cè)量的研究，進(jìn)一步提升其測(cè)量的精度是至關(guān)重要的一步，同時(shí)在高精度地前提下能較好地提升我們?cè)跍y(cè)量時(shí)的分辨率等問(wèn)題。它的精度與準(zhǔn)確率在我看來(lái)是直接掛鉤的。當(dāng)我們從測(cè)量范圍層面來(lái)看時(shí)，角度測(cè)量可以被我們劃分為小角度測(cè)量、任意角度測(cè)量這兩種方式。當(dāng)前已經(jīng)達(dá)到了成熟階段的是小角度測(cè)量技術(shù)，它能在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中為我們實(shí)現(xiàn)較高的精度與準(zhǔn)度[4]。不過(guò)就目前的情形而言，運(yùn)用于大角度測(cè)量的方法卻相對(duì)于小角度來(lái)說(shuō)較少，但是在實(shí)際運(yùn)用這個(gè)的時(shí)候，我們還是要去進(jìn)一步解決一些問(wèn)題?？茖W(xué)技術(shù)在現(xiàn)在看來(lái)發(fā)展得非常迅速，角度測(cè)量在許多領(lǐng)域都有一席之地，它的實(shí)際應(yīng)用也越來(lái)越深入人們的生活與社會(huì)生產(chǎn)，所以在不斷的試驗(yàn)和實(shí)踐中，測(cè)量的整體技術(shù)水平和準(zhǔn)確度都不斷地得到進(jìn)步。最近幾年，自動(dòng)化成了角度測(cè)量發(fā)展的一個(gè)大方向，角度測(cè)量可以在我們的生活中能夠應(yīng)用的范圍地方也在擴(kuò)大。其中光學(xué)測(cè)量法、電子測(cè)量法、圖像識(shí)別法和機(jī)械測(cè)量法等角度測(cè)量技術(shù)在國(guó)內(nèi)外測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用的比較普遍，使用率較高。而除了這些相對(duì)于較為單一的方法外，還有光電測(cè)量法和機(jī)電測(cè)量法這些復(fù)合方法，這些方法相對(duì)來(lái)說(shuō)更為先進(jìn)。隨著國(guó)內(nèi)乃至國(guó)外各種不同學(xué)科之間的碰撞與交流，使得自動(dòng)控制技術(shù)得到很快速的發(fā)展，人們對(duì)機(jī)電和光電技術(shù)越來(lái)越深入的研究，單片機(jī)在測(cè)量方位儀器的發(fā)展中開始發(fā)揮著它越來(lái)越重要的作用[6]。從這里我們就能夠看得出來(lái)，方位角度測(cè)量像是航海船舶測(cè)量，它得未來(lái)發(fā)展的空間還很大，我們還可以將許多技術(shù)手段應(yīng)用到這里面，使它得到更快的發(fā)展。將各學(xué)科的知識(shí)結(jié)合起來(lái)，能夠讓角度測(cè)量有更好的發(fā)展，從而使得產(chǎn)業(yè)發(fā)展更加智能化和高精度化。1.3主要研究?jī)?nèi)容本篇文章介紹的是一種由STC90C51RD+單片機(jī)作為主控制器，它能夠通過(guò)調(diào)節(jié)增量式光電編碼器的光電軸，然后利用和我們的步進(jìn)電機(jī)在同軸的光電編碼器，進(jìn)而反饋監(jiān)測(cè)我們的步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。最后將獲得的這一數(shù)據(jù)同開始所輸入的光電編碼器輸入的脈沖數(shù)據(jù)通過(guò)我們的51單片機(jī)對(duì)比進(jìn)行校準(zhǔn)。將前者通過(guò)51單片機(jī)進(jìn)行比較之后所產(chǎn)生的差值輸出給到步進(jìn)電機(jī)。然后通過(guò)這個(gè)差值來(lái)實(shí)現(xiàn)我們對(duì)步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確的控制，使得步進(jìn)電機(jī)可以在0~360度之間旋轉(zhuǎn)的任意的角度，這樣就具有了反應(yīng)速度更快，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，控制準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。

第2章電機(jī)介紹2.1步進(jìn)電機(jī)技術(shù)步進(jìn)電機(jī)我們把它歸在機(jī)械電子裝置里的一種，它的根本原理是把電子脈沖信號(hào)從方波的形式輸入到我們的步進(jìn)電機(jī)當(dāng)中，進(jìn)而步進(jìn)電機(jī)就可以以轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能的形式輸出。它可以是一個(gè)單相也可以是多相的同步電機(jī)。要想使單相電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，只需要存在連續(xù)的不間斷的單一的激勵(lì)。但是多相電機(jī)則需要連續(xù)的不斷的一組激勵(lì)，而這組激勵(lì)就只有一個(gè)有效的信號(hào)，按照一定的順序分別分配給A、B、C、D相，一般來(lái)說(shuō)會(huì)需要驅(qū)動(dòng)即我們說(shuō)的放大信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，不論是使用多相電機(jī)還是使用單相電機(jī)，它的電子數(shù)字脈沖在轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度的時(shí)侯，它的電機(jī)角同時(shí)會(huì)伴隨著進(jìn)行一定角度的位移，換句話說(shuō)，輸入的脈沖頻率和電機(jī)的角度位移兩者之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系?；诓竭M(jìn)電機(jī)的這些特征，而且單片機(jī)的輸出脈沖會(huì)以數(shù)字量的形式表現(xiàn)出來(lái)，因此，在我看來(lái)微機(jī)控制與步進(jìn)電機(jī)兩者具有比較高的契合性。我們可以將步進(jìn)電機(jī)劃分成三個(gè)類別不同類別：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）：它的定子中有很多種不同的多相繞組嵌入在當(dāng)中，同時(shí)，它的磁極和繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子里面也伴隨著有耦合的齒牙。其中價(jià)格相對(duì)低廉，構(gòu)成比較簡(jiǎn)潔，具有相對(duì)比較小的步距角是反應(yīng)式具有的優(yōu)點(diǎn)。然而它的缺點(diǎn)就是效率相對(duì)不高、而且穩(wěn)定性較差，并且定位還需要在通電的情況下進(jìn)行。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）：它和反應(yīng)式不同的地方在于轉(zhuǎn)子是永磁體，但是它們定子轉(zhuǎn)子的技術(shù)仍然是相同。不論是哪一種電機(jī)類型都有它的特點(diǎn)，行對(duì)而言這種電機(jī)就比較適合用來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試?；旌喜竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）：這一類的電機(jī)擁有之前兩種電機(jī)的都有的優(yōu)點(diǎn)，精度比較高，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的運(yùn)行，有著比較大的轉(zhuǎn)矩；但是這類電機(jī)也有它的缺陷，就是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且運(yùn)行起來(lái)需要消耗的成本比較高。2.2步進(jìn)電機(jī)工作原理雖然不同的電機(jī)結(jié)構(gòu)大都不相同，但是運(yùn)行方式事實(shí)上基本都是相同的。不論哪一種類型的電機(jī)，其電機(jī)的整體的結(jié)構(gòu)普遍都具有比較大的相似性，即：中間的是定子，電工鋼片疊壓制成了定子，所以在其表面會(huì)存在著磁極，而在磁極中間又會(huì)有勵(lì)磁繞組，在它周圍的一圈被我們稱作為轉(zhuǎn)子，它的表面有分布著細(xì)齒，當(dāng)工作時(shí)，磁極與細(xì)齒就會(huì)相互咬合。對(duì)于三相反應(yīng)式來(lái)說(shuō)，如果要選擇兩個(gè)齒牙用來(lái)串聯(lián)時(shí)，需要在它的定子的直徑方向上進(jìn)行選擇，同時(shí)要使它的齒牙屬于相向齒牙，于是我們便將這一串聯(lián)路叫做一組，所以，在三相反應(yīng)式的電機(jī)上定子會(huì)有6個(gè)繞組，有它所構(gòu)成的齒，會(huì)存在有的角度間隔，而每個(gè)齒中都含有5個(gè)一樣寬的小齒，這5個(gè)小齒們之間產(chǎn)生的夾角為。同時(shí)有40個(gè)小齒存在在轉(zhuǎn)子上，它們的夾角同樣為，所以這個(gè)數(shù)據(jù)和磁極小齒是一樣的。但是當(dāng)電路通電時(shí)，其中一相A的大齒里面的小齒會(huì)和它轉(zhuǎn)子中的小齒咬合，在這同時(shí)，第二路繞組B的磁極齒和它轉(zhuǎn)子中的小齒會(huì)有著1/3齒距角，到第三路繞組C，則會(huì)存在2/3的齒距角。上面的三組輪流與它們轉(zhuǎn)子里面的小齒發(fā)生咬合，從而使得齒錯(cuò)位，帶動(dòng)電機(jī)得以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性轉(zhuǎn)動(dòng)[7]。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，高電平給到A相，在它的磁極A處，和相鄰的轉(zhuǎn)子中的1齒與3齒正好處于對(duì)齊的狀態(tài)；當(dāng)我們的B相通電后，我們的A相就斷電，這時(shí)，磁極B與2齒和4齒正好對(duì)齊，這個(gè)時(shí)候，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了；緊接著，C相就會(huì)開始通電，同理此時(shí)，B相斷電，C相會(huì)和其1齒、3齒對(duì)齊，轉(zhuǎn)子發(fā)生的旋轉(zhuǎn)。我們的繞組通電的路徑存在兩種方式，A-B-C-A…以及A-C-B-A…，在它們進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)侯，都會(huì)發(fā)生的轉(zhuǎn)角。所以這種模式下我們稱之為單三拍。那么如果在A相通電之后，A相會(huì)與轉(zhuǎn)子1齒、3齒發(fā)生對(duì)齊，接著，A與B兩相都讓它處于通電狀態(tài)，這樣，BB′磁場(chǎng)還是會(huì)吸引2齒與4齒，在這樣的環(huán)境下，轉(zhuǎn)子就會(huì)被這個(gè)拉力影響，開始順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。AA′的磁場(chǎng)也還是會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子1齒、3齒產(chǎn)生一個(gè)拉力，于是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩力平衡的位置上。AA′通電，轉(zhuǎn)子將會(huì)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，B相通電后，2齒和4齒又會(huì)與B相對(duì)齊，所以又會(huì)發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)[8]。依此類推，我們繞組的通電路徑以A-AB-B-BC-C-CA-A…或者A-AC-C-CB-B-BA-A…的順序通電，而且每次旋轉(zhuǎn)的角度都為，這就是三相六拍模式。如果以AB-BC-CA-AB…或者AC-CB-BA-AC…的順序通電，就被稱為雙三拍工作模式，當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)的轉(zhuǎn)動(dòng)。上面所說(shuō)的三種不同的工作模式，三相雙拍和三相六拍在實(shí)際運(yùn)用中會(huì)更普遍，因?yàn)閮煞N模式應(yīng)用時(shí)相對(duì)更加穩(wěn)定。所以從整體上來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)最重要的一個(gè)特征就是：在外界給了一組脈沖激勵(lì)時(shí)，電機(jī)便會(huì)開始隨之轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)收到的激勵(lì)信號(hào)頻率越大時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的速度就會(huì)越大，同理外界的激勵(lì)信號(hào)的頻率變得越小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)度就會(huì)變得越小，所以轉(zhuǎn)速與頻率是呈線性變化的。其激勵(lì)信號(hào)的相位安排又會(huì)影響換相順序的變化，而電機(jī)的轉(zhuǎn)向又是受到三相通電的順序的控制。圖2-1單三拍方式圖2-2三相六拍方式2.3步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)(1)步距角及其精度步距角指的是每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在接收到關(guān)于外界的激勵(lì)時(shí)，它的電機(jī)中的轉(zhuǎn)子所旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度。我本次選用的電機(jī)是86BYG250A型的電機(jī)，這款電機(jī)的半步工作角度為，而其整步工作角度就是，這些都被統(tǒng)稱為步進(jìn)電機(jī)的固有步距。而步距角的計(jì)算方式則是：（2-1）在這個(gè)公式中，M代表的是其定子的實(shí)際相數(shù)Z代表的是其轉(zhuǎn)子具備的齒數(shù)K通電時(shí)的具體系數(shù)，單相輪流通電、雙相輪流通電，方式為1；單、雙相輪流通電，方式為2。(2)空載啟動(dòng)頻率我們的步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)需要一個(gè)最小的啟動(dòng)頻率，當(dāng)我們受到的外界激勵(lì)信號(hào)的頻率小于我們所需要的這個(gè)最小啟動(dòng)頻率時(shí)，步進(jìn)電機(jī)將不能轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)最小啟動(dòng)頻率被我們稱為空載啟動(dòng)頻率。當(dāng)我們的電機(jī)處于負(fù)載的情形之下時(shí)，電機(jī)的啟動(dòng)頻率就相對(duì)會(huì)比較低，在啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從低的轉(zhuǎn)動(dòng)速度到設(shè)定的高轉(zhuǎn)動(dòng)速度的過(guò)程，也就是從低頻率向高頻率轉(zhuǎn)化的一個(gè)過(guò)程。(3)步進(jìn)電機(jī)相數(shù)我們的電機(jī)里面所存在的轉(zhuǎn)子線圈數(shù)就是步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)了，即線圈的數(shù)量就是相數(shù)。我們所說(shuō)的單相電機(jī)其實(shí)就是直流電機(jī)，那么兩相及以上的電機(jī)一般指的是步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)我們用的不同相數(shù)的電機(jī)，那么所產(chǎn)生的步距角也都是不一樣的。兩相步進(jìn)電機(jī)步距角，三相步進(jìn)電機(jī)步距角，五相步進(jìn)電機(jī)步距角則。(4)保持轉(zhuǎn)矩保持轉(zhuǎn)矩指的是當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在接通電源的時(shí)候，但這時(shí)轉(zhuǎn)子并未開始轉(zhuǎn)動(dòng)，在這樣的情況下，定子會(huì)把其轉(zhuǎn)子的力矩給鎖定，這一過(guò)程就是屬于保持力矩。那么通常這種情形之下，如果步進(jìn)電機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)速并不高時(shí)，電機(jī)的力矩和它的保持力矩大致是相等的狀態(tài)。這時(shí)在外界激勵(lì)驅(qū)動(dòng)的條件下，電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)速的增大而減小，這時(shí)電機(jī)輸出的機(jī)械能也會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的加快而增大。在電機(jī)的軸上加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在這樣的情況下，轉(zhuǎn)子在它的載荷方向上會(huì)產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)角，這就是我們的失調(diào)角。(5)電機(jī)的共振點(diǎn)每個(gè)電機(jī)都會(huì)有它自身的共振點(diǎn)，所以我們所使用的電機(jī)也有其共振點(diǎn)。共振點(diǎn)對(duì)每個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生影響。每種步進(jìn)電機(jī)的共振點(diǎn)都是不同的，但一般都會(huì)保持在180-250pps之間。當(dāng)電機(jī)在共振點(diǎn)附近運(yùn)行時(shí)，我們的步進(jìn)電機(jī)才能更平穩(wěn)正常的運(yùn)行。我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)供電電壓來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)能在共振點(diǎn)附近。2.4本章小結(jié)在本章，我們?cè)敿?xì)介紹了有關(guān)步進(jìn)電機(jī)技術(shù)及一些原理，讓我們更好的明白了步進(jìn)電機(jī)是屬于機(jī)械電子裝置中的一種。它的根本原理就是將給定的電子脈沖信號(hào)，以方波的形式傳送到我們的步進(jìn)電機(jī)中，之后步進(jìn)電機(jī)則以轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能形式來(lái)輸出。這些電機(jī)的運(yùn)行方式其實(shí)都是基本相同的。不管它是何種類型，中間是它的定子，在其周邊的一圈為它的轉(zhuǎn)子。

第3章光電編碼器介紹3.1光電編碼技術(shù)光電編碼技術(shù)是目前在角度測(cè)量中我們應(yīng)用的相對(duì)比較多的一種技術(shù)。這種技術(shù)結(jié)合了光學(xué)和電學(xué)的特點(diǎn)，在目前的測(cè)角技術(shù)中精度比較高。這項(xiàng)技術(shù)用了一個(gè)標(biāo)有刻線的圓盤光柵來(lái)感受和分割光的元件。每當(dāng)入射光線照射到圓盤上的時(shí)候，圓盤會(huì)連續(xù)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)切割光，然后會(huì)輸出光脈沖。這樣就能把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成了我們可以計(jì)量的電脈沖量，從而實(shí)現(xiàn)了光和電的轉(zhuǎn)換。圖3-1光電編碼器3.2莫爾條紋及光電編碼器原理光電編碼器在這里應(yīng)用到的一個(gè)最主要的技術(shù)原理就是我們的莫爾條紋原理。下面就是我們的兩種常見的莫爾條紋形狀，接下來(lái)我們將會(huì)根據(jù)下面的這兩幅圖來(lái)具體敘述一下什么是莫爾條紋原理。在黑白光柵的圖形中，黑色光柵的長(zhǎng)度和白色光柵的長(zhǎng)度分別記為a、b。圓光柵所在示意圖中條紋間的距離v叫做莫爾條紋間距。圖3-2黑白光柵示意圖圖3-3圓光柵示意圖假設(shè)這時(shí)我們忽略光柵的衍射性，如果兩個(gè)光柵之間接觸且跌合，而且其柵距同時(shí)又能處在均勻分布的狀態(tài)，那么從理論的層面而言，這兩塊光柵就會(huì)形成一個(gè)三角波借助于光能量。但是在我們的實(shí)踐和操作中，我們?cè)诳紤]到這光衍射的作用時(shí)，光柵無(wú)論是它的間隙還是線寬都有著不同的差異。所以會(huì)導(dǎo)致從它里面透過(guò)的光能量會(huì)發(fā)生改變，分布起來(lái)近似于正弦波的狀態(tài)。在我們的輸入量不斷地變化的過(guò)程里面，莫爾條紋里的光能量的分布也存在著很多差異。其中的特點(diǎn)如下：（1）條紋與光柵之間的關(guān)系是：通過(guò)我們研究以及對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行的學(xué)習(xí)，我們從中知道了莫爾條紋的條紋與光柵兩者之間的位置移動(dòng)有著一定的有規(guī)律的關(guān)系。一些與莫爾條紋相關(guān)的關(guān)系式：（3-1）（2）測(cè)量精度高：從數(shù)學(xué)規(guī)律上來(lái)看莫爾條紋，光電編碼器由光柵盤與指示光柵盤共同構(gòu)成，而且同時(shí)，存在著一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置在光柵盤一側(cè)，同時(shí)各個(gè)不同角度的詳細(xì)信息都會(huì)被記錄在光柵盤上面，光柵盤上面的狹縫從根本上看起來(lái)就是一對(duì)計(jì)量光柵，其中用來(lái)計(jì)量用的的莫爾條紋信號(hào)，那就是它的原始光信號(hào)了，然后會(huì)在轉(zhuǎn)換裝置的幫助下進(jìn)行一系列信號(hào)的處理，最后輸出一個(gè)電信號(hào)。在實(shí)際實(shí)踐的過(guò)程中，我們輸出了一同正弦波的信號(hào)極其相似的周期信號(hào)[9]。如下圖所示：圖3-4光電編碼器應(yīng)用結(jié)構(gòu)3.3光電編碼器分類根據(jù)許多功能的不同，光電編碼器也被分為很多種類型，像是光電開關(guān)。按在我們第一章中提到的一些內(nèi)容，要想制作光電編碼器，我們將用到電容、電阻還一些光電器件等。那么在本課題中我們用到的是比較熟悉的光電編碼器，常用的類型有兩種。分別是絕對(duì)式編碼器還有增量式編碼器。(1)增量式光電編碼器我們?cè)诖舜蔚谜n題中采用得是我們既熟悉應(yīng)用較普遍且最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的增量式光電編碼器。增量式光電編碼器存在有兩根線，分別是引線A線和B線。這種光電式編碼器會(huì)有比較簡(jiǎn)單的的判相方法，那就是根據(jù)相位關(guān)系來(lái)區(qū)分。這樣的編碼器的特點(diǎn)是我們可以任選一個(gè)位置作為起點(diǎn)，相對(duì)于絕對(duì)式來(lái)說(shuō)可以消除累積誤差。但是它同時(shí)也存在缺點(diǎn)，不會(huì)存下有固定的起點(diǎn)，所以它所輸出的絕對(duì)位置是不斷變化，這使得在應(yīng)用時(shí)數(shù)據(jù)很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤[10]。(2)絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式光電編碼器中的每一個(gè)刻度都會(huì)有其唯一的二進(jìn)制碼和它一一對(duì)應(yīng)。每當(dāng)它進(jìn)行了一次光電轉(zhuǎn)換后，就會(huì)向外輸出一個(gè)唯一的二進(jìn)制碼。不同于增量式，它能夠固定計(jì)數(shù)的起點(diǎn)，從它所固定的那個(gè)點(diǎn)起，會(huì)不停地順著正或反方向上進(jìn)行位移或旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)停電的地方保留記憶。我們的絕對(duì)式編碼所擁有的實(shí)際圓光柵角為。絕對(duì)式光電編碼器可以對(duì)實(shí)際的位置進(jìn)行讀取并且保證其準(zhǔn)確性，這樣就能更好的減少我們的誤差，即使無(wú)意間的斷電，也不會(huì)輕易導(dǎo)致丟失信息。但是由于它需要較高的成本，更適合用在一些要求比較高的場(chǎng)合[11]。(3)混合式絕對(duì)編碼器混合式絕對(duì)編碼器就是建立前面的那兩種的基礎(chǔ)上的。所以這種編碼器就具有前面兩者的許多特點(diǎn)。這種類型的編碼器有更高的精度包含了前兩種的優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)磁極實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)，而且混合式絕對(duì)編碼器中具有前面兩類都沒有的矩陣譯碼，因此，它的結(jié)構(gòu)變得比較復(fù)雜，電源及讀數(shù)頭會(huì)比前者多，對(duì)于安裝和調(diào)試增大了難度。3.4光電編碼器在反饋控制中的應(yīng)用輸出脈沖數(shù)對(duì)我們光電編碼器的實(shí)際的精度以及其分辨率會(huì)產(chǎn)生比較重要的影響。所以，它經(jīng)常會(huì)在在一些精度比較高的速度控制里面被用到。在本次課題的反饋系統(tǒng)里面，為了讓編碼器的轉(zhuǎn)速能與步進(jìn)電機(jī)相同，我們將步進(jìn)電機(jī)同選用的光電編碼器中的主軸進(jìn)行了連接。那么它的實(shí)際的工作原理是：當(dāng)編碼器隨著步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程之中，編碼器的輸出引腳A端口與B端產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字脈沖。與此同時(shí)，A和B兩個(gè)端口的實(shí)際脈沖會(huì)影響步進(jìn)電機(jī)實(shí)際的旋轉(zhuǎn)方向。如果A脈沖超前達(dá)到了，我們就可以得到結(jié)論它會(huì)屬于正向旋轉(zhuǎn)，反之則就是逆向旋轉(zhuǎn)了；A端口的數(shù)字脈沖數(shù)會(huì)影響我們電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，所以，我們通過(guò)這點(diǎn)來(lái)測(cè)定實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向[12]。同時(shí)當(dāng)步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)是，我們無(wú)法確保得到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，這時(shí)我們就可以選用分辨較高的光電編碼器，來(lái)保證測(cè)量所需的的精度。在我們對(duì)電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還能對(duì)輸出的脈沖作多倍頻細(xì)分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其信號(hào)地計(jì)數(shù)。3.5本章小結(jié)作為目前人們應(yīng)用的比較多的一項(xiàng)技術(shù)，光電編碼技術(shù)很好的結(jié)合了光學(xué)和電學(xué)的特點(diǎn)，它通過(guò)圓盤連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)不斷地切割照在圓盤上的入射光，向外輸出光脈沖。將我們所不能計(jì)量的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成我們可以進(jìn)行計(jì)量的電脈沖量，繼而實(shí)現(xiàn)了光和電的一個(gè)很好的轉(zhuǎn)換。

第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)我的本次論文是關(guān)于一個(gè)角度隨動(dòng)系統(tǒng)，其中把步進(jìn)電機(jī)拿來(lái)發(fā)揮執(zhí)行器件的功能來(lái)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的研究，我選擇了兩個(gè)增量式光電編碼器，用合適的聯(lián)軸器把它們和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行連接，這樣這兩個(gè)編碼器就能充當(dāng)我們的角度輸入和反饋信號(hào)。在反饋回路中的這個(gè)編碼器會(huì)把我們步進(jìn)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的角度做一個(gè)反饋，和另一編碼器的輸出進(jìn)行比較，它們之間就會(huì)有一個(gè)偏差值，我們就可以通過(guò)這個(gè)偏差信號(hào)不斷校正電機(jī)，一直調(diào)整到誤差消失。那么我們這個(gè)系統(tǒng)的整體框架大致如下圖所示：51單片機(jī)芯片51單片機(jī)芯片步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M、M增量式光電編碼器增量式光電編碼器圖4-1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖根據(jù)系統(tǒng)的一個(gè)整體的設(shè)計(jì)思路，我們可以把這次的課題分為幾個(gè)部分進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。具體的劃分情況如下：1）51單片機(jī)與增量式光電編碼器之間的的通信模塊。2）步進(jìn)電機(jī)所涉及到的的部分。3）數(shù)字PID所相關(guān)的東西與程序編寫相關(guān)的東西的學(xué)習(xí)。4）角度通過(guò)數(shù)碼管顯示的部分。這次的設(shè)計(jì)主題包括:設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)能夠控制光電進(jìn)碼的反饋系統(tǒng)、選擇硬件、創(chuàng)建并解碼系統(tǒng)、并且在實(shí)驗(yàn)室完成數(shù)據(jù)輸入、監(jiān)測(cè)與校準(zhǔn)錯(cuò)誤?；趯?duì)數(shù)字PID控制的學(xué)習(xí)和了解，再加上電機(jī)啟動(dòng)規(guī)律、裝備系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)性質(zhì)，則步進(jìn)器所產(chǎn)生的結(jié)果可以迅速、精確和不斷地滿足設(shè)計(jì)要求。4.2硬件電路設(shè)計(jì)這次的課題設(shè)計(jì)的角度測(cè)量系統(tǒng)的相關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)，整體的構(gòu)成是有四個(gè)部分：電源模塊、控制芯片STC90C51RD+存儲(chǔ)模塊、增量式光電編碼器模塊以及步進(jìn)電機(jī)控制模塊。4.2.1主控芯片STC90C51RD+及配套電路此次課題用的控制芯片是宏晶科技高速且低耗能的STC90C51RD+芯片。與之前所生產(chǎn)的8051型號(hào)的芯片相比，有很多優(yōu)勢(shì)。這款芯片能提供12和6兩種機(jī)器周期。當(dāng)復(fù)位引腳可以進(jìn)行接地，如果時(shí)鐘頻率低于12MHz。存在以下一些特點(diǎn)：工作電壓5.5V-3.8V/3.8V-2.4V工作頻率范圍0-40MHz用戶應(yīng)用程序空間4K/6K/7K/8K/10K/12K/13K/16K/32K/40K/48K/56K/61K/字節(jié)片上集成1280字節(jié)/512/256字節(jié)RAM可以使用的輸入/輸出端口分別有35/39個(gè)P1~P3三個(gè)為8位準(zhǔn)雙向口，即內(nèi)部具有上拉電阻。然而，P0為三態(tài)雙向8位輸入/輸出端口，也可用于外部擴(kuò)展具有EEPROM功能內(nèi)部具有看門狗功能此單片機(jī)包含了MAX10電路當(dāng)周期頻率低于12MHz時(shí)，可以直接接地進(jìn)行復(fù)位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器單片機(jī)內(nèi)部配備16位中斷類型這種單片機(jī)內(nèi)部的中斷類型不止一種。工作溫度范圍0-75℃/-40-+85℃這芯片擁有高功率及低電壓的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，由于它的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)被分離開，因此也有效地避免了訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)遇到的“遠(yuǎn)程操作”難題。它的軟件指導(dǎo)系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單龐大的代碼也是很清晰相對(duì)較有效的。4.2.2時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)當(dāng)帶電路中有了時(shí)鐘模塊能帶來(lái)很大的幫助，這樣就能通過(guò)對(duì)功耗的控制在各種不同功耗之下實(shí)用。STC90C51RD+芯片就能滿足我們的要求，提供我們用得到的時(shí)鐘信號(hào)，存在時(shí)鐘控制邏輯，滿足我們系統(tǒng)的需要。圖4-2內(nèi)部時(shí)鐘電路的接法XTAL1和XTAL2是反向放大器，和反饋元件里面的的晶體構(gòu)成一個(gè)自激震蕩器。如圖4-2中，電容c1和c2能夠決定石英晶體的振蕩頻率。而單片機(jī)的響應(yīng)速度繼而受到晶振頻率的影響即，頻率越高，我們單片機(jī)響應(yīng)的速度就會(huì)越快。1.2~12MHz，這個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)該是晶振的一半頻率范圍。所以我們要選擇合適的電容和晶振，讓我們的單片機(jī)能夠更好的運(yùn)行。在我們此次系統(tǒng)里面最終用了晶振頻率為12MHz的晶振。在對(duì)單片機(jī)的外部引腳進(jìn)行一些必要相關(guān)的設(shè)置之后，選擇了我們目前所運(yùn)用的這個(gè)設(shè)備。4.2.3復(fù)位電路復(fù)位線路的最主要功能就是要去確保微處理器以及其他得一些部件能夠在初始的狀態(tài)下進(jìn)行穩(wěn)定工作。在這個(gè)系統(tǒng)里面不同的模塊都會(huì)有它自己的復(fù)位電路。因此，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，必須確保重啟電路能同時(shí)實(shí)現(xiàn)同步重啟，以以防止在幾個(gè)回路的重新啟動(dòng)功能沒充分執(zhí)行時(shí)，不可能實(shí)施處理器提供的任務(wù)的全部重啟[14]。通常，我們的復(fù)位電路會(huì)允許我們使用自動(dòng)復(fù)位電路。復(fù)位短期的自動(dòng)復(fù)位電路具有簡(jiǎn)潔和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。相反，具有高度重啟穩(wěn)定性且長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)的手動(dòng)重啟電路更適合本實(shí)驗(yàn)的要求。4.2.4單片機(jī)I/O口的使用在這次的課題里面我們用到了P1和P3端口，有的端口會(huì)雙向功能，所以我們先對(duì)I/O口進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的了解。我們用了4個(gè)8位雙向輸入/輸出端口的51單片機(jī)。P1上面有一個(gè)上拉電阻，可以用來(lái)輸入輸出。P3端口具有與P1端口能發(fā)揮類似作用，但P3端口中的一些特殊引腳存在雙功能。圖4-3I/O端口-P3雙功能口在這次的課題中，我們用到了下面這些端口：P1.0-P1.3與四相步進(jìn)電機(jī)相連接，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)P3.2與作為指揮信號(hào)的光電編碼器的A相相連P3.6與作為指揮信號(hào)的光電編碼器的B相相連P3.3與測(cè)量編碼器的A相相連P3.7與測(cè)量編碼器的B相相連P3.2作為雙功能口及外部中斷0P3.3作為雙功能口及外部中斷14.2.5定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的控制在本次研究中我們只用到了定時(shí)功能，當(dāng)定時(shí)的實(shí)踐到時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溢出中斷，接著會(huì)產(chǎn)生控制信號(hào)執(zhí)行中斷服務(wù)。當(dāng)然，在使用之前，我們要對(duì)51單片機(jī)中的定時(shí)器進(jìn)行控制方式寄存器和工作方式寄存器控制的設(shè)置。圖4-4定時(shí)器的控制TF1和TF0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0和1的溢出標(biāo)志位，當(dāng)記滿溢出時(shí)，標(biāo)志位被置1TR1和TR0計(jì)數(shù)運(yùn)行控制位，計(jì)數(shù)運(yùn)行控制位當(dāng)TR1=1時(shí)，定時(shí)器1啟動(dòng)。當(dāng)TR1=0時(shí)，定時(shí)器停止 圖4-5定時(shí)器的工作方式寄存器GATE：為門控位，C/位可以選擇定時(shí)器或計(jì)數(shù)器，C/=0時(shí)就能設(shè)置為定時(shí)方式，C/=1則就是計(jì)數(shù)器M1、M0位就可以設(shè)置需要的工作模式，我們的工作模式的選擇可以從下表參考：M1M0工作模式—工作模式選擇位（編程決定）0013位定時(shí)/計(jì)數(shù)器模式00116位定時(shí)/計(jì)數(shù)器模式1108位定時(shí)/計(jì)數(shù)器模式211T08位定時(shí)/計(jì)數(shù)模式311T1停止工作模式3圖4-6定時(shí)器工作模式表我們?cè)诖舜窝芯恐惺褂玫氖嵌〞r(shí)功能，工作模式則選擇了8位自動(dòng)重裝初值，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生溢出中斷時(shí)，定時(shí)器累積到一定數(shù)值就會(huì)進(jìn)入中斷服務(wù)，產(chǎn)生控制信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)控制電機(jī)的運(yùn)行。4.3步進(jìn)電機(jī)控制模塊步進(jìn)電機(jī)作為我們這次課程的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，我們需要重點(diǎn)考慮步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)影響因素分別是驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)本身。我們所用到的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為28BYJ-48，它的一些具體的參數(shù)在下面的表格里面：步進(jìn)電機(jī)型號(hào)28BYJ48邏輯控制電壓5V步進(jìn)電機(jī)模式四相八拍步進(jìn)電機(jī)的直徑28mm減速步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)部帶有減速機(jī)構(gòu)，減速比1/64相電阻為（誤差10%）300步進(jìn)電機(jī)步距角度5.625/64啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)頻率≧300、≧550圖4-7步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式圖4-8步進(jìn)電機(jī)硬件圖4.4增量式光電編碼器模塊光電編碼器在我們的研究中扮演了兩個(gè)角色：（1）用來(lái)控制輸入信號(hào)，從而控制電機(jī)的最終旋轉(zhuǎn)角度。（2）和步進(jìn)電機(jī)的同軸進(jìn)行連接一起接在系統(tǒng)的反饋回路里面，把電機(jī)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度重新輸入給單片機(jī)。并連接光電編碼器。在我們之前的文章分析中可以知道，，光電編碼器的輸出端口A、B會(huì)形成數(shù)字脈沖。當(dāng)A端口超前B端口90°脈沖時(shí)，說(shuō)明此時(shí)的電機(jī)在正傳，如果發(fā)現(xiàn)落后90°脈沖，那么就是逆向旋轉(zhuǎn)了。所以，由此我們就可以在對(duì)B端口進(jìn)行檢測(cè)，如果B端口屬于高低電平被我們檢測(cè)出來(lái)，就能知道此時(shí)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。記錄A、B端口的脈沖計(jì)數(shù)，這樣我們就能從中知道旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，就可以驗(yàn)證電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度是否正確。這樣一來(lái)，我們就能更好的減小誤差，提高準(zhǔn)確率了。STC90C51RD+與光電編碼器之間得接口電路，光電編碼器的A、B端口要分別接到單片機(jī)的P3.2和P3.6端口我們把它們用作輸入電信號(hào)，從所給的圖4.3我們能夠知道P3.2端口的第二功能為INT0，可以用來(lái)響應(yīng)外部中斷；而放置在反饋回路的增量式光電編碼器的A相會(huì)與單片機(jī)的P3.3端口連接，B相則將和端口P3.7連接，而且P3.3端口的第二功能為INT1，同樣也可以響應(yīng)外部中斷。我們選用了1000脈沖/每轉(zhuǎn)的增量式光電編碼器，它的主要的技術(shù)參數(shù)如下所述：最高轉(zhuǎn)速為：4000rpm啟動(dòng)力矩為：<N*M最大徑向負(fù)載：20N最大軸向負(fù)載：10N圖4-9增量式光電編碼器的硬件圖4.5本章小結(jié)這一章節(jié)主要是介紹步進(jìn)電機(jī)與增量式光電編碼器之間的使用規(guī)則與原理。兩個(gè)編碼器分別輸入信號(hào)和輸出反饋信號(hào)，在與步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行連接之后，就可以控制電機(jī)的運(yùn)行，從而就能得到想要的結(jié)果。而步進(jìn)電機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行器，在編碼器的輔助下就能更好的運(yùn)作。

第5章控制算法的研究與設(shè)計(jì)我們這次的研究，是想要讓步進(jìn)電機(jī)能夠更加盡量地提高準(zhǔn)確性、快速性機(jī)穩(wěn)定性。因?yàn)殡姍C(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)受到很多其他因素地影響，比如像速度、慣性已經(jīng)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)負(fù)載等。如果步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生比較大的偏差時(shí)，我們就得用相關(guān)的軟件技術(shù)對(duì)它進(jìn)行調(diào)整才行。同時(shí)，通過(guò)軟件控制地同時(shí)，我們就能對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行一些設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程地一個(gè)動(dòng)態(tài)控制。5.1步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)規(guī)律步進(jìn)電機(jī)在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行的時(shí)候會(huì)容易受到許多因素的干擾，導(dǎo)致所產(chǎn)生的誤差會(huì)變大。那么，在我看來(lái)最大的影響就是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并且負(fù)載的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生地慣性會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生較大地影響。這兩個(gè)影響因素之間存在有這樣的一種關(guān)系：當(dāng)其中地一個(gè)量能夠保持不變時(shí)，如果另一個(gè)變得越大，那么電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)只需要更小的頻率就行[16]。我們可以看下面的一些公式進(jìn)行簡(jiǎn)單的理解：(5-1)在這個(gè)公式里面，：實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：實(shí)際的電磁力矩：實(shí)際的阻力矩當(dāng)我們的電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)電磁力矩和阻力矩就會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡的狀態(tài)。所以結(jié)合公式，我們就能知道，電機(jī)啟動(dòng)地過(guò)程中，會(huì)使得頻率不斷加快，如果電機(jī)減速，頻率就會(huì)減小。在這一過(guò)程，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)兩種情況的曲線：（1）等加速度升降速曲線等加速度也就是加速度是保持不變的。如圖5-1中，電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)歷三個(gè)主要的環(huán)節(jié)，先進(jìn)行加速，然后保持勻速運(yùn)動(dòng)，最后再進(jìn)行減速。這樣的一個(gè)過(guò)程會(huì)對(duì)電機(jī)造成一定程度的損害，因?yàn)樵谶\(yùn)行過(guò)程中沒有一個(gè)緩沖的過(guò)程，會(huì)使得電機(jī)的壽命降低，所以我們盡量要少用這一方法。圖5-1等加速度升降曲線與這條曲線所對(duì)應(yīng)的公式代表如下：（5-2）其中、為定值，不能為零。（2）S型加速度升降速曲線通過(guò)圖5-1和5-2的對(duì)比我們就可以很明顯地發(fā)現(xiàn)，圖5-2的這一條曲線更加的平緩。所以，和上一種曲線不同，在這種模式下，電機(jī)在三種不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下能夠進(jìn)行一個(gè)平穩(wěn)的切換，對(duì)電機(jī)造成的沖擊會(huì)較小，這樣就能比較好的延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，彌補(bǔ)了上一種曲線的缺點(diǎn)。圖5-2S型加速度升降曲線與這條曲線所對(duì)應(yīng)的公式代表如下：（5-3）其中、、為定值，且、不能為零。5.2數(shù)字PID控制原理這種控制算法在平時(shí)的學(xué)習(xí)中我們就有接觸過(guò)比較多而且有很多特點(diǎn)。分別是比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)。利用這種算法可以很好的提高準(zhǔn)確度，因?yàn)檫@種算法可以通過(guò)微小的偏差產(chǎn)生效果。而且，使用這種算法會(huì)比較簡(jiǎn)便，從他的構(gòu)成環(huán)節(jié)來(lái)看就能知道它的結(jié)構(gòu)很清晰，所以我們只要設(shè)置好合理的參數(shù)，電機(jī)便可以在它的作用下平穩(wěn)高效地運(yùn)行下去。圖5-3數(shù)字PID控制原理圖所以，我們要想使電機(jī)能夠更好地運(yùn)行，我們就得將重點(diǎn)放在這三個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置上面。PID控制算法的具體表達(dá)式如下：（5.4）其中，：計(jì)算過(guò)程中的比例系數(shù)：積分時(shí)間常數(shù)：微分時(shí)間常數(shù)在這個(gè)公式中，積分：消除系統(tǒng)靜差，同時(shí)就能夠更好的減小了系統(tǒng)的誤差。積分作用的大小與積分常數(shù)直接相關(guān)，越大，積分作用越弱。那么比例環(huán)節(jié)的作用就是是放大或者縮小系統(tǒng)所產(chǎn)生的偏差，這樣就能比較迅速地把偏差信號(hào)線性地放大或者縮小[13]。最后，微分：加快步進(jìn)電機(jī)的反應(yīng)速度。圖5-4步進(jìn)電機(jī)PID控制算法流程圖通過(guò)一開始對(duì)數(shù)字PID的相關(guān)介紹，我們就能知道要想得到理想的結(jié)果，就必須設(shè)置好各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)，所以在一開始我們對(duì)各個(gè)參數(shù)的大概取值范圍沒不太了解的情況下，我們可以先用適當(dāng)?shù)膮?shù)進(jìn)行調(diào)試，盡量避免選用的參數(shù)造成太大的振蕩。而且每個(gè)參數(shù)的調(diào)整不可能一次就成功，我們要有耐心，不斷調(diào)試，找到效果最滿意的那組。5.3設(shè)計(jì)具體方案這次的課題，我決定用步進(jìn)電機(jī)控制的角度測(cè)量裝置。光電編碼器與步進(jìn)電機(jī)同軸，檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，然后再通過(guò)另一光電編碼器輸入到單片機(jī)中進(jìn)行校準(zhǔn)。51單片機(jī)會(huì)在較之后產(chǎn)生一個(gè)差值，輸出給步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)就通過(guò)我們的單片機(jī)輸入的差值來(lái)進(jìn)行一個(gè)調(diào)整。5.4本章小結(jié)我們這章用到的控制算法為數(shù)字PID控制算法。在我們通過(guò)對(duì)比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)還有微分環(huán)節(jié)等進(jìn)行一定的處理，將由于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性，外加負(fù)載的一些情況以及步進(jìn)電機(jī)本身的啟動(dòng)較慢等一些情況帶來(lái)的誤差給盡量減小。

總結(jié)與展望在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，光電編碼器被用作整個(gè)系統(tǒng)中的指揮信號(hào)使用。我們采用了兩個(gè)增量式光電編碼器，一個(gè)作為系統(tǒng)的參考輸入，作為指揮信號(hào)；另一個(gè)放置在反饋回路當(dāng)中，輸出步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際的旋轉(zhuǎn)角度，這兩個(gè)編碼器根據(jù)所處的不同位置分別承擔(dān)了不同的功能和作用。在程序的設(shè)計(jì)中，我們將具有指揮功能的編碼器稱叫做主動(dòng)編碼器，而在反饋回路發(fā)揮作用的光電編碼器在我們的程序中稱為被動(dòng)編碼器。根據(jù)上文中提到的主動(dòng)編碼器的作用，我們將主動(dòng)編碼器的程序分成了兩個(gè)部分進(jìn)行編寫：（1）編寫程序，讓單片機(jī)能夠通過(guò)采集主動(dòng)編碼器的輸入脈沖數(shù)進(jìn)而判斷編碼器的目前的旋轉(zhuǎn)方向（正向或者反向）；（2）編寫程序，讓主動(dòng)編碼器與被動(dòng)編碼器的脈沖數(shù)能夠在51單片機(jī)的內(nèi)部作差，產(chǎn)生需要的偏差信號(hào)。以上這些是我們?cè)诰幊讨械闹饕蝿?wù)，那么要如何解決這些問(wèn)題是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在我們的編程的過(guò)程當(dāng)中，我們把主動(dòng)編碼器的A相和外部中斷INT0進(jìn)行連接，把B相與I/O接口互相連接，并且將觸發(fā)方式設(shè)置成下降沿觸發(fā)。當(dāng)我們的B相呈現(xiàn)的是高電平時(shí)，主動(dòng)編碼器正轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)值加一；當(dāng)B相變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，編碼器反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)值減一。這樣就能在此程序中實(shí)現(xiàn)主動(dòng)編碼器作為一個(gè)指揮輸入信號(hào)與