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1、基于 51 系列单片机控制步进电机调速闭环系统设计0摘要：步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。由于其精确性以及其良好的性能在实际当中得到了广泛的应用。本文介绍了以 51 系列单片机 AT89S52 为控制核心所设计的步进电机（型号 42BYG016）控制系统，从系统的硬件电路以及软件的设计方面实现了对步进电机的控制。并且由传感器 EE-EX672 采集转速数据进而进行关于速度的闭环控制，经过实际应用电路证明，该仿真控制系统的随动性能好，抗干扰能力强，稳定性好。关键词：单片机、步进电机、光电开关、PID 算法、闭环控制基于 51 系列单片机控制
2、步进电机调速闭环系统设计1一、步进电机1.1 步进电机的工作原理步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行机构。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。1.2 步进电机的特点本实验所用的步进电机为感应子式步进电机（型号为 42BYG016） 。感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，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
3、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、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。 （必须采用双极电压驱动） ，而反应式电机则不能如此。例如：四相八拍运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为 C= ,D= . 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线
4、（四相） ，这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。 （本实验采用两相四拍）1.3 步进电机的静态指标相数：产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。=360 度（转子齿数 J*运行拍数） ，以常规二、四相，转子齿为 50 齿电机为例。四拍运行时步距角为 =360 度/（
5、50*4）=1.8 度（俗称整步） ，八拍运行时步距角为 =360度/（50*8）=0.9 度（俗称半步） 。1.4 步进电机的动态指标1）步距角精度： 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。 2）失步： 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 3）失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 4）最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直基于 51
6、系列单片机控制步进电机调速闭环系统设计2接起动的最大频率。 5）最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6）运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。1.5 步进电机的驱动控制系统控制系统的组成方框图如下：1）脉冲信号的产生脉冲信号由单片机 AT89S52 的 I/O 口产生，一般的脉冲信号的占空比为0.3-0.4 左右，电机转速越高，占空比则越大。本实验采用的占空比为 0.5。2）信号分配感应子式不仅以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍
7、和二相八拍两种， 具体分配如下：二相四拍为 ,步距角为 1.8 度；二相八拍为 ,步距角为 0.9 度。本设计采用步距角为 1.8 度。3）功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流） 。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影
8、响如下：4）功率放大细分驱动器 基于 51 系列单片机控制步进电机调速闭环系统设计3在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。二、驱动器由于单片机的 I/O 不具有直接驱动步进电机的能力，故在本系统中需要步进电机驱动器，我们选择驱动器为 KD-221，该驱动器具有输入电压范围广，控制信号输入方式多样等特点。其具体接法如下：2.1、电源接线：、E 高：当驱动电压大于 10V 时，正极接此座，使用时最大不能大于40V，以防损坏模块。 、E 低：当驱动电压小于 10V 时，正极接
9、此座。、地：驱动电压 E 高、E 低的的负极接此座。、A ,:接电机 A 相线圈的二根引线。、B, :接电机 B 相线圈的二根引线。2.2、控制信号接线：、CP:接控制器发给步进电机的走步脉冲信号线。、CW:接控制器发给步进电机的走步方向信号线。、VP:接 CP 和 CW 信号的负极，即逻辑电路电源的负极。、本驱动器内部设计接收信号为 RTTL 电平，即 5V 电平，如其它逻辑电平信号需要接限流电阻，否则可能损坏光耦元件。三、光电开关本系统中所用传感器为 EE-EX672 关电开关，该传感器为开关型传感器，四个接线脚分别为“+，L,OUT,-”其输入电压范围广为直流 5-24V,L 为控制指示
10、端，当“L”与“+”相连时，传感器未检测到物体时 LED 灯发光，当“L”悬空时则相反，其特点为:1. 动作模式备有遮光时 ON/入光时 ON(可切换型)2. 应答频率为 1KHZ 的高速响应3. 入光显示灯明显,容易进行动作确认.4. 电源电压为 DC-24V 的广范围5. 备有遮光时入光显示灯灯亮型基于 51 系列单片机控制步进电机调速闭环系统设计4其连接电路如下图所示：“L”与“+”相连时，传感器未检测到物体时 LED 灯发光。“L”悬空传感器检测到物体时 LED 灯发光。四、硬件设计电路图 下图中为单片机的最小系统,其 P0.0-P0.7 口分别连接到 LCD1602 的 D0-D7引
11、脚,与 P2.5,P2.6，P2.7 相连的按键开关分别控制步进电机的正反转,加速,减速,P2.0,P2.1,P2.2 分别接 LCD1602 的 RS,RW,E 引脚。基于 51 系列单片机控制步进电机调速闭环系统设计5下图中为电机驱动部分。驱动电压为+12V,用单片机的 P1.0 与电机驱动器的 CW 相连控制单片机的转向,P1.1 与电机驱动器的 CP 相连,给驱动器输入脉冲。a,b,c,d 分别接入步进电机。SX-672 为检测转速的传感器外接+5V 驱动电压,输出接入单片机的 T1 脚。五、软件设计5.1 控制算法比较：PID 控制原理 PID 调节器由比例调节器(P)，积分调节器(
12、I)和微分调节器(D) 构成，它通过对偏差值的比例积分和微分运算后，用计算所得的控制量来控制被控对象图 1 所示为 PID 控制系统框图。基于 51 系列单片机控制步进电机调速闭环系统设计6图1 PID控制系统框图5.1.1 比例调节（P）比例调节是数字控制中最简单的一种调节方法。其特点是调节器的输出与控制偏差e成线性比例关系，控制规律为：(1)0*pyke式中： -比例系数， -偏差e为零时调节器的输出值 pk0当输出值S与设定的期望值R间产生偏差时，比例调节器会自动调节控制变量y(如为控制阀门的开度)的大小。控制变量y的大小会朝着减小偏差e的方向变化比例系数 的大小决定了比例调节器调节的快
13、慢程度, 大调节器调节的pk pk速度快，但 过大会使控制系统出现超调或振荡现象。 小调节器调节的速度慢，但 过小又起不到调节作用。另外，虽然比例调节器控制规律简单，控制pk参数易于整定，但缺点是它只能在一种负载情况下实现无静差值的调节，当负载变化时，除非重新调整相应的)，值的大小，否则控制系统将会产生无法消除的静差值。5.1.2 比例微分调节（PI）比例调节器的主要缺点是存在无法消除的静差值，影响了调节精度为了消除静差值，在比例调节器的基础上并人一个积分调节器构成比例积分调节器，其调节规律可用下列(2)式表示（2）001()tpiykedyT式中： 为积分常数，它的物理意义是当调节器积分调节
14、作用与比例调节作用iT的输出相等时所需的调节时间称为积分常数。积分常数 的大小决定了积分作iT用强弱程度， 选择的越小，积分的调节作用越强，但系统振荡的衰减速度越i慢。当 过小时，甚至会造成系统的持续振荡，使调节器的输出波动不定，给iT生产过程带来严重的危害。相反地当 选择的越大，积分的调节作用越弱，虽iT基于 51 系列单片机控制步进电机调速闭环系统设计7然过渡过程中不容易出现振荡现象，但消除偏差e的时间却很长。积分调节对偏差有累积作用，所以，只要有偏差e存在积分的调节作用就会不断地增强，直至消除比例调节器无法消除的静差值。5.1.3 比例积分微分调节（PID）加入积分调节后，虽可消除静差，
15、使控制系统静态特性得以改善，但由于积分调节器输出值的大小是与偏差值e的持续时间成正比的，这样就会使系统消除静差的调节过程变慢，由此带来的是系统的动态性能变差尤其是当积分常数 很大时，情况更为严重。另外，当系统受到冲激式偏差冲击时，由于偏差iT的变化率很大，而PI调节器的调节速度又很慢，这样势必会造成系统的振荡，给生产过程带来很大的危害改善的方法是在比例积分调节的基础上再加人微分调节，构成比例积分微分调节器(PID)。其调节规律可用(3)式表示。（3）001()tepditykeTy式中： 为微分常数，它的物理意义是当调节器微分调节作用与比例调节作用dT的输出相等时所需的调节时间称为微分常数5.
16、2 PID控制算法单片机控制系统通过AD电路检测输出值s，并计算偏差e和控制变量y，再经DA转换后输出给执行机构，从而实现缩小或消除输出偏差的目的，使系统输出值s稳定在给定值区域内。在计算机控制过程中，整个计算过程采用的是数值计算方法，当采样周期足够小时，这种数值近似计算相当谁确，使离散的被控过程与连续过程相当接近。图2为单片机闭环控制系统框图 J。PID算法是将描述连续过程的微分方程转化为差分方程，然后，根据差分方程编制计算程序来进行控制计算的。另外在PID控制中，由于PID算式选择的不同，最终所得到的控制效果是不同的。下面进行PID控制算法的研究。图5 单片机闭环控制系统框图5.2.1 位置式PID的控制算法如前所述PID调节的微分方程为： 001()tepditykeTy基于 51 系列单片机控制步进电机调速闭环系统设计8将此微分方程写成对应的差分方程形式（4）1001()nnnpkdieyk
