基于51单片机实现的步进机控制系统.docx
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基于51单片机实现的步进机控制系统
基于51单片机实现的步进机控制系统
摘要
步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件,它广泛地用于工业机械的数字控制。
为使系统的可靠性,通用性,可维护性以及性价比最优,根据控制系统功能要求及步进电动机应用环境,确定了设计系统硬件和软件的功能划分,从而实现了基于8051单片机的四相步进电动机的开环控制系统。
控制系统通过单片机存储器、I/O口、中断、键盘、LED显示器的扩展,步进电动机的环形分配器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计。
实现了四相步进电动机的正反转、急停等功能。
为实现单片机控制步进电动机系统在数控机床上的特殊应用,系统设计了两个外部中断,以实现步进电动机在某段时间内的反复正反转功能,也即数控机床的刀架自动进给运动。
关键词:
8051单片机;四相步进电动机;控制
Realizesbasedonsinglechipmicrocomputer51thesteppingmotor
thecontrolsystem
ABSTRACT
Thesteppingmotorisaprecisionelectromechanicalincrementalactuator.Itwidelyusesthedigitalapproachforcontrolofindustrialmachines.Fordependable,ingeneralusethatmakesystem,cansupportsexansexpriceratiosuperior,dividethelineaccordingtocontrolsystemfuncionrequestandafunctionforenteringelectricmotorapplyingenvironment,makingsuredesigningsystemhardwarewithsoftwares,frombutrealizestobaseonsinglechipmicrocomputer8051offourmutuallythestepentersthedynamoelectricopeningthewreaththecontrolthesystem.Thecontrolsystempassesthesinglesavingmaching,I/Oinamachine,breakoff,thekeyboard,thedisplayofLEDexpands,awreahforenteringelecreicmotorformassignsthemachine,driveandthedesignofitsprotectionelectriccircuit,man-machineconnectionelectriccircuit,interruptsystemandresetcircuit,single-voltagedrivercircuitandsoon,realizesfourmutuallythestepenterstheelectricmotorpositiveandnegativetoturn,nastystoptowaitthefunction.Forrealizingsinglechipmicrocomputercontrolaspecialapplicationforenteringelectricmotorsysteminseveralthcontorlingmachinebed,thesystemdesignedtwoexteriorsbreaksoff,toingrealizeathestepenterselectricmotorisinacertaintimeofagainandagainpositiveandnegativeturnthefunction,alsocountnamelytheknifethatcontrolthemachinebedisautomatictoentertothesport.
KEYWORD:
singlechipmicrocomputer8051;four-phasesteppermotor;control
目录
1绪论1
2步进电动机原理及其控制技术3
2.1步进电动机的原理3
2.2步进电动机的特性4
2.2.1步进电动机的静态指标及术语4
2.2.2步进电机动态指标及术语5
2.2.3步进电动机的振荡、失步及解决方法6
2.3步进电动机的脉冲分配7
2.4步进电动机的速度及其加减速控制7
2.4.1步进电动机的速度控制7
2.4.2步进电动机的加、减速控制8
2.5步进电动机的驱动系统10
3系统总体设计简介11
3.1系统功能11
3.2系统组成及其器件选择11
3.2.1系统组成11
3.2.2器件选择12
3.3系统的可靠性/抗干扰设计12
3.3.1软件的可靠性设计13
3.3.2硬件抗干扰措施13
3.3.3软件抗干扰措施13
4硬件设计14
4.1单片机控制步进机系统原理图及说明14
4.1.1系统模块之一—四相混合式步进电动机环形分配器14
4.1.2系统模块之二—四相步进电动机驱动及保护电路15
4.1.3系统模块之三—人机接口电路17
4.1.4系统模块之四—中断系统及复位电路17
4.1.5系统模块之五—各档直流电源18
4.2单片机原理19
4.2.1MCS—51单片机19
4.2.2MCS—51单片机的内部结构19
4.2.3MCS—51单片机引脚功能20
4.2.4MCS—51单片机的存储器结构22
4.2.5时钟电路与时序26
4.2.6并行输入/输出端口结构27
4.3单片机的片外总线结构及其存储器扩展29
4.3.1单片机的片外总线结构29
4.3.2外部程序存储器扩展31
4.3.3外部数据存储器扩展32
4.3.4译码法33
4.4I/O接口原理及其扩展33
4.5系统外设接口37
4.5.1键盘接口原理37
4.5.2键盘的控制要求38
4.5.3LED显示器接口原理39
4.6.13—8译码器:
74LS13840
4.6.2地址锁存器:
74LS37341
5软件设计42
5.1软件设计流程图42
5.2设计相关程序44
结论52
致谢53
参考文献54
附录55
1绪论
早在十九世纪三十年代就出现了步进电动机,那时候的步进电动机实际上是一种可以自由回转的电磁铁,工作原理同今天的反应式步进电动机没有什么区别。
到上世纪初,由于战争的需要,造船工业发展迅猛。
在上世纪二十年代到三十年代间,一些杂志先后刊登了一些步进电动机在航海技术方面应用的文章,介绍了步进电动机的设计和计算方法。
直到上世纪三十年代初这些理论才被真正用于指导步进电动机的设计与生产。
但由于其性能不能满足速度不断提高的舰船的要求,使得这项技术徘徊了数十年之久,一度几乎被废弃。
后来,由于无触点式电子开关元器件的出现,解决了步进电动机励磁绕组快速换向的问题。
所以,在上世纪中期,步进电动机又重新崛起。
1952年,美国麻省理工学院首先研制成三坐标数控铣床。
数控机床的出现提高了生产效率,推动了机械制造业的发展,对于采用哪种类型的电机作为进给机构的驱动元件一直是争论的焦点,经过理论分析和现场试验,发现使用步进电动机作为进给机构的驱动元件是较理想的选择,这一应用使得步进电动机的使用范围更加广泛。
我国对步进电动机的研制及应用起步不算太晚,早在1958年,我国的一些科研院所就研制成功了反应式步进电动机,并开始应用到数控机床中。
进入上世纪六十年代中期,结构新颖的步进电动机相继问世,为了降低电机功耗以及提高效率,人们发明了永磁式和混合式步进电动机。
到上世纪七十年代,步进电动机的生产进入了全盛时期,其产量每年都已11%的指数递增。
到目前为止,步进电动机已被广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外围设备、绘图仪、电子手表等多方面。
步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。
传统电动机作为机电能量转换装置,在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。
可是在人类社会进入自动化时代的今天,传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。
为适应这些要求,发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统,其中较有自己特点,且应用十分广泛的一类便是步进电动机。
步进电动机的发展与计算机工业密切相关。
自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后,使其设备的性能提高,很快地促进了步进电动机的发展。
另一方面,微型计算机和数字控制技术的发展,又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域,如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。
任何一种产品成熟的过程,基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。
现在,步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。
爪极电机价格便宜,性能指标不高,混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机,由于混合式步进电动机具有控制功率小,运行平稳性较好而逐步处于主导地位。
由于步进电动机的转速随着输入脉冲频率变化而变化,调速范围很广,灵敏度高,输出转角能够控制,而且输出精度较高,又能实现同步控制,所以广泛地使用在开环系统中,也还可用在一般通用机床上,提高进给机构的自动化水平。
步进电动机是机电一体化产品中的关键组件之一,是一种性能良好的数字化执行元件。
它有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征。
它将电脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电动机就转动一个角度,因此非常适合于单片机控制。
单片机在一个集成芯片中,集成有微处理器(CPU)、存储器(RAM和ROM)、基本的I/O接口以及定时/计数部件,即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。
步进电动机的控制部分以单片机为主的微处理器控制。
其特点如下:
1.灵活性和适应性。
微处理器的控制方式是由软件完成的。
如果须要修改控制规律,一般不必改变系统的硬件电路、只须修改程序即可。
在系统调试和升级时,可以不断尝试选择最优参数,非常方便。
2.可以实现较复杂的控制,控制精度高。
微处理器有更强的逻辑功能、运算速度快、精度高、有大容量的存储单元,因此有能力实现复杂的控制,如优化控制等。
并且不论被控量的大或小,都可以保证足够的控制精度。
3.可提供人机界面。
在电动机的控制中,要用到键盘和显示器作为人机界面,实现步进电动机的控制。
由于单片机体积小,重量轻,抗干扰能力强,对环境要求不高,价格低廉,指令功能强,运行速度快,可靠性高及灵活性好,开发也较为容易,所以国内近些年来已将其广泛应用于工业测控、机电设备、仪器仪表、军事设置、家用电器等方面的自动化、智能化[1]。
由以上叙述可见,混合式步进电机是产生在反应式步进电动机之后,是为了降低电机的功耗,它是在永磁感应子式低速同步电动机的基础上发展起来的,它既具有磁阻式步进电动机基于气隙磁导变化的特征,又具有径向恒定磁场的永磁式步进电动机的特征。
到现在为止,混合式步进电机己经成为了办公自动化和工业自动化应用场合的主流之一,迅速发展形成规模生产,同时,它的性能指标不断提高,逐渐取代了变磁阻型以及永磁式步进电动机。
2步进电动机原理及其控制技术
2.1步进电动机的原理
步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,因此非常适合于单片机控制。
步进电机可分为反应式步进电机(简称VR)、永磁式步进电机(简称PM)和混合式步进电机(简称HB)。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是,它是通过输入脉冲信号来进行控制的,即电机的总转动角度由输入脉冲数决定,而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作,控制信号由单片机产生。
其基本原理作用如下:
1.控制换相顺序
通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如:
三相步进电机的三拍工作方式,其各相通电顺序为A—B—C—D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。
2.控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转,如果按反序通电换相,则电机就反转。
3.控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。
调整单片机发出的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速[2]。
步进电动机有如下特点:
1.步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。
因此当它转一转后,没有累计
误差,具有良好的跟随性。
2.由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统,既非常简单、廉价,又非常可靠
同时,它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
3.步进电动机的动态响应快,易于起停、正反转及变速。
4.速度可在相当宽的范围内平滑调节,低速下仍能保证获得很大的转矩,因此一般
可以不用减速器而直接驱动负载。
5.步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行,它不能直接用交流电源或直流电
源。
6.步进电动机自身的噪声和振动比较大,带惯性负载的能力差。
步进电动机可分为3大类:
(一)反应式步进电动机(vanablerellictance简称VR)
反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽,利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。
这种步进电动机步矩角可做到1°~15°,甚至更小,精度容易保证,起动和运行频率较高,但功耗较大,效率较低。
(二)永磁式步进电动机(permanentmagnet简称PM)
永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的,转子本身就是一个磁源,它的输出转矩大,动态性能好,转子的极数与定子的极数相同,所以步距角一般较大。
需供给正负脉冲信号。
永磁式步进电动机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度。
永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。
是永磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的结合,并兼有两者的优点。
(三)混合式步进电动机(hybrid简称HB)
混合式步进电动机综合了反应式和永磁式两者的优点,它的输出转矩大,动态性能好,步距角小,但结构复杂,成本较高。
它又分为两相和五相:
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
这种步进电动机的应用最为广泛。
2.2步进电动机的特性
2.2.1步进电动机的静态指标及术语
相数:
产生不同对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既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θ表示。
θ=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θ=360度/(50*4)=1.8度,八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度。
定位转矩:
电机在不通电的状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)。
静转矩:
电机在额定静态作用下,电机不做旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。
此力矩是衡量电机体积的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁匝数成正比,与定子与转子间的气隙有关,但过分采用减小气隙,增加励磁安匝来提高静转矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。
2.2.2步进电机动态指标及术语
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。
失步:
电机运转时的步数,不等于理论上的步数,称之为失步。
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。
最大空载起动频率:
电机在某种驱动形式下、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的最大频率。
最大空载的运行频率:
电机在某种驱动形式下,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率。
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。
曲线与负载的交流为负载的最大速度点。
要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,使采用小电感大电流的电机。
电机的共振点:
步进电机均有固定的共振区域,二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180—250pps之间(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角为0.9度),电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区。
电机正反转控制:
当电机绕组通电时序为AB—BC—CD—DA时为正转,通电时序为DA—CA—BC—AB时为反转[3]。
2.2.3步进电动机的振荡、失步及解决方法
步进电动机的振荡和失步是一种普遍存在的现象,它影响应用系统的正常运行,因此要尽力去避免。
下面对振荡和失步的原因进行分析、并给出解决办法。
1.振荡
步进电动机的振荡现象主要发生在:
步进电动机工作在低频区;步进电动机工作在共振区;步进电机突然停车时。
当步进电动机工作在低频区时,由于励磁脉冲间隔的时间较长,步进电动机表现为单步运行。
当励磁开始时,转子在电磁力的作用下加速运动。
在到达平衡点时,电磁驱动转矩为零,但转子的转速最大,由于惯性,转子冲过平衡点。
这时电磁力产生负转矩,转子在负转矩的作用下,转速逐渐为零,并开始反向转动。
当转子反转过平衡点后。
电磁力又产生正转矩使转子又正向转动。
如此下去。
形成转子围绕平衡点的振荡。
由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用,这个振荡表现为衰减振荡,最终稳定在平衡点。
当步进电动机工作在共振区时,步进电动机的脉冲频率接近步进电动机的振荡频率F0或振荡频率的分频或倍频,这会使振荡加剧严重时造成失步。
振荡失步的过程可描述如下:
在第1个脉冲到来后,转子经历了一次振荡。
当转子回摆到最大幅值时,恰好第2个脉冲到来。
转子受到的电磁转矩为负值,使转子继续回摆。
接着第3个脉冲到来,转子受正电磁转矩的作用回到平衡点。
这样,转子经过3个脉冲后仍然回到原来的位置,也就是就丢了3秒。
当步进电动机工作在高频区时、出于换相周期短,转子来不及反转。
同时,绕组中的电流尚未上升到稳定位,转子没有获得足够的能量,所以在这个工作区中不会产生振荡。
减小步距角可以减小振荡幅值,以达到削弱振荡的目的。
2.失步
步进电动机的失步原因有两种。
第一种是转子的转速低于旋转磁场的速度,或者说慢于换相速度。
例如,步进电动机在启动时,如果脉冲的频率较高,由于电动机来不及获得足够的能量,使其无法令转子跟上旋转磁场的速度,所以引起失步。
因此,步进电动机有一个启动频率,超过启动频率启动时,肯定会产生失步。
注意,启动频率不是一个固定值,提高电动机的转矩、减小负载转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率。
第二种是转子的平均速度大于旋转磁场的速度。
这主要发生在制动和突然换相时,转子获得过多的能量,产生严重的过冲,引起失步。
2.3步进电动机的脉冲分配
实现脉冲分配也就是通电换相控制的方法有两种:
软件法和硬件法。
所谓硬件法,实际上是使用脉冲分配器芯片,来进行通电换相控制。
本系统设计,便是采用脉冲分配器来实现脉冲分配的。
具体原理将在原理图说明中给出。
所谓软件法是完全用软件的方式,按照给定的通电换相顺序,通过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲。
如图2.1所示。
本设计系统,由于仿真系统硬件设备有限,仿真时使用软件实现脉冲分配。
图2.1单片机脉冲分配
2.4步进电动机的速度及其加减速控制
2.4.1步进电动机的速度控制
步进电动机的速度控制通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。
对于图2.1所示(单片机的并行控制)的软脉冲分配方式,可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速。
对于自己搭建(环形分配器)的脉冲分配方式,可以控制步进脉冲的频率来实现调速。
根据上面介绍的调速原理,控制步进电动机速度的方法可有两种。
第一种是通过软件延时的方法。
改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率;但这种方法使CPU长时间等待,占用大量机时。
第二种是通过定时器中断的方法。
在中断服务子程序中进行脉冲输出操作,调整定时器的定时常数就可以实现调速。
这种方法占用CPU时间较少,在各种单片机中都能实现,是一种比较常用的调速方法。
下面以环形分配器为例介绍这种调速方法的应用。
定时器法利用定时器进行工作。
为了产生一定的步进脉冲,要根据给定的脉冲频率和单片机的机器周期来计算定时常数,这个定时常数决定了定时时间。
当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断。
在中断子程序中对P1.0电平状态进行改变,这样就可以得到一个给定频率的方波输出。
改变定时常数,就可以改变方波的频率,从而实现调速[4]。
2.4.2步进电动机的加、减速控制
步进电动机驱动执行机构从A点到B点移动时,要经历升速、恒速和减速过程。
如果启动时一次将速度升到给定速度,由于启动频率超过极限启动频率输入,步进电动机要发生失步现象,因此会造成不能正常启动。
如果到终点时突然停下来,由于惯性作用,步进电动机会发生过冲现象,会造成位置稍微减低。
如果非常缓慢的升降速,步进电动机自然不会产生失步和过冲现象,但影响了执行机构的工作效率。
所以,对步进电动机的加减速要有严格的要求。
那就是保证在不失步和过冲的前提下,用最快的速度移动到指定位置。
图2.2步进电机加、减速曲线
为了满足加、减速要求,步进电动机运行通常按照加、减速曲线进行。
图2.2是加、减速运行,通常按照加、减速运行曲线没有一个固定的模式,根据经验和试验得到的。
最简单的是匀加速和匀减速曲线,如图2.2所示。
其加减速曲线都是直线,因此容易编程实现。
按直线加速时,加速度是不变的,因此要求转矩也应该是不变的。
但是,由于步进电动机的电磁转矩与转速是非线性关系。
因此实际上当转速增加时,转矩下降。
所以,按直线加速时,有可能造成因转矩不足而产生失步现象。
采用指数加减速曲线或S型加减速曲线是最好的选择,如图所示。
因为电动机的电磁转矩的关系接近指数规律[5]。
步进电动机的运行还可根据距离的长短分如下3种情况处理。
(1)短距离
由于距离较短,来不及升到最高速,因此,在这种情况下,步进电动机以接近启动频率运行,运行过程没有加、减速。
(2)中、短距离
在这样的距离里,步进电动机只有加、减速过程,而没有恒速过程。
(3)中、长距离
图2.3加、减速控制框图
在这样的距离里,步进电动机不仅有加、减速过程。
还有恒速过程。
由于距离较长、要尽量缩短用时,保证快速反应性。
因此,在加速时,尽量用接近启动频
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