步进电机指数规律升降速的单片机控制系统设计[毕业论文+CAD图纸]

机电毕业论文：步进电机指数规律升降速的单片机控制系统设计含论文，CAD图纸，开题报告，任务书

步进电机指数规律升降速的单片机控制系统设计[毕业论文+CAD图纸]

摘 要

从步进电机的矩-频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带动负载的能力越差。当启动频率较高时，启动时会造成失步，而停止时由于惯性作用又会发生过冲，所以在步进电机控制中必须要采取升降速控制措施。本文根据步进电机的动力学方程和矩-频特性曲线建立系统的数学模型，采用指数规律的升降速算法，以单片机为核心对步进电机进行并行控制。系统的软件设计由C51 语言编程来实现。并设计了检测系统用于对步进电机转速和步数的检测。最后，本系统可以实现以下功能：在显示器的提示下，由键盘输入运行的步数和稳定运行的速度；由各个功能键控制系统的运行，按启动键后，步进电机按照输入的步数进行走步；如在运行期间按停止键，则步进电机停止运行。研究表明，采用指数规律的升降速曲线将大大地提高微机控制步进电机的最高工作频率，大大缩短所需的升降速时间。

关键词：步进电机,单片机,速度控制,C51 语言

ABSTRACT

According to torque vs. speed characteristic of stepping motor, the higher startup speed is, the smaller startup torque is and then the worse the capability of driving load is. When the startup speed is higher, stepping motor will lose steps. While stopping, it will also lose steps because of inertia. So, it needs to take speed control measures on control of stepping motor. Mathematic model of the system is educed by dynamics equation and torque vs. speed characteristic of stepping motor. It adopts speed control arithmetic of exponential rule and deals with process of acceleration and deceleration via discrete method. Single-chip microcomputer that is the core of system controls stepping motor. The system is programmed by C51 language. The test system is designed to test the rotate speed and steps of stepping motor. Finally, according to the direction of LED display, running steps and speed are input by keyboard. The system’s run is controlled by functional keys. Stepping motor will run to the given steps if the “start” key is pressed. Meanwhile, stepping motor will stop if the “stop” key is pressed during its running. The research shows: the method of acceleration and deceleration via exponential rule will greatly improve the highest running frequency of stepping motor and shorten the acceleration and deceleration time.

Keywords: stepping motor; single-chip microcomputer; speed control; C51 language

目 录

中文摘要 I
英文摘要 II
第一章 绪 论 1
第二章 系统工作原理和总体方案拟定 3
2.1控制方案论证与比较 3
2.1.1步进电机控制系统的构成 3
2.1.2步进电机的串行和并行控制 3
2.2步进电机工作原理和动态特性分析 4
2.2.1反应式步进电机原理 4
2.2.2 步进电机的动态特性 6
2.3步进电机升降速控制讨论 7
2.3.1步进电机的失步 7
2.3.2步进电机升降速曲线的分析 8
第三章 控制系统的数学模型 9
3.1 步进电机升速的控制算法 9
3.2 步进电机升速过程的离散处理 11
3.3 步进电机降速过程的离散处理 12
3.4 步进电机升速过程运行参数的计算 12
第四章 控制系统的硬件设计 14
4.1 系统的硬件结构 14
4.2 系统的硬件设计 15
4.2.1 微处理器及存储器的配置 15
4.2.2 键盘与显示接口电路的设计 16
4.2.3 定时和报警电路的设计 20
4.2.4步进电机的脉冲分配 21
4.2.5 扩展存储器及扩展芯片地址的确定 24
4.3 硬件系统的合成及其原理图 25
第五章 控制系统的软件设计 26
5.1 软件结构设计 26
5.2 系统的程序流程 28
5.3 程序设计问题分析 38
5.3.1 程序的初始化及变量的定义 38
5.3.2 存储类型与存储模式的定义 39
5.3.3 编译预处理的定义 40
5.3.4 数组查表功能 40
5.3.5 中断服务函数的定义 41
5.3.6 有关定时器精确定时的实现 42
5.3.7 主函数及键盘与显示功能的实现 43
第六章 转速和步数检测系统设计 45
6.1 光电编码器的工作原理 45
6.2 检测系统的硬件设计 45
6.3 检测系统的软件设计 47
6.3.1 检测系统的流程图 48
6.3.1 检测系统程序 48
第七章 结 论 49
参考文献 50
致 谢 51
附录A：步进电机升速过程运行参数计算程序 52
附录B：步进电机控制系统程序 55
附录C：步进电机检测系统程序 63

符号说明

阻尼系数
通电状态系数
脉冲频率 Hz
匀速运行时的频率 Hz
负载转矩下的最高运行频率 Hz
负载转矩下的最高启动频率 Hz
空载下的最高启动频率 Hz
每档的频率 Hz
转动惯量
步进电机的相数
脉冲数
每档脉冲数
步进电机转速 r/min
转盘的窄缝数
转矩 N•m
负载转矩 N•m
电机输出转矩 N•m
最大转矩 N•m
时间 s
转子齿数
转子的位置角 °
步距角 °
时间常数 s
角速度

第一章 绪 论

步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的机械角位移的机电执行元件。它具有工作状态不易受影响；控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”； 没有积累误差等特点，因此被广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较好的位置精度，如各类数控机床、光学测量仪器、打印机、磁盘驱动器等。随着单片机控制技术的不断发展，基于单片机的步进电机控制系统广泛应用于各机械智能仪器和装备中，步进电机也成为主要的电气执行元件之一。

在数控点-位控制系统中，从起点至终点的运行速度都有一定要求。如果要求运行频率(速度)小于系统的极限起动频率，则系统可以按要求的频率(速度)直接起动，运行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。系统在这样的运行方式下其速度可认为是恒定的。但在一般情况下，系统的极限起动频率是比较低的，而要求的运行速度往往较高。从步进电机的矩-频特性可知，步进电机的转矩随着脉冲频率的上升而下降，启动频率越高，启动转矩越小，带动负载的能力越差，当启动频率较高并已超过极限起动频率会发生丢步或根本不能起动的情况，停止时又会发生过冲。所以，步进电机的升降速是精确控制步数和速度的关键问题，如果升降过程脉冲频率变化不合理，会造成升降时间延长，电机失步，力矩达不到要求等严重后果。

以前一般的升降速规律设计，常选用直线规律升降速，这种控制方法简单，但是由于它的脉冲变化有个恒定的加速度，所以它不能保证在升降速的过程中步进电机转子的角加速度的变化和它的输出力矩变化相适应，不能很好的发挥电机的加速性能。因此有必要对脉冲频率进行合理性的研究和论证，寻求一种较理想的指数升降速曲线，使步进电机在运行的过程中能够快速定位，并且运行步数准确。理想的升降速曲线是指数规律曲线，本文就是由步进电机的动力学方程和矩-频特性曲线推导出的指数规律的升降速