基于51系列单片机控制步进电机调速闭环系统设计 ㊣ 精品文档 值得下载

扫描函数加速，反向，算法频率理想转速新调整相应的，值的大小，否则控制系统将会产生无法消除的静差值。

比例微分调节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个积分调节器构成比例积分调节器，其调节规律可用下列式表示式中为积分常数，它的物理意义是当调节器积分调节作用与比例调节作用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，虽然过渡过程中不容易出现振荡现象，但消除偏差的时间却很长。

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。

比例积分微分调节加入积分调节后，虽可消除静差，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，由于偏差的变化率很大，而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。

其调节规律可用式表示。

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的输出相等时所需的调节时间称为微分常数控制算法单片机控制系统通过电路检测输出值，并计算偏差和控制变量，再经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。

图为单片机闭环控制系统框图。

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。

另外在控制中，由于算式选择的不同，最终所得到的控制效果是不同的。

下面进行控制算法的研究。

图单片机闭环控制系统框图位置式的控制算法如前所述调节的微分方程为行整体设计后基本达到了要求，实现步进电机速度闭环控制。

参考文献温希东，路勇计算机控制技术西安电子科技大学出版社，曹天汉单片机原理与接口技术电子工业出版社，曹承志电机拖动与控制机械工业出版社，附录显示及测速程序显示缓存键顺序吗，计数器，定时器，方式定时延时将此微分方程写成对应的差分方程形式式中第次采样周期内所获得的偏差信号第次采样周期内所获得的偏差信号采样周期调节器第次控制变量的输出为了编写计算机程序的方便，现将算式写成下列形式式中，因为采样周期，积分常数和微分常数选定后皆为常数，因此及必为常。

当调整参数改善控制性能时，也只须调整和的大小即可。

增量式的控制算法在位置式控制算法中，每次的输出与控制偏差过去整个变化过程相关，这样由于偏差的累加作用很容易产生较大的累积偏差，使控制系统出现不良的超调现象。

由算式可得用式减去式，可得增量式的算式其中，为了编写程序方便，将式改写成下列形式式中，，从增量式的算式中可知，只要知道了现时以前的三次采样周期内的偏差信号，，即可计算出本次采样周期内的控制变量的增量。

综合以上分析，我们采用增量式算法，本系统的软件控制算法主要采用了增量式控制算法。

其控制算法的流程图为步进电机控制流程图如下数据处理和分析的设定我们通过设定来控制步进电机的转速。

当时，我们通过试凑的方法了解到，当时，所给步进电机刚好启动，当时，步进电机速度达到最大。

步进电机的测速我们通过用软件设定个转速，然后与用光电开关采集回来的速度相比较，采用闭环的控制来达到步进电机稳定调速的目的。

我们在程序中设定转速为，通过与采集回来的数据相比较，当采集回来的数据小于时，我们通过改变的相应的参数，，来调节电机的转速，让步进电机的转速加起来，使之与相吻合。

同样，当采集回来的数据大于时，也改变的相应的参数来调节电机的转速，让步进电机的转速加起来，使之与相吻合。

结束语本次设计通过对系统控制算法的比较，综合考虑，选用了闭环的控制，对系统拍运行时步距角为度度俗称半步。

步进电机的动态指标步距角精度步进电机每转过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。

不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在之内，八拍运行时应在以内。

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。

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，能够直接起动的最大频率。

最大空载的运行频率电机在种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

运行矩频特性电机在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。

步进电机的驱动控制系统控制系统的组成方框图如下脉冲信号的产生脉冲信号由单片机的口产生，般的脉冲信号的占空比为左右，电机转速越高，占空比则越大。

本实验采用的占空比为。

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和二相八拍两种，具体分配如下二相四拍为，步距角为度二相八拍为，步距角为度。

本设计采用步距角为度。

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。

电压对力矩影响如下功率放大细分驱动器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，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。

驱动器由于单片机的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，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。

其具体接法如下电源接线高当驱动电压大于时，正极接此座，使用时最大不能大于，以防损坏模块。

低当驱动电压小于时，正极接此座。

地驱动电压高低的的负极接此座。

④，接电机相线圈的二根引线。

，接电机相线圈的二根引线。

控制号接线接控制器发给步进电机的走步脉冲信号线。

接控制器发给步进电机的走步方向信号线。

接和信号的负极，即逻辑电路电源的负极。

④本驱动器内部设计接收信号为电平，即电平，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。

光电开关本系统中所用传感器为关电开关，该传感器为开关型传感器，四个接线脚分别为，其输入电压范围广为直流，为控制指示端，当与相连时，传感器未检测到物体时灯发光，当悬空时则相反，其特点为动作模式备有遮光时入光时可切换型应答频率为的高速响应入光显示灯明显，容易进行动作确认电源电压为的广范围备有遮光时入光显示灯灯亮型其连接电路如下图所示与相连时，传感器未检测到物体时灯发光。

悬空传感器检测到物体时灯发光。

硬件设计电路图下图中为单片机的最小系统，其口分别连接到的引脚，与，，相连的按键开关分别控制步进电机的正反转，加速，减速，，，分别接的引脚。

下图中为电机驱动部分。

驱动电压为，用单片机的与电机驱动器的相连控制单片机的转向，与电机驱动器的相连，给驱动器输入脉冲。

，分别接入步进电机。

为检测转速的传感器外接驱动电压，输出接入单片机的脚。

软件设计控制算法比较控制原理调节器由比例调节器，积分调节器和微分调节器构成，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所示为控制系统框图。

图控制系统框图比例调节比例调节是数字控制中最简单的种调节方法。

其特点是调节器的输出与控制偏差成线性比例关系，控制规律为式中比例系数，偏差为零时调节器的输出值当输出值与设定的期望值间产生偏差时，比例调节器会自动调节控制变量如为控制阀门的开度的大小。

控制变量的大小会朝着减小偏差的方向变化比例系数的大小决定了比例调节器调节的快慢程度，大调节器调节的速度快，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，控制参数易于整定，但缺点是它只能在种负载情况下实现无静差值的调节，当负载变化时，除非重基于系列单片机控制步进电机调速闭环系统设计摘要步进电动机是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。

本文介绍了以系列单片机为控制核心所设计的步进电机型号控制系统，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算法闭环控制步进电机步进电机的工作原理步进电机是将电脉