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。在数控点位控制系统中，从起点至终点的运行速度都有定要求。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控制算法，这样能够使得频率增高时，保证输出最大的力矩，能充分发挥步进电机的工作性能，使系统具有良好的动态特性。在完成升降速曲线的参数计算得出升降速控制算法后，将要完成以下工作以具体实现单片机对步进电机升降速的并行控制。本系统用单片机来实现步进电机升降速过程的控制，首先对升速过程进行离散处理，在程序运行前将升速过程的离散值固化在程序存储器中，降速过程则采用运行时实时计算定时器的装载值。程序运行时采用查表的方法将离散值装入定时器来控制步进电机的换相周期，使得步进电机按照指数规律进行走步。以单片机为核心并选用必要的外围设备构成单片机对步进电机的控制系统。在硬件设计中进行单片机和存储器的配置键盘与显示电路的设计定时和报警电路的设计步进电机驱动电路的设计和存储器地址映像工作，生成步进电机控制系统的硬件原理图。由于语言是种结构化语言，可产生紧凑代码。本系统软件用语言编写，将大大的加快软件的开发速度，明显的增加软件的可读性，便于改进和扩充，可以很容易地进行单片机的程序移植工作，有利于产品中的单片机的重新选型。根据系统实现的功能划分程序模块，按照各个模块绘制程序流程图，进行模块化程序设计，并对其中些关键技术进行具体的论述。为了检测步进电机运行的转速和步数，进行步进电机转速和步数的检测系统的设计。论述检测系统的工作原理，并进行检测系统的硬件和软件设计。第二章系统工作原理和总体方案拟定控制方案论证与比较步进电机控制系统的构成步进电机的工作过程般由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成定的控制过程，是功率放大电路按照要求的规律驱动步进电机运行。旧式的步进电机控制系统由脉冲发生器步进控制器功率放大器和步进电机组成，如图所示。步进控制器包括缓冲寄存器环形分配器控制逻辑，其作用主要是将输入脉冲变为环形脉冲，以便实现对电机的转动和正反转的控制。功率放大器的作用是将步进控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。这种控制方案由于是用各种逻辑电路来实现控制过程，线路复杂控制方案改变困难成本高。图步进电机控制系统的组成随着单片微型计算机迅速发展和普及，为设计功能很强而价格低廉的步进电机控制器提供了条件。采用计算机控制系统，只要控制输入电脉冲的数量频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角转速及转向。这不仅简化了线路，降低了成本，而且操作方便，提高了可靠性。图为单片机控制正转显示反转显示运行显示停止键显示如果是确认显示返回键值控制函数定时初值指针指针指向第档走步脉冲间隔的数组指针指向第档走步步数的数组开放定时器中断电机走步等待定时时间到，原地循环判断总步数到否电机走步等待定时时间到，原地循环转为降速，指向降速定时初值降速计算函数计算降速分档数响叫次数音长计时音频定时主函数开放外部中断调用键盘扫描程序，返回键值确定频率确定步数指针指向正转方向指针指向反转方向定时器分档最低速度低于规定值则重置调用蜂鸣器响叫函数调用降速计算函数调用控制函数附录步进电机检测系统程序码盘上的狭缝数，即码盘转圈时发的脉冲数采样大致时间,定时器中断服务函数停止计数计数器中断服务函数外部中断服务函数延时函数显示函数口为段码口口为位码口显示函数口为段码口口为位码口数字拆分函数如果万位为，则不显示这位如果千位为，则不显示这位如果千位为百位也为不显示这位千百十位都为不显示十位主函数设定计数器和定时器都工作在方式设定中断方式定时器装载值计数器和初始化外部中断和定时器优先定时器和开中断学院毕业设计论文说明书题目步进电机指数规律升降速的单片机控制系统设计学生系别机电工程系专业班级机械设计制造及自动化机电班学号指导老师学院毕业设计论文任务书设计论文题目步进电机指数规律升降速的单片机控制系统设计系机电工程系专业机电体化班级学号学生指导教师接受任务时间教研室主任签名系主任签名毕业设计论文的主要内容及基本要求用单片机对步进电机进行三相六拍的控制，通过软硬件设计，实现电机指数规律升降速。系统总体方案拟定数学模型建立，求控制算法硬件设计软件设计编写设计说明书，完成系统控制硬件图张指定查阅的主要参考文献及说明机电体化系统设计计算机控制系统分析与设计单片机应用设计电子电工技术语言程序设计机床电气控制进度安排设计论文各阶段名称起止日期查阅资料，进行总体方案拟定，完成开题报告建立系统数学模型，求控制算法进行硬件设计，软件设计编写设计说明书准备毕业答辩注本表在学生接受任务时下达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,语言目录中文摘要英文摘要第章绪论第二章系统工作原理和总体方案拟定控制方案论证与比较步进电机控制系统的构成步进电机的串行和并行控制步进电机工作原理和动态特性分析反应式步进电机原理步进电机的动态特性步进电机升降速控制讨论步进电机的失步步进电机升降速曲线的分析第三章控制系统的数学模型步进电机升速的控制算法步进电机升速过程的离散处理步进电机降速过程的离散处理步进电机升速过程运行参数的计算第四章控制系统的硬件设计系统的硬件结构系统的硬件设计微处理器及存储器的配置键盘与显示接口电路的设计定时和报警电路的设计步进电机的脉冲分配扩展存储器及扩展芯片地址的确定硬件系统的合成及其原理图第五章控制系统的软件设计软件结构设计系统的程序流程程序设计问题分析程序的初始化及变量的定义存储类型与存储模式的定义编译预处理的定义数组查表功能中断服务函数的定义有关定时器精确定时的实现主函数及键盘与显示功能的实现第六章转速和步数检测系统设计光电编码器的工作原理检测系统的硬件设计检测系统的软件设计检测系统的流程图检测系统程序第七章结论参考文献致谢附录步进电机升速过程运行参数计算程序附录步进电机控制系统程序附录步进电机检测系统程序符号说明阻尼系数通电状态系数脉冲频率匀速运行时的频率负载转矩下的最高运行频率负载转矩下的最高启动频率空载下的最高启动频率每档的频率转动惯量步进电机的相数脉冲数每档脉冲数步进电机转速转盘的窄缝数转矩负载转矩电机输出转矩最大转矩时间转子齿数转子的位置角步距角时间常数角速度第章绪论步进电机是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。在数控点位控制系统中，从起点至终点的运行速度都有定要求。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