8051單片機對步進電機的控制及步進電機升降速曲線的設計_h

1、(+% 單片機對步進電機的控制及步進電機升降速曲線的設計 % !文章編號：% # (!（& !）% # )* # !(+% 單片機對步進電機的控制及步進電機升降速曲線的設計 !#$%&#( ) *$+, -$% .$/ (+% -0%0#$%&+% 1#2 *,+234, 1#2 *,+2356#!7%8+ 5+9(#（清華大學 精密測試技術(shù)與儀器國家重點實驗室，北京 %(*） 高 亮 摘要：步進電機是一種易于精確控制的電機，由于其良 好的性能而受到廣泛的應用。其控制方法也多種多樣。介紹了(+% 系列單片機對步進電機的控制方法，并且提出和對比了幾種步進電機升降速曲線的設計方案。關(guān)鍵詞： 步進電

2、機；升速曲線；(+% 單片機 中圖分類號：,-$($ . )文獻標識碼：/ KLM 顯示。鍵盤用于輸入塑料袋長度，加工個數(shù)等參數(shù)， KLM 用于顯示當前的加工信息。由于某些加工參數(shù)非常重要，為了防止意外掉電時數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)中使用自帶電池的 NE-。每次加工參數(shù)改變后程序自動將當前的加工參數(shù)及其他工作信息存入 NE-。這樣掉電或關(guān)機后，系統(tǒng)當前的加工參數(shù)可以保留，在下次開機時自動 讀入，無需重新輸入。 !#$%&$( 0123 45156 78 9 :7;91 298? 15 5;165A . B178 C82 D7A262 962 49;? D9?8 15 5;165A12 8123 4515

3、6 . E 42157 5;165A 12 8123 45156 D71(+% 47655;165AA26 78 7;165C258 7; 8322GC3 9; 8322G5D; C6H2 287I; 962 543962 .)*+ ,-%.#( 8123 45156 J 8322GC3 C6H2 J (+% 47655;G 165AA26圖 % 控制系統(tǒng)硬件原理圖 步進電機驅(qū)動器的輸入信號共有 $ 路，它們是：步進脈沖信號 OP、方向電平信號 MBN、脫機信號 QNLL。單步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋 轉(zhuǎn)片機通過 P% 口引腳 P% .，P% . %，P% . ! 發(fā)出步進脈沖

4、信號、是以固定的角度（步距角）運行的，其特點是在不丟 步， 不超步情況下沒有積累誤差，所以廣泛應用于各種 開環(huán)控制系統(tǒng)。步進電機通過步進電機驅(qū)動器來驅(qū) 動，它把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的 角位移。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比?？刂葡到y(tǒng)對步進電機的控制通過步進電機驅(qū)動器來完 成。本設計中，步進電機用于生產(chǎn)塑料袋的熱封切制 袋機中的進料系統(tǒng)，方向電平信號、脫機信號等控制信號%。在向驅(qū)動器發(fā)出步進脈沖時，只需按工作頻率將 P% . 引腳電平置高和置低即可，這樣單片機就可以控制步進電機工作。P% . ! 引腳為高電平時，步進電機順時針旋轉(zhuǎn)； P%. ! 引腳低電平時步進電機逆時針旋

5、轉(zhuǎn)。P%. $ 引腳為高電平時步進電機為鎖緊狀態(tài)，只有發(fā)送步進脈沖步進電機才可以轉(zhuǎn)動；P% . $ 引腳為低電平時步進電機為脫機狀態(tài)，這時對步進電機和整個機床的控制由(+% 單片機系統(tǒng)來完成。 步進電機可以自由轉(zhuǎn)動。(+% 單片 %控制系統(tǒng)硬件 控制系統(tǒng)的硬件原理圖如圖% 所示。系統(tǒng)中(+%單片機與接口芯片 (!& 連接。(!& 控制鍵盤輸入和 收稿日期：! $ %!作者簡介：高亮（%&）男，人，研究生，主要從事導航與控制領(lǐng)域研究。 機的 RSP 指令周期為 % !8。在發(fā)送脈沖時只需要加 入若干個 RSP 語句就可以達到對脈沖的頻率和占空比進行調(diào)整的目的。 ! 升降速曲線的設計 熱封切制袋機

6、設計要求每分鐘生產(chǎn) $+ 44 的塑料袋( 個，每分鐘送料 !( 4。由于在切割過程中步進電機停止，不切割時步進電機送料，因此步進電機平均 . 測控技術(shù).(. 年第 .0 卷第 00 期 !送料速度達到 ! #$ #%& 以上，轉(zhuǎn)速達到 !( ) $ #%&，每分鐘啟停 *( 次，步進電機處于高速運轉(zhuǎn)和高速啟停的工作狀態(tài)。為了保證步進電機不丟步，必須使步進電機的輸出力矩大于負載轉(zhuǎn)矩，同時要保證步進脈沖一定的寬度。由于步進電機在升速過程中輸出力矩明顯減小， 因此，步進電機升速曲線的設計就尤其重要。升速過程由突跳頻率和升速曲線構(gòu)成。突跳頻率不可過高，一般只有幾 +,-。如果突跳頻率過高會導致電機無

7、法啟動，輸出力矩過小等問題。升速曲線設計不合 理也會造成同樣的結(jié)果。理想的升速曲線一般為指數(shù)曲線，由于無法通過程序編制這樣的曲線，所以在利用單片機控制步進電機的時候，一般通過各種方法擬合升速曲線。升速曲線擬合常用的方法有以下幾種。 ./ 0 臺階擬合 臺階擬合的原理圖如圖 . 所示。方法是通過多段的頻率跳躍逐漸達到比較高的頻率。這種方法程序 設計簡單，但是擬合比較粗糙，擬合效率低，需要比較 長的時間才能達到較高的頻率，并且負載力矩較小，不 適合升降速比較頻繁且工作頻率較高的步進電機。升 速過程中，剛開始頻率跳躍可以比較大，每一個頻率段 持續(xù)時間較短。隨著頻率的升高，頻率跳躍逐漸減小， 每一個頻

8、率段持續(xù)時間逐漸延長，直至頻率升至工作 頻率。 圖 . 臺階擬合法編制升速曲線 ./. 直線擬合 圖 直線擬合法編制升速曲線 ./查表法 查表法是一種擬合精度很高的升速曲線擬合方法， 如圖 1 所示。在編制程序之前，需要對步進電機進行多次試驗和比較。利用多條直線對升速曲線進行精確擬合， 并且根據(jù)步進電機的最終工作頻率，升降速時間長短和工 作力矩的要求編制出多條不同的升速曲線。在使用步 進電機時根據(jù)不同的工作條件由程序或者硬件控制來 選擇使用不同的升速曲線。這種方法屬于一種更加精確 的直線擬合方法，能夠精確地擬合步進電機的升速曲線， 最大程度發(fā)揮步進電機的性能，但是編制程序比較復雜， 適合在大量

9、使用同一種步進電機或者步進電機的工作條 件經(jīng)常變化的場合下使用。 圖 1 查表法編制升速曲線 直線擬合的原理圖如圖 所示。它的方法是通過在步進電機降速曲線的設計時，也同樣有這些方 法。幾段直線的頻率變化來擬合升速曲線。這種方法在 程序設計上相對復雜一些，但擬合精確，擬合效率高， 負載力矩較高，可以在短時間內(nèi)升速到很高的頻率。直線擬合法是本控制系統(tǒng)所采用的升速曲線擬合方 法。升速曲線由 ! 條直線擬合而成。在升速過程中， 開始升速時，升速直線斜率較大，持續(xù)時間較短，但是 頻率變化較大。隨著頻率的升高，升速直線的斜率逐 漸減小，持續(xù)時間加長，頻率變化減小，直至升速到工 作頻率。這種升速方法可以使步

10、進電機穩(wěn)定升速至1( +,- 的工作頻率，升速過程時間不到 (/ 1 2，步進電 機工作力矩達到 0! 3#。 由于在步進電機降速過程中，步進電機力矩增大， 所以對步進電機降速曲線的要求比升速曲線低一些， 降速過程和升速過程并不對稱。在降速過程中，只要 保證電機不超步即可，步進脈沖頻率下降的幅度不可 過大，否則步進電機會由于慣性作用而超步。因此，以 上幾種方法相比較，臺階擬合比較簡單，也比較容易做 到步進電機在短時間內(nèi)降速。這樣做可以延長步進電 機的升速時間， 使得升速曲線的編制更加合理。在使 用臺階法編制降速曲線時，頻率跳躍可以比升速曲線 大很多。一般可以是升速曲線頻率跳躍的. 倍。本控制系

11、統(tǒng)降速曲線的設計就使用這種方法，降速曲線由 三段臺階跳躍擬合而成。 （下轉(zhuǎn)第4 頁） 北京瑞賽科萬技方有數(shù)限據(jù)公司科技發(fā)展部 567 測試平臺 電話：(0( 8 !*.*00，!*.90:*104 3 測控技術(shù)3883 年第 35 卷第 55 期 !因此，即使 ! 沒達到過流整定值，若 !# 減小或! 減小，也會產(chǎn)生退飽和現(xiàn)象。 直流電流放大系數(shù)! 不僅取決于管子本身的參數(shù)， 而且還和 ! 的大小有關(guān)。! 只有在 ! 一定范圍內(nèi)才近似為一個常數(shù)，如果超出這個范圍! 就會下降， 在過小時，存在 !# 效應，此時發(fā)射結(jié)的阻擋層內(nèi)載流子的復合起主要作用，因而基區(qū)的傳輸效率下降，而造成!012 的數(shù)學

12、模型和等效電路分別如式（3）和圖 6 所示。 圖 6 012 放大狀態(tài)時等效電路 下降，在過大時，存在 $%&(%) 效應。*)+, 效應和 7!,!7+- !8 !#（3） !8-.)/ 效應使! 值下降。 式中，! 為驅(qū)動電流； 為直流短路增益； 為電路時 溫度對 也產(chǎn)生影響，因為隨著溫度的升高，基#!區(qū)內(nèi)載流子的熱運動加快，! 增加。以上分析表明，由于 !、! 兩個參量都在變化，因此很難確定過流動作值的大小，也就是說，盡管 ! 未過流，但由于 的變化， 間常數(shù)，其大小一般為 5 #，對于 !# 的階躍輸入，解此微分方程有： ! - !8 .（# 50 / + 1） （6）!012 可能已

13、退飽和而損壞，在一定條件下，退飽和保護可以取代過流保護。條件是退飽和保護比過流保護先動作。 在驅(qū)動電路中實現(xiàn)退飽和保護，依據(jù)檢測對象的不同，可分為 $%& 監(jiān)測法或$& 監(jiān)測法，原理相同，都是利用 ! 升高時，$%& 和$& 都會升高這一現(xiàn)象，若其超過 $%& 或$& 設定值就自動關(guān)斷()* 驅(qū)動電路。 式中，.#為 !# 的階躍幅值。 34 3短路死區(qū)功耗計算 為了計算短路時死區(qū)功耗，先做以下幾點假設： 假設 5：因為短路保護時間很短，在此期間內(nèi)，直 流側(cè)電壓 & 不變； 假設 3：線路電感為 23 ，23 9 5 : 3 #;； 假設 6：短路時，012 工作于放大狀態(tài)，它的數(shù)學模型如式（

14、3）所示。若發(fā)生如圖 所示的負載短路，先忽略其影響，則求得： ! - !8 .（# 50 / + 1） （= 頁） 從 $%&、$&對的關(guān)系曲線（圖 3 所示）可知 $%& 變6結(jié)束語 化不如$& 變化敏感，在相同的電流增量! 下，$&比$%& 要大得多，并且退飽和現(xiàn)象發(fā)生時，$%& 變化也小，因而難以掌握，工業(yè)上一般采用 $& 監(jiān)測法對 012 進行保護。 采用 $& 監(jiān)測法的自保護驅(qū)動電路，都存在一個保護死區(qū)，即在 012 啟動脈沖區(qū)段。012 在開啟過程中，$& 要經(jīng)歷一個從高到低的動態(tài)過程，開啟時，$&很高，保護電路不能打開，否則，就不能正常驅(qū)動 012。只有等到 012 充分導通后才

15、能打開保護電路。因此， 當逆變橋輸出口長時間短路時，則 012 會受到啟動脈沖區(qū)段內(nèi)的短路電流沖擊。該電路能否對 012 實現(xiàn)短路保護， 就取決于此時死區(qū)功率損耗是否超過了012 的承受能力。 3死區(qū)短路功耗計算 上述單片機對步進電機的控制方法以及幾種升速曲 線的設計方法均在熱封切制袋機中使用或者進行過試驗。機床的最終性能完全達到或超過了設計要求，在生產(chǎn)長 度更短的塑料袋時，每分鐘加工個數(shù)可以達到588 個左右。在使用這些方法設計步進電機升降速曲線時，要根 據(jù)步進電機的具體工作條件和性能來進行設計，同時需 要通過多次試驗調(diào)試來選擇合適的參數(shù)并對設計結(jié)果進行 檢驗，最終得到滿意的升降速曲線。 參

16、考文獻： 5 胡漢才4 單片機原理及接 術(shù)?4 北京：， 5 43 陳正宏，韓德源，崔文孝4 步進電機快速啟停的一種新方法A4 電腦學習，5，（6）46 ，何捷4 步進電機自動升降速及其單片機控制A4 微特電機，5B，（3）434 5012 大信號開通過程的數(shù)學模型 012 大信號開通過程中，它處于放大狀態(tài)，此時， 北京瑞賽科萬技方有數(shù)限據(jù)公司科技發(fā)展部 CDEFG(HCI 測試平臺 電話：858 J =B3B55，=B35KB5L8051單片機對步進電機的控制及步進電機升降速曲線的設計 作者：高亮 測控技術(shù) 作者單位：清華大學,精密測試技術(shù)與儀器國家重點實驗室,北京,100084 刊名： 英

17、文刊名：MEASUREMENT & CONTROL TECHNOLOGY 年，卷(期)：2002，21(11) 引用次數(shù)：14次 參考文獻(3條) 1. 胡漢才 單片機原理及接術(shù) 1996 2. 陳正宏.韓德源.崔文孝 步進電機快速啟停的一種新方法期刊論文-電腦學習 1999(3) 3. .何捷 步進電機自動升降速及其單片機控制 1998(2) 相似文獻(5條) 1. 期刊論文 譚輝.潘涵.邢芳.宋文武.劉義.鄭生全.吳華兵.TAN Hui.PAN Han.XING Fang.SONG Wen-wu.LIU Yi.ZHENG Sheng-quan.WU Hua-bing 基于單片機和串口通信的

18、高速步進電機控制系統(tǒng)設計 -艦船科學技術(shù)2008,30(5) 介紹了一種采用單片機和串口通信相結(jié)合的高速步進電機控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由上位機(Pc機)和下位機(單片機)2部分組成,二者通過串 換數(shù)據(jù).由于規(guī)定的步進電機轉(zhuǎn)動速度所對應的脈沖頻率遠大于步進電機的突跳頻率,因此達到最終轉(zhuǎn)動速度需要一個加速過程,加速程序采用匯編語言進行編制,可以使過渡時間精確到s級,保證了加速過程的平穩(wěn)性.對指數(shù)型升速曲線和勻加速型升速曲線這2種常用的升速曲線在加速時間和轉(zhuǎn)動平穩(wěn)度上的性能進行了比較,發(fā)現(xiàn)指數(shù)型升速曲線過渡時間短、加速過程平穩(wěn),具有操作性強、實現(xiàn)效果好等優(yōu)點. 2. 期刊論文 李忠科.李福寶.李勤 通用步

19、進電機升降速控制器設計 -沈陽工業(yè)大學學報2004,26(3) 介紹了一種基于89C51單片機的通用步進電機升降速控制器.采用可變時間間隔實現(xiàn)升速曲線,采用485接口與主機通信,主機命令字節(jié)中有電機號、轉(zhuǎn)速和加速等參數(shù),可靈活適應不同電機數(shù)量,不同負載要求.返回給主機的開關(guān)量信號可用來反映零位、限位開關(guān)等狀態(tài).上述特點使本控制器具有很強的通用性. 3. 期刊論文 高亮 熱封切制袋機控制的研制 -測試技術(shù)學報2003,17(2) 以 8051 單片機作為控制系統(tǒng)處理器, 以及步進電機作為主要驅(qū)動器. 對原來機床進行了改造. 介紹了機床的工作原理以及系統(tǒng)的設計方案. 并且總結(jié)出一套編制步進電機升降

20、速曲線的方法. 研制了用于加工塑料袋的高速數(shù)控機床控制系統(tǒng). 4. 期刊論文 李忠科.趙靜.LI Zhong-ke.ZHAO Jing 通用步進電動機升降速控制器設計 -微特電機2006,34(1) 介紹一種基于89C51嵌入式微控制器的的通用步進電機控制器.該控制器采用485接口與主機通信,主機通過命令遠距離控制電機工作,主機命令中有電機編號 、轉(zhuǎn)動方向、步進數(shù)和加速度等參數(shù),89C51采用可變時間間隔實現(xiàn)升速曲線,可靈活適應不同電機數(shù)量,不同負載要求.返回給主機的開關(guān)量信號可用來反映零位 、限位開關(guān)等狀態(tài).上述特點使控制器具有很強的通用性. 5. 期刊論文 程步軍.林寥廓 PLC在位移測量

21、與控制中的應用 -自動化與儀表2004,19(1) 介紹了西門子S7-200 PLC控制步進電機運動,通過磁柵尺和PLC的高速計數(shù)功能,實現(xiàn)位移量的精確測量,進而實現(xiàn)準確定點檢測.介紹了PLC與電機驅(qū)動器和磁柵尺的信號連接方法以及數(shù)碼顯示方式,設計了電機啟動升速曲線,使電機平穩(wěn)運轉(zhuǎn),達到最佳性能. 引證文獻(21條) 1. 潘年明.吳文秀 高壓管匯自動焊接系統(tǒng)送絲機構(gòu)設計(二)期刊論文-電焊機 2009(6) 2. 王立紅.金輝.趙越嶺 PLC控制步進電機在車床改造中的應用期刊論文-遼寧工業(yè)大學學報 2009(2) 3. 王玉成.祖國林.付淑玲 煤礦金屬材料自由落錘摩擦火花試驗裝置的改進期刊論文-煤礦安全 2008(10) 4. 潘年明 基于8051單片機的送絲機控制系統(tǒng)期刊論文-電焊機 2008(03) 5. 呂國芳.王敏.周澄.馬文靜.段向軍 大壩安全監(jiān)測仿真實驗控制系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵問題期刊論文-實驗室研究與探索 2007(08) 6. 盧善勇 基于單片機多功能接口電路的設計期刊論文-廣西輕工業(yè) 2007(03) 7. 侯艷艷.王洪君.王麗麗 三軸聯(lián)動數(shù)控雕刻機加減速控制算法的研究期刊論文-組合