基于51系列單片機控制步進電機調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

一、步進電機
1.1步進電機的工作原理
步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的執(zhí)行機構(gòu)。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。
1.2步進電機的特點
本實驗所用的步進電機為感應(yīng)子式步進電機（型號為42BYG016）。感應(yīng)子式步進電機與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。
感應(yīng)子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應(yīng)式電機則不能如此。例如：四相八拍運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=.一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。（本實驗采用兩相四拍）
1.3步進電機的靜態(tài)指標
相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。
拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。
1.4步進電機的動態(tài)指標
1）步距角精度：
步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。
2）失步：
電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。
3）失調(diào)角：
轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。
4）最大空載起動頻率：
電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。
5）最大空載的運行頻率：
電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。
6）運行矩頻特性：
電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。
1.5步進電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)的組成方框圖如下：



1）脈沖信號的產(chǎn)生
脈沖信號由單片機AT89S52的I/O口產(chǎn)生，一般的脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。本實驗采用的占空比為0.5。
2）信號分配
感應(yīng)子式不僅以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍兩種，具體分配如下：二相四拍為,步距角為1.8度；二相八拍為,步距角為0.9度。本設(shè)計采用步距角為1.8度。
3）功率放大
功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細分數(shù)等。
步進電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅(qū)動電源。步進電機轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅(qū)動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下：



4）功率放大細分驅(qū)動器
在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機，細分驅(qū)動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉(zhuǎn)的。



二、驅(qū)動器
由于單片機的I/O不具有直接驅(qū)動步進電機的能力，故在本系統(tǒng)中需要步進電機驅(qū)動器，我們選擇驅(qū)動器為KD-221，該驅(qū)動器具有輸入電壓范圍廣，控制信號輸入方式多樣等特點。其具體接法如下：
2.1、電源接線：
①、E高：當驅(qū)動電壓大于10V時，正極接此座，使用時最大不能大于40V，以防損壞模塊。
②、E低：當驅(qū)動電壓小于10V時，正極接此座。
③、地：驅(qū)動電壓E高、E低的的負極接此座。
④、A,:接電機A相線圈的二根引線。
⑤、B,:接電機B相線圈的二根引線。
2.2、控制信號接線：
①、CP:接控制器發(fā)給步進電機的走步脈沖信號線。
②、CW:接控制器發(fā)給步進電機的走步方向信號線。
③、VP:接CP和CW信號的負極，即邏輯電路電源的負極。
④、本驅(qū)動器內(nèi)部設(shè)計接收信號為RTTL電平，即5V電平，如其它邏輯電平信號需要接限流電阻，否則可能損壞光耦元件。
三、光電開關(guān)
本系統(tǒng)中所用傳感器為EE-EX672關(guān)電開關(guān)，該傳感器為開關(guān)型傳感器，四個接線腳分別為“+，L,OUT,-”其輸入電壓范圍廣為直流5-24V,L為控制指示端，當“L”與“+”相連時，傳感器未檢測到物體時LED燈發(fā)光，當“L”懸空時則相反，其特點為:
1.動作模式備有遮光時ON/入光時ON(可切換型)
2.應(yīng)答頻率為1KHZ的高速響應(yīng)
3.入光顯示燈明顯,容易進行動作確認.
4.電源電壓為DC-24V的廣范圍
5.備有遮光時入光顯示燈燈亮型