基于51系列單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、步進(jìn)電機(jī)
1.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。
1.2步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)
本實(shí)驗(yàn)所用的步進(jìn)電機(jī)為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)（型號(hào)為42BYG016）。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。
感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相八拍運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=.一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。（本實(shí)驗(yàn)采用兩相四拍）
1.3步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)
相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。
拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)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(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。
1.4步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)
1）步距角精度：
步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。
2）失步：
電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。
4）最大空載起動(dòng)頻率：
電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。
5）最大空載的運(yùn)行頻率：
電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。
6）運(yùn)行矩頻特性：
電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。
1.5步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)的組成方框圖如下：



1）脈沖信號(hào)的產(chǎn)生
脈沖信號(hào)由單片機(jī)AT89S52的I/O口產(chǎn)生，一般的脈沖信號(hào)的占空比為0.3-0.4左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。本實(shí)驗(yàn)采用的占空比為0.5。
2）信號(hào)分配
感應(yīng)子式不僅以二、四相電機(jī)為主，二相電機(jī)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(jì)采用步距角為1.8度。
3）功率放大
功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)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(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。因而不同的場(chǎng)合采取不同的的驅(qū)動(dòng)方式，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。
步進(jìn)電機(jī)一經(jīng)定型，其性能取決于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機(jī)的電流越大，驅(qū)動(dòng)電源的電壓越高。電壓對(duì)力矩影響如下：



4）功率放大細(xì)分驅(qū)動(dòng)器
在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用的條件下，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過(guò)改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場(chǎng)的夾角來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。



二、驅(qū)動(dòng)器
由于單片機(jī)的I/O不具有直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的能力，故在本系統(tǒng)中需要步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，我們選擇驅(qū)動(dòng)器為KD-221，該驅(qū)動(dòng)器具有輸入電壓范圍廣，控制信號(hào)輸入方式多樣等特點(diǎn)。其具體接法如下：
2.1、電源接線：
①、E高：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓大于10V時(shí)，正極接此座，使用時(shí)最大不能大于40V，以防損壞模塊。
②、E低：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓小于10V時(shí)，正極接此座。
③、地：驅(qū)動(dòng)電壓E高、E低的的負(fù)極接此座。
④、A,:接電機(jī)A相線圈的二根引線。
⑤、B,:接電機(jī)B相線圈的二根引線。
2.2、控制信號(hào)接線：
①、CP:接控制器發(fā)給步進(jìn)電機(jī)的走步脈沖信號(hào)線。
②、CW:接控制器發(fā)給步進(jìn)電機(jī)的走步方向信號(hào)線。
③、VP:接CP和CW信號(hào)的負(fù)極，即邏輯電路電源的負(fù)極。
④、本驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)計(jì)接收信號(hào)為RTTL電平，即5V電平，如其它邏輯電平信號(hào)需要接限流電阻，否則可能損壞光耦元件。
三、光電開(kāi)關(guān)
本系統(tǒng)中所用傳感器為EE-EX672關(guān)電開(kāi)關(guān)，該傳感器為開(kāi)關(guān)型傳感器，四個(gè)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(dāng)“L”與“+”相連時(shí)，傳感器未檢測(cè)到物體時(shí)LED燈發(fā)光，當(dāng)“L”懸空時(shí)則相反，其特點(diǎn)為:
1.動(dòng)作模式備有遮光時(shí)ON/入光時(shí)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(jìn)行動(dòng)作確認(rèn).
4.電源電壓為DC-24V的廣范圍
5.備有遮光時(shí)入光顯示燈燈亮型