一种基于步进电机调速系统的设计

一种基于步进电机调速系统的设计
【摘要】设计一种以单片机为控制器的步进电机调速系统，具有速度测量和控制功能，能够显示和设定电机转速。

采用C语言编程，利用控制理论知识，设计软件控制算法，实现了电机调速的稳定工作。

【关键词】步进电机；调速；算法
1.引言
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制驱动装置，能够快速启停、精确步进，是自动控制系统中主要控制器件之一。

其工作特点是通过输入脉冲信号来进行控制，电机的转速只受脉冲信号作用，不受负载变化的影响，所以通过控制脉冲的频率，可以方便地控制电机的速度和加速度，实现调速的目的。

随着信息技术的发展，许多先进的理论得到推广和应用，步进电机通过细分驱动技术，可以减小转动的步距角，提高运行的稳定性，降低噪声，显著改善动态性能。

在控制系统对电机工作的应用特性要求越来越高的形势下，步进电机以其过载性好、控制方便、可靠性高的优点，将得到更广泛的应用。

掌握更多的步进电机控制技术，对运动控制系统的设计有着非常重要的意义。

2.系统设计方案
系统设计以STC89C52RC单片机为控制器，通过I/O接口输出控制信号，利用驱动器L298N产生控制脉冲，实现对电机工作的控制。

利用按键输入设定电机转速，通过单片机定时器对控制脉冲计数计时，测定电机转速，并通过LCD12232液晶实时显示。

系统的调速根据控制理论知识设计控制方法，通过编程语言实现，在设定速度改变后，控制器按照控制算法，输出相应的控制信号，使电机转速迅速达到设定值，实现自动控制快速、精确、稳定的要求。

主要电路有单片机控制电路、电机驱动电路、按键输入电路和液晶显示电路。

系统整体方框图如图1所示：
图1 系统整体方框图
3.电机转速的检测
步进电机的工作是随着控制脉冲的输入，按照相应的步距角转动。

以四相八拍式步进电机为例，电机的正常工作是按照四个相序，以八个节拍的控制脉冲为一个循环。

步距角为0.9o，则一个脉冲循环过程转过的角度为，使步进电机转过一圈的脉冲循环次数，所以对步进电机转速的测量可以对控制脉冲计数，通过单片机定时器计时，测定转动一圈脉冲数量的时间，转换为相应时间转动圈数。

在以步进电机组成的运动系统中，很方便通过检测电机转速来计算系统的传动速度。

例步进电机带动传送带运动，电机转动半径为R，电机转速为N转/分，则系统的传送速度，所以通过控制输入脉冲可以实现对传动系统的速度的精确控
制。

设步进电机的四相依次为A、B、C、D，八拍的控制脉冲顺序为A—AB—B—BC—C—CD—D—DA。

系统设计利用单片机的P1口低四位接口控制步进电机的四相，按照电机相序，P1口的控制脉冲顺序为：0x01，0x03，0x02，0x06，0x04，0x0C，0x08，0x09，将控制脉冲反向输入时可方便地控制电机反向转动。

简单的C语言程序测速函数和定时计时函数如下：
V oid cesu（）
{ char code FFW[8]={0x01，0x03，0x02，0x06，0x04，0x0C，0x08，0x09}；
TR0=1；
for（j=0；j<50；j++）
{for（i=0；i<8；i++）
{ P1=FFW[i]；
delay（m）；
}
}
Su=1/t；
TR0=0；
}
void time0（）interrupt 1
{ TH0=0xDC；
TL0=0x00；
t++；
}
4.电机转速的控制
控制步进电机的转速实际是对输入脉冲频率的控制，通过增大控制脉冲的频率来增加转速，减小脉冲频率来减小转速。

对脉冲频率的控制可以通过调整脉冲
间的延时时间，也可以利用定时器定时控制脉冲频率。

由于电机转动是机械转动，在脉冲频率太高时，电机出现振动现象，设计延时函数时，在最小的时间参数下应保证脉冲频率能够使电机正常工作，同时注意转速改变太大时会出现失步现象。

在设定电机转速后，系统实时测定电机转速，通过检测反馈信号，计算转速偏差，然后按照偏差数据设定电机控制算法。

系统设计以调节脉冲间隔延时的方式设定控制方法有比例（P）控制、比例积分（PI）/控制。

4.1 比例（P）控制
比例控制是输出与偏差成比例
工作特点是响应快，能够根据偏差快速调节，不足之处是不能够消除余差。

通过单片机设计程序的比例控制为数字比例控制，简单的C语言程序实现控制算法如下所示，其中su1为输入的设定速度值，可以通过按键调整，su为实际测量速度值，e为偏差值，a为比例控制系数，m为脉冲延时控制的输出量，m1为辅助变量，当偏差为零时，输出变量m等于m1，使系统稳定。

V oid pc（）
{ int su1，e，m1；
cesu（）；
e=su1-su；
m=a*e+m1；
m1=m；
}
4.2 比例积分（PI）控制
比例积分控制是比例与积分共同作用
积分作用的一个优点是它能够消除余差。

如果偏差为零，积分控制器的输出不变，偏差不为零时，使积分控制器的输出向上或向下变化。

虽然积分作用能够消除系统余差，但是积分作用很慢，需要对误差积累到一定程度才能有明显的控制作用，所以积分控制器很少单独使用，通常将积分作用和比例作用一起使用，构成PI控制，实际的利用单片机程序控制是数字离散控制，累计一定时间内的转速偏差，进行PI控制。

利用C语言程序设计控制算法如下，其中ee为累计偏差，tt为累计时间，可以通过定时器计时获得。

V oid PIC（）
{ int su1，e，m1；
cesu（）；
e=su1-su；
ee=ee+e；
m=a*e+ee/tt+m1；
m1=m；
}
5.结束语
步进电机的控制主要是对输入脉冲的控制，相比于直流电机而言，更容易控制电机的启停与加速，方便对转速的检测。

本文设计是以单片机为控制器，简要说明电机的驱动方式，重点论述对电机的速度测量和控制，从实际应用角度，设计以单片机为核心，利用C语言编程实现的速度检测方法和控制算法，经过实际系统设计应用，电机转速得到了精确稳定的检测和控制。

参考文献
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