《基于單片機的步進電機旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計》13000字（論文）

基于單片機的步進電機旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u13275基于單片機的步進電機旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計 120689摘要 18380第1章緒論 23901.1研究背景及意義 2242471.2研究的現(xiàn)狀 3135401.3主要研究內(nèi)容 325552第2章電機介紹 547692.1步進電機技術(shù) 591162.2步進電機工作原理 5265812.3步進電機技術(shù)參數(shù) 718872.4本章小結(jié) 812047第3章光電編碼器介紹 910953.1光電編碼技術(shù) 9169573.2莫爾條紋及光電編碼器原理 9102873.3光電編碼器分類 11196583.4光電編碼器在反饋控制中的應(yīng)用 12311893.5本章小結(jié) 121939第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計 13121374.1系統(tǒng)整體設(shè)計 13219274.2硬件電路設(shè)計 1458494.3步進電機控制模塊 18204664.4增量式光電編碼器模塊 1995494.5本章小結(jié) 2032569第5章控制算法的研究與設(shè)計 2140125.1步進電機啟動規(guī)律 21161565.2數(shù)字PID控制原理 2272035.3設(shè)計具體方案 24230275.4本章小結(jié) 247428總結(jié)與展望 2511456參考文獻 26摘要角度對我們來說是一個很重要的參數(shù)，小到我們的生活發(fā)展、大到國防建設(shè)，都離不開角度測量這個問題。角度及角度測量技術(shù)是我們?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)和其他過程中的重要組成部分，精密的角度測量技術(shù)在產(chǎn)品生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量控制中起著至關(guān)重要的作用。本篇文章介紹的是一種由STC90C51RD+單片機作為主控制器，它能夠通過調(diào)節(jié)增量式光電編碼器的光電軸，然后利用與步進電機在同軸的光電編碼器來反饋監(jiān)測我們步進電機的旋轉(zhuǎn)角度。最后將獲得的這一數(shù)據(jù)同開始所輸入的光電編碼器輸入的脈沖數(shù)據(jù)通過我們的51單片機對比進行校準。將前者通過51單片機進行比較之后所產(chǎn)生的差值輸出給到步進電機。然后通過這個差值來實現(xiàn)我們對步進電機的準確的控制，這樣就具有了反應(yīng)速度更快，結(jié)構(gòu)較為簡單，控制準確性高等特點。關(guān)鍵字：光電編碼器；角度；單片機；步進電機第1章緒論1.1研究背景及意義角度對我們來說是一個很重要的參數(shù)，小到我們的生活發(fā)展、大到國防建設(shè)，都離不開角度測量這個問題。而且它的精度會對其最后產(chǎn)品的質(zhì)量、使用壽命有著很大的影響，所以，高精度角度測量技術(shù)在測量的領(lǐng)域中有著非常重要的地位[1]。伴隨著我們的工業(yè)產(chǎn)品的需求量地不斷加大、人們對產(chǎn)品和商品的質(zhì)量要求也不斷地在提高，角度測量對高精度需求也越來越頻繁[2]。但一般地機械式測量量具和儀器所還不能解決這個需求。為了滿足人民生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)和國外的一些研究組織不斷地研發(fā)出很多測量角度的儀器。這些角度測量儀器大多使用了當(dāng)今社會最先進的技術(shù)和設(shè)備，因此它不僅能提高測量角度精度，同時也擴展了其應(yīng)用領(lǐng)域。比如對水平角和垂直角可以進行更加準確的測量；保證飛機、艦船航行、交通等方位角控制的準確性；對于正在機床精密加工的零部件提供更高精度的角度控制；對選中的目標進行精確地角度定位使導(dǎo)彈能準確命中目標。因此角度測量技術(shù)的應(yīng)用的生活和科技發(fā)展中十分廣泛。1.2研究的現(xiàn)狀在這么多的計量技術(shù)中，角度計量可以說是這里面很重要的一個部分，角度及角度測量技術(shù)是我們?nèi)粘Ｉ睢⑸a(chǎn)和其他過程中的重要組成部分，精密的角度測量技術(shù)在產(chǎn)品生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量控制中起著至關(guān)重要的作用。角度測量技術(shù)總的來說可以劃分為兩類，一個是靜態(tài)測量，一個是動態(tài)測量[3]。靜態(tài)測量，是我們對加工或拆卸的器件或儀器在它們保持在靜態(tài)時的角度和位置時所進行的測量。動態(tài)角度測量，指我們的物體或系統(tǒng)正處于運動狀態(tài)下時，對其角度展開測量。就目前來說兩種技術(shù)都在不停地進步與完善，靜態(tài)測角技術(shù)可以說是達到了成熟階段。然而目前對于動態(tài)角度測量的研究，進一步提升其測量的精度是至關(guān)重要的一步，同時在高精度地前提下能較好地提升我們在測量時的分辨率等問題。它的精度與準確率在我看來是直接掛鉤的。當(dāng)我們從測量范圍層面來看時，角度測量可以被我們劃分為小角度測量、任意角度測量這兩種方式。當(dāng)前已經(jīng)達到了成熟階段的是小角度測量技術(shù)，它能在實際測量過程中為我們實現(xiàn)較高的精度與準度[4]。不過就目前的情形而言，運用于大角度測量的方法卻相對于小角度來說較少，但是在實際運用這個的時候，我們還是要去進一步解決一些問題?？茖W(xué)技術(shù)在現(xiàn)在看來發(fā)展得非常迅速，角度測量在許多領(lǐng)域都有一席之地，它的實際應(yīng)用也越來越深入人們的生活與社會生產(chǎn)，所以在不斷的試驗和實踐中，測量的整體技術(shù)水平和準確度都不斷地得到進步。最近幾年，自動化成了角度測量發(fā)展的一個大方向，角度測量可以在我們的生活中能夠應(yīng)用的范圍地方也在擴大。其中光學(xué)測量法、電子測量法、圖像識別法和機械測量法等角度測量技術(shù)在國內(nèi)外測量領(lǐng)域中應(yīng)用的比較普遍，使用率較高。而除了這些相對于較為單一的方法外，還有光電測量法和機電測量法這些復(fù)合方法，這些方法相對來說更為先進。隨著國內(nèi)乃至國外各種不同學(xué)科之間的碰撞與交流，使得自動控制技術(shù)得到很快速的發(fā)展，人們對機電和光電技術(shù)越來越深入的研究，單片機在測量方位儀器的發(fā)展中開始發(fā)揮著它越來越重要的作用[6]。從這里我們就能夠看得出來，方位角度測量像是航海船舶測量，它得未來發(fā)展的空間還很大，我們還可以將許多技術(shù)手段應(yīng)用到這里面，使它得到更快的發(fā)展。將各學(xué)科的知識結(jié)合起來，能夠讓角度測量有更好的發(fā)展，從而使得產(chǎn)業(yè)發(fā)展更加智能化和高精度化。1.3主要研究內(nèi)容本篇文章介紹的是一種由STC90C51RD+單片機作為主控制器，它能夠通過調(diào)節(jié)增量式光電編碼器的光電軸，然后利用和我們的步進電機在同軸的光電編碼器，進而反饋監(jiān)測我們的步進電機的旋轉(zhuǎn)角度。最后將獲得的這一數(shù)據(jù)同開始所輸入的光電編碼器輸入的脈沖數(shù)據(jù)通過我們的51單片機對比進行校準。將前者通過51單片機進行比較之后所產(chǎn)生的差值輸出給到步進電機。然后通過這個差值來實現(xiàn)我們對步進電機的準確的控制，使得步進電機可以在0~360度之間旋轉(zhuǎn)的任意的角度，這樣就具有了反應(yīng)速度更快，結(jié)構(gòu)較為簡單，控制準確性高等特點。

第2章電機介紹2.1步進電機技術(shù)步進電機我們把它歸在機械電子裝置里的一種，它的根本原理是把電子脈沖信號從方波的形式輸入到我們的步進電機當(dāng)中，進而步進電機就可以以轉(zhuǎn)動的機械能的形式輸出。它可以是一個單相也可以是多相的同步電機。要想使單相電機轉(zhuǎn)動，只需要存在連續(xù)的不間斷的單一的激勵。但是多相電機則需要連續(xù)的不斷的一組激勵，而這組激勵就只有一個有效的信號，按照一定的順序分別分配給A、B、C、D相，一般來說會需要驅(qū)動即我們說的放大信號。一般來說，不論是使用多相電機還是使用單相電機，它的電子數(shù)字脈沖在轉(zhuǎn)動到一定角度的時侯，它的電機角同時會伴隨著進行一定角度的位移，換句話說，輸入的脈沖頻率和電機的角度位移兩者之間存在著對應(yīng)關(guān)系?；诓竭M電機的這些特征，而且單片機的輸出脈沖會以數(shù)字量的形式表現(xiàn)出來，因此，在我看來微機控制與步進電機兩者具有比較高的契合性。我們可以將步進電機劃分成三個類別不同類別：反應(yīng)式步進電機（VR）：它的定子中有很多種不同的多相繞組嵌入在當(dāng)中，同時，它的磁極和繞著它轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子里面也伴隨著有耦合的齒牙。其中價格相對低廉，構(gòu)成比較簡潔，具有相對比較小的步距角是反應(yīng)式具有的優(yōu)點。然而它的缺點就是效率相對不高、而且穩(wěn)定性較差，并且定位還需要在通電的情況下進行。永磁式步進電動機（PM）：它和反應(yīng)式不同的地方在于轉(zhuǎn)子是永磁體，但是它們定子轉(zhuǎn)子的技術(shù)仍然是相同。不論是哪一種電機類型都有它的特點，行對而言這種電機就比較適合用來進行動態(tài)測試。混合步進電動機（HB）：這一類的電機擁有之前兩種電機的都有的優(yōu)點，精度比較高，同時能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的運行，有著比較大的轉(zhuǎn)矩；但是這類電機也有它的缺陷，就是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且運行起來需要消耗的成本比較高。2.2步進電機工作原理雖然不同的電機結(jié)構(gòu)大都不相同，但是運行方式事實上基本都是相同的。不論哪一種類型的電機，其電機的整體的結(jié)構(gòu)普遍都具有比較大的相似性，即：中間的是定子，電工鋼片疊壓制成了定子，所以在其表面會存在著磁極，而在磁極中間又會有勵磁繞組，在它周圍的一圈被我們稱作為轉(zhuǎn)子，它的表面有分布著細齒，當(dāng)工作時，磁極與細齒就會相互咬合。對于三相反應(yīng)式來說，如果要選擇兩個齒牙用來串聯(lián)時，需要在它的定子的直徑方向上進行選擇，同時要使它的齒牙屬于相向齒牙，于是我們便將這一串聯(lián)路叫做一組，所以，在三相反應(yīng)式的電機上定子會有6個繞組，有它所構(gòu)成的齒，會存在有的角度間隔，而每個齒中都含有5個一樣寬的小齒，這5個小齒們之間產(chǎn)生的夾角為。同時有40個小齒存在在轉(zhuǎn)子上，它們的夾角同樣為，所以這個數(shù)據(jù)和磁極小齒是一樣的。但是當(dāng)電路通電時，其中一相A的大齒里面的小齒會和它轉(zhuǎn)子中的小齒咬合，在這同時，第二路繞組B的磁極齒和它轉(zhuǎn)子中的小齒會有著1/3齒距角，到第三路繞組C，則會存在2/3的齒距角。上面的三組輪流與它們轉(zhuǎn)子里面的小齒發(fā)生咬合，從而使得齒錯位，帶動電機得以實現(xiàn)連續(xù)性轉(zhuǎn)動[7]。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，高電平給到A相，在它的磁極A處，和相鄰的轉(zhuǎn)子中的1齒與3齒正好處于對齊的狀態(tài)；當(dāng)我們的B相通電后，我們的A相就斷電，這時，磁極B與2齒和4齒正好對齊，這個時候，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了；緊接著，C相就會開始通電，同理此時，B相斷電，C相會和其1齒、3齒對齊，轉(zhuǎn)子發(fā)生的旋轉(zhuǎn)。我們的繞組通電的路徑存在兩種方式，A-B-C-A…以及A-C-B-A…，在它們進行轉(zhuǎn)換的時侯，都會發(fā)生的轉(zhuǎn)角。所以這種模式下我們稱之為單三拍。那么如果在A相通電之后，A相會與轉(zhuǎn)子1齒、3齒發(fā)生對齊，接著，A與B兩相都讓它處于通電狀態(tài)，這樣，BB′磁場還是會吸引2齒與4齒，在這樣的環(huán)境下，轉(zhuǎn)子就會被這個拉力影響，開始順時針轉(zhuǎn)動。AA′的磁場也還是會對轉(zhuǎn)子1齒、3齒產(chǎn)生一個拉力，于是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩力平衡的位置上。AA′通電，轉(zhuǎn)子將會出現(xiàn)的轉(zhuǎn)動，B相通電后，2齒和4齒又會與B相對齊，所以又會發(fā)生的轉(zhuǎn)動[8]。依此類推，我們繞組的通電路徑以A-AB-B-BC-C-CA-A…或者A-AC-C-CB-B-BA-A…的順序通電，而且每次旋轉(zhuǎn)的角度都為，這就是三相六拍模式。如果以AB-BC-CA-AB…或者AC-CB-BA-AC…的順序通電，就被稱為雙三拍工作模式，當(dāng)輸入一個電脈沖時，轉(zhuǎn)子便會產(chǎn)生一個的轉(zhuǎn)動。上面所說的三種不同的工作模式，三相雙拍和三相六拍在實際運用中會更普遍，因為兩種模式應(yīng)用時相對更加穩(wěn)定。所以從整體上來說，步進電機最重要的一個特征就是：在外界給了一組脈沖激勵時，電機便會開始隨之轉(zhuǎn)動；當(dāng)收到的激勵信號頻率越大時，電機的轉(zhuǎn)動的速度就會越大，同理外界的激勵信號的頻率變得越小時，電機轉(zhuǎn)度就會變得越小，所以轉(zhuǎn)速與頻率是呈線性變化的。其激勵信號的相位安排又會影響換相順序的變化，而電機的轉(zhuǎn)向又是受到三相通電的順序的控制。圖2-1單三拍方式圖2-2三相六拍方式2.3步進電機技術(shù)參數(shù)(1)步距角及其精度步距角指的是每當(dāng)步進電機在接收到關(guān)于外界的激勵時，它的電機中的轉(zhuǎn)子所旋轉(zhuǎn)過的角度。我本次選用的電機是86BYG250A型的電機，這款電機的半步工作角度為，而其整步工作角度就是，這些都被統(tǒng)稱為步進電機的固有步距。而步距角的計算方式則是：（2-1）在這個公式中，M代表的是其定子的實際相數(shù)Z代表的是其轉(zhuǎn)子具備的齒數(shù)K通電時的具體系數(shù)，單相輪流通電、雙相輪流通電，方式為1；單、雙相輪流通電，方式為2。(2)空載啟動頻率我們的步進電機在啟動時會需要一個最小的啟動頻率，當(dāng)我們受到的外界激勵信號的頻率小于我們所需要的這個最小啟動頻率時，步進電機將不能轉(zhuǎn)動，這個最小啟動頻率被我們稱為空載啟動頻率。當(dāng)我們的電機處于負載的情形之下時，電機的啟動頻率就相對會比較低，在啟動時，電機會產(chǎn)生一個從低的轉(zhuǎn)動速度到設(shè)定的高轉(zhuǎn)動速度的過程，也就是從低頻率向高頻率轉(zhuǎn)化的一個過程。(3)步進電機相數(shù)我們的電機里面所存在的轉(zhuǎn)子線圈數(shù)就是步進電機的相數(shù)了，即線圈的數(shù)量就是相數(shù)。我們所說的單相電機其實就是直流電機，那么兩相及以上的電機一般指的是步進電機。當(dāng)我們用的不同相數(shù)的電機，那么所產(chǎn)生的步距角也都是不一樣的。兩相步進電機步距角，三相步進電機步距角，五相步進電機步距角則。(4)保持轉(zhuǎn)矩保持轉(zhuǎn)矩指的是當(dāng)步進電機在接通電源的時候，但這時轉(zhuǎn)子并未開始轉(zhuǎn)動，在這樣的情況下，定子會把其轉(zhuǎn)子的力矩給鎖定，這一過程就是屬于保持力矩。那么通常這種情形之下，如果步進電機實際的轉(zhuǎn)速并不高時，電機的力矩和它的保持力矩大致是相等的狀態(tài)。這時在外界激勵驅(qū)動的條件下，電機的保持轉(zhuǎn)矩會因為轉(zhuǎn)速的增大而減小，這時電機輸出的機械能也會隨著轉(zhuǎn)速的加快而增大。在電機的軸上加入負載轉(zhuǎn)矩，在這樣的情況下，轉(zhuǎn)子在它的載荷方向上會產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)角，這就是我們的失調(diào)角。(5)電機的共振點每個電機都會有它自身的共振點，所以我們所使用的電機也有其共振點。共振點對每個步進電機的運行都會產(chǎn)生影響。每種步進電機的共振點都是不同的，但一般都會保持在180-250pps之間。當(dāng)電機在共振點附近運行時，我們的步進電機才能更平穩(wěn)正常的運行。我們可以通過調(diào)節(jié)供電電壓來控制步進電機工作時能在共振點附近。2.4本章小結(jié)在本章，我們詳細介紹了有關(guān)步進電機技術(shù)及一些原理，讓我們更好的明白了步進電機是屬于機械電子裝置中的一種。它的根本原理就是將給定的電子脈沖信號，以方波的形式傳送到我們的步進電機中，之后步進電機則以轉(zhuǎn)動的機械能形式來輸出。這些電機的運行方式其實都是基本相同的。不管它是何種類型，中間是它的定子，在其周邊的一圈為它的轉(zhuǎn)子。

第3章光電編碼器介紹3.1光電編碼技術(shù)光電編碼技術(shù)是目前在角度測量中我們應(yīng)用的相對比較多的一種技術(shù)。這種技術(shù)結(jié)合了光學(xué)和電學(xué)的特點，在目前的測角技術(shù)中精度比較高。這項技術(shù)用了一個標有刻線的圓盤光柵來感受和分割光的元件。每當(dāng)入射光線照射到圓盤上的時候，圓盤會連續(xù)不停地轉(zhuǎn)動切割光，然后會輸出光脈沖。這樣就能把光信號轉(zhuǎn)變成了我們可以計量的電脈沖量，從而實現(xiàn)了光和電的轉(zhuǎn)換。圖3-1光電編碼器3.2莫爾條紋及光電編碼器原理光電編碼器在這里應(yīng)用到的一個最主要的技術(shù)原理就是我們的莫爾條紋原理。下面就是我們的兩種常見的莫爾條紋形狀，接下來我們將會根據(jù)下面的這兩幅圖來具體敘述一下什么是莫爾條紋原理。在黑白光柵的圖形中，黑色光柵的長度和白色光柵的長度分別記為a、b。圓光柵所在示意圖中條紋間的距離v叫做莫爾條紋間距。圖3-2黑白光柵示意圖圖3-3圓光柵示意圖假設(shè)這時我們忽略光柵的衍射性，如果兩個光柵之間接觸且跌合，而且其柵距同時又能處在均勻分布的狀態(tài)，那么從理論的層面而言，這兩塊光柵就會形成一個三角波借助于光能量。但是在我們的實踐和操作中，我們在考慮到這光衍射的作用時，光柵無論是它的間隙還是線寬都有著不同的差異。所以會導(dǎo)致從它里面透過的光能量會發(fā)生改變，分布起來近似于正弦波的狀態(tài)。在我們的輸入量不斷地變化的過程里面，莫爾條紋里的光能量的分布也存在著很多差異。其中的特點如下：（1）條紋與光柵之間的關(guān)系是：通過我們研究以及對理論知識進行的學(xué)習(xí)，我們從中知道了莫爾條紋的條紋與光柵兩者之間的位置移動有著一定的有規(guī)律的關(guān)系。一些與莫爾條紋相關(guān)的關(guān)系式：（3-1）（2）測量精度高：從數(shù)學(xué)規(guī)律上來看莫爾條紋，光電編碼器由光柵盤與指示光柵盤共同構(gòu)成，而且同時，存在著一個光電轉(zhuǎn)換裝置在光柵盤一側(cè)，同時各個不同角度的詳細信息都會被記錄在光柵盤上面，光柵盤上面的狹縫從根本上看起來就是一對計量光柵，其中用來計量用的的莫爾條紋信號，那就是它的原始光信號了，然后會在轉(zhuǎn)換裝置的幫助下進行一系列信號的處理，最后輸出一個電信號。在實際實踐的過程中，我們輸出了一同正弦波的信號極其相似的周期信號[9]。如下圖所示：圖3-4光電編碼器應(yīng)用結(jié)構(gòu)3.3光電編碼器分類根據(jù)許多功能的不同，光電編碼器也被分為很多種類型，像是光電開關(guān)。按在我們第一章中提到的一些內(nèi)容，要想制作光電編碼器，我們將用到電容、電阻還一些光電器件等。那么在本課題中我們用到的是比較熟悉的光電編碼器，常用的類型有兩種。分別是絕對式編碼器還有增量式編碼器。(1)增量式光電編碼器我們在此次得課題中采用得是我們既熟悉應(yīng)用較普遍且最經(jīng)濟實惠的增量式光電編碼器。增量式光電編碼器存在有兩根線，分別是引線A線和B線。這種光電式編碼器會有比較簡單的的判相方法，那就是根據(jù)相位關(guān)系來區(qū)分。這樣的編碼器的特點是我們可以任選一個位置作為起點，相對于絕對式來說可以消除累積誤差。但是它同時也存在缺點，不會存下有固定的起點，所以它所輸出的絕對位置是不斷變化，這使得在應(yīng)用時數(shù)據(jù)很容易出現(xiàn)錯誤[10]。(2)絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器中的每一個刻度都會有其唯一的二進制碼和它一一對應(yīng)。每當(dāng)它進行了一次光電轉(zhuǎn)換后，就會向外輸出一個唯一的二進制碼。不同于增量式，它能夠固定計數(shù)的起點，從它所固定的那個點起，會不停地順著正或反方向上進行位移或旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對停電的地方保留記憶。我們的絕對式編碼所擁有的實際圓光柵角為。絕對式光電編碼器可以對實際的位置進行讀取并且保證其準確性，這樣就能更好的減少我們的誤差，即使無意間的斷電，也不會輕易導(dǎo)致丟失信息。但是由于它需要較高的成本，更適合用在一些要求比較高的場合[11]。(3)混合式絕對編碼器混合式絕對編碼器就是建立前面的那兩種的基礎(chǔ)上的。所以這種編碼器就具有前面兩者的許多特點。這種類型的編碼器有更高的精度包含了前兩種的優(yōu)點，可以對磁極實際位置進行檢測，而且混合式絕對編碼器中具有前面兩類都沒有的矩陣譯碼，因此，它的結(jié)構(gòu)變得比較復(fù)雜，電源及讀數(shù)頭會比前者多，對于安裝和調(diào)試增大了難度。3.4光電編碼器在反饋控制中的應(yīng)用輸出脈沖數(shù)對我們光電編碼器的實際的精度以及其分辨率會產(chǎn)生比較重要的影響。所以，它經(jīng)常會在在一些精度比較高的速度控制里面被用到。在本次課題的反饋系統(tǒng)里面，為了讓編碼器的轉(zhuǎn)速能與步進電機相同，我們將步進電機同選用的光電編碼器中的主軸進行了連接。那么它的實際的工作原理是：當(dāng)編碼器隨著步進電機轉(zhuǎn)動的過程之中，編碼器的輸出引腳A端口與B端產(chǎn)生一個數(shù)字脈沖。與此同時，A和B兩個端口的實際脈沖會影響步進電機實際的旋轉(zhuǎn)方向。如果A脈沖超前達到了，我們就可以得到結(jié)論它會屬于正向旋轉(zhuǎn)，反之則就是逆向旋轉(zhuǎn)了；A端口的數(shù)字脈沖數(shù)會影響我們電機的旋轉(zhuǎn)角度，所以，我們通過這點來測定實際轉(zhuǎn)動的角度和方向[12]。同時當(dāng)步進電機低速轉(zhuǎn)動是，我們無法確保得到的數(shù)據(jù)的準確度，這時我們就可以選用分辨較高的光電編碼器，來保證測量所需的的精度。在我們對電路設(shè)計的過程中，還能對輸出的脈沖作多倍頻細分，從而實現(xiàn)對其信號地計數(shù)。3.5本章小結(jié)作為目前人們應(yīng)用的比較多的一項技術(shù)，光電編碼技術(shù)很好的結(jié)合了光學(xué)和電學(xué)的特點，它通過圓盤連續(xù)地轉(zhuǎn)動不斷地切割照在圓盤上的入射光，向外輸出光脈沖。將我們所不能計量的光信號轉(zhuǎn)變成我們可以進行計量的電脈沖量，繼而實現(xiàn)了光和電的一個很好的轉(zhuǎn)換。

第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1系統(tǒng)整體設(shè)計我的本次論文是關(guān)于一個角度隨動系統(tǒng)，其中把步進電機拿來發(fā)揮執(zhí)行器件的功能來進行一些簡單的研究，我選擇了兩個增量式光電編碼器，用合適的聯(lián)軸器把它們和步進電機進行連接，這樣這兩個編碼器就能充當(dāng)我們的角度輸入和反饋信號。在反饋回路中的這個編碼器會把我們步進電機實際轉(zhuǎn)過的角度做一個反饋，和另一編碼器的輸出進行比較，它們之間就會有一個偏差值，我們就可以通過這個偏差信號不斷校正電機，一直調(diào)整到誤差消失。那么我們這個系統(tǒng)的整體框架大致如下圖所示：51單片機芯片51單片機芯片步進電機驅(qū)動器M、M增量式光電編碼器增量式光電編碼器圖4-1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖根據(jù)系統(tǒng)的一個整體的設(shè)計思路，我們可以把這次的課題分為幾個部分進行相關(guān)的設(shè)計。具體的劃分情況如下：1）51單片機與增量式光電編碼器之間的的通信模塊。2）步進電機所涉及到的的部分。3）數(shù)字PID所相關(guān)的東西與程序編寫相關(guān)的東西的學(xué)習(xí)。4）角度通過數(shù)碼管顯示的部分。這次的設(shè)計主題包括:設(shè)計步進電機能夠控制光電進碼的反饋系統(tǒng)、選擇硬件、創(chuàng)建并解碼系統(tǒng)、并且在實驗室完成數(shù)據(jù)輸入、監(jiān)測與校準錯誤?；趯?shù)字PID控制的學(xué)習(xí)和了解，再加上電機啟動規(guī)律、裝備系統(tǒng)和步進電機的旋轉(zhuǎn)性質(zhì)，則步進器所產(chǎn)生的結(jié)果可以迅速、精確和不斷地滿足設(shè)計要求。4.2硬件電路設(shè)計這次的課題設(shè)計的角度測量系統(tǒng)的相關(guān)硬件電路設(shè)計，整體的構(gòu)成是有四個部分：電源模塊、控制芯片STC90C51RD+存儲模塊、增量式光電編碼器模塊以及步進電機控制模塊。4.2.1主控芯片STC90C51RD+及配套電路此次課題用的控制芯片是宏晶科技高速且低耗能的STC90C51RD+芯片。與之前所生產(chǎn)的8051型號的芯片相比，有很多優(yōu)勢。這款芯片能提供12和6兩種機器周期。當(dāng)復(fù)位引腳可以進行接地，如果時鐘頻率低于12MHz。存在以下一些特點：工作電壓5.5V-3.8V/3.8V-2.4V工作頻率范圍0-40MHz用戶應(yīng)用程序空間4K/6K/7K/8K/10K/12K/13K/16K/32K/40K/48K/56K/61K/字節(jié)片上集成1280字節(jié)/512/256字節(jié)RAM可以使用的輸入/輸出端口分別有35/39個P1~P3三個為8位準雙向口，即內(nèi)部具有上拉電阻。然而，P0為三態(tài)雙向8位輸入/輸出端口，也可用于外部擴展具有EEPROM功能內(nèi)部具有看門狗功能此單片機包含了MAX10電路當(dāng)周期頻率低于12MHz時，可以直接接地進行復(fù)位定時器/計數(shù)器單片機內(nèi)部配備16位中斷類型這種單片機內(nèi)部的中斷類型不止一種。工作溫度范圍0-75℃/-40-+85℃這芯片擁有高功率及低電壓的優(yōu)點同時，由于它的程序和數(shù)據(jù)存儲被分離開，因此也有效地避免了訪問數(shù)據(jù)時遇到的“遠程操作”難題。它的軟件指導(dǎo)系統(tǒng)非常簡單龐大的代碼也是很清晰相對較有效的。4.2.2時鐘電路的設(shè)計當(dāng)帶電路中有了時鐘模塊能帶來很大的幫助，這樣就能通過對功耗的控制在各種不同功耗之下實用。STC90C51RD+芯片就能滿足我們的要求，提供我們用得到的時鐘信號，存在時鐘控制邏輯，滿足我們系統(tǒng)的需要。圖4-2內(nèi)部時鐘電路的接法XTAL1和XTAL2是反向放大器，和反饋元件里面的的晶體構(gòu)成一個自激震蕩器。如圖4-2中，電容c1和c2能夠決定石英晶體的振蕩頻率。而單片機的響應(yīng)速度繼而受到晶振頻率的影響即，頻率越高，我們單片機響應(yīng)的速度就會越快。1.2~12MHz，這個數(shù)據(jù)應(yīng)該是晶振的一半頻率范圍。所以我們要選擇合適的電容和晶振，讓我們的單片機能夠更好的運行。在我們此次系統(tǒng)里面最終用了晶振頻率為12MHz的晶振。在對單片機的外部引腳進行一些必要相關(guān)的設(shè)置之后，選擇了我們目前所運用的這個設(shè)備。4.2.3復(fù)位電路復(fù)位線路的最主要功能就是要去確保微處理器以及其他得一些部件能夠在初始的狀態(tài)下進行穩(wěn)定工作。在這個系統(tǒng)里面不同的模塊都會有它自己的復(fù)位電路。因此，在設(shè)計復(fù)位電路時，必須確保重啟電路能同時實現(xiàn)同步重啟，以以防止在幾個回路的重新啟動功能沒充分執(zhí)行時，不可能實施處理器提供的任務(wù)的全部重啟[14]。通常，我們的復(fù)位電路會允許我們使用自動復(fù)位電路。復(fù)位短期的自動復(fù)位電路具有簡潔和經(jīng)濟的優(yōu)勢。相反，具有高度重啟穩(wěn)定性且長期優(yōu)勢的手動重啟電路更適合本實驗的要求。4.2.4單片機I/O口的使用在這次的課題里面我們用到了P1和P3端口，有的端口會雙向功能，所以我們先對I/O口進行一些簡單的了解。我們用了4個8位雙向輸入/輸出端口的51單片機。P1上面有一個上拉電阻，可以用來輸入輸出。P3端口具有與P1端口能發(fā)揮類似作用，但P3端口中的一些特殊引腳存在雙功能。圖4-3I/O端口-P3雙功能口在這次的課題中，我們用到了下面這些端口：P1.0-P1.3與四相步進電機相連接，控制電機的轉(zhuǎn)動P3.2與作為指揮信號的光電編碼器的A相相連P3.6與作為指揮信號的光電編碼器的B相相連P3.3與測量編碼器的A相相連P3.7與測量編碼器的B相相連P3.2作為雙功能口及外部中斷0P3.3作為雙功能口及外部中斷14.2.5定時器/計數(shù)器的控制在本次研究中我們只用到了定時功能，當(dāng)定時的實踐到時，系統(tǒng)會產(chǎn)生一個溢出中斷，接著會產(chǎn)生控制信號執(zhí)行中斷服務(wù)。當(dāng)然，在使用之前，我們要對51單片機中的定時器進行控制方式寄存器和工作方式寄存器控制的設(shè)置。圖4-4定時器的控制TF1和TF0定時器/計數(shù)器0和1的溢出標志位，當(dāng)記滿溢出時，標志位被置1TR1和TR0計數(shù)運行控制位，計數(shù)運行控制位當(dāng)TR1=1時，定時器1啟動。當(dāng)TR1=0時，定時器停止 圖4-5定時器的工作方式寄存器GATE：為門控位，C/位可以選擇定時器或計數(shù)器，C/=0時就能設(shè)置為定時方式，C/=1則就是計數(shù)器M1、M0位就可以設(shè)置需要的工作模式，我們的工作模式的選擇可以從下表參考：M1M0工作模式—工作模式選擇位（編程決定）0013位定時/計數(shù)器模式00116位定時/計數(shù)器模式1108位定時/計數(shù)器模式211T08位定時/計數(shù)模式311T1停止工作模式3圖4-6定時器工作模式表我們在此次研究中使用的是定時功能，工作模式則選擇了8位自動重裝初值，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生溢出中斷時，定時器累積到一定數(shù)值就會進入中斷服務(wù)，產(chǎn)生控制信號給步進電機控制電機的運行。4.3步進電機控制模塊步進電機作為我們這次課程的設(shè)計的關(guān)鍵，我們需要重點考慮步進電機的兩個影響因素分別是驅(qū)動器和步進電機本身。我們所用到的步進電機型號為28BYJ-48，它的一些具體的參數(shù)在下面的表格里面：步進電機型號28BYJ48邏輯控制電壓5V步進電機模式四相八拍步進電機的直徑28mm減速步進電機，內(nèi)部帶有減速機構(gòu)，減速比1/64相電阻為（誤差10%）300步進電機步距角度5.625/64啟動轉(zhuǎn)矩、啟動頻率≧300、≧550圖4-7步進電機驅(qū)動方式圖4-8步進電機硬件圖4.4增量式光電編碼器模塊光電編碼器在我們的研究中扮演了兩個角色：（1）用來控制輸入信號，從而控制電機的最終旋轉(zhuǎn)角度。（2）和步進電機的同軸進行連接一起接在系統(tǒng)的反饋回路里面，把電機的實際旋轉(zhuǎn)角度重新輸入給單片機。并連接光電編碼器。在我們之前的文章分析中可以知道，，光電編碼器的輸出端口A、B會形成數(shù)字脈沖。當(dāng)A端口超前B端口90°脈沖時，說明此時的電機在正傳，如果發(fā)現(xiàn)落后90°脈沖，那么就是逆向旋轉(zhuǎn)了。所以，由此我們就可以在對B端口進行檢測，如果B端口屬于高低電平被我們檢測出來，就能知道此時電機的旋轉(zhuǎn)方向。記錄A、B端口的脈沖計數(shù)，這樣我們就能從中知道旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，就可以驗證電機的旋轉(zhuǎn)角度是否正確。這樣一來，我們就能更好的減小誤差，提高準確率了。STC90C51RD+與光電編碼器之間得接口電路，光電編碼器的A、B端口要分別接到單片機的P3.2和P3.6端口我們把它們用作輸入電信號，從所給的圖4.3我們能夠知道P3.2端口的第二功能為INT0，可以用來響應(yīng)外部中斷；而放置在反饋回路的增量式光電編碼器的A相會與單片機的P3.3端口連接，B相則將和端口P3.7連接，而且P3.3端口的第二功能為INT1，同樣也可以響應(yīng)外部中斷。我們選用了1000脈沖/每轉(zhuǎn)的增量式光電編碼器，它的主要的技術(shù)參數(shù)如下所述：最高轉(zhuǎn)速為：4000rpm啟動力矩為：<N*M最大徑向負載：20N最大軸向負載：10N圖4-9增量式光電編碼器的硬件圖4.5本章小結(jié)這一章節(jié)主要是介紹步進電機與增量式光電編碼器之間的使用規(guī)則與原理。兩個編碼器分別輸入信號和輸出反饋信號，在與步進電機進行連接之后，就可以控制電機的運行，從而就能得到想要的結(jié)果。而步進電機作為整個系統(tǒng)的執(zhí)行器，在編碼器的輔助下就能更好的運作。

第5章控制算法的研究與設(shè)計我們這次的研究，是想要讓步進電機能夠更加盡量地提高準確性、快速性機穩(wěn)定性。因為電機在轉(zhuǎn)動的時候會受到很多其他因素地影響，比如像速度、慣性已經(jīng)電機在轉(zhuǎn)動時會帶動負載等。如果步進電機運行時產(chǎn)生比較大的偏差時，我們就得用相關(guān)的軟件技術(shù)對它進行調(diào)整才行。同時，通過軟件控制地同時，我們就能對控制參數(shù)進行一些設(shè)置，從而實現(xiàn)對整個運行過程地一個動態(tài)控制。5.1步進電機啟動規(guī)律步進電機在現(xiàn)實運行的時候會容易受到許多因素的干擾，導(dǎo)致所產(chǎn)生的誤差會變大。那么，在我看來最大的影響就是電機轉(zhuǎn)動的時候驅(qū)動負載，并且負載的運動所產(chǎn)生地慣性會對電機產(chǎn)生較大地影響。這兩個影響因素之間存在有這樣的一種關(guān)系：當(dāng)其中地一個量能夠保持不變時，如果另一個變得越大，那么電機轉(zhuǎn)動只需要更小的頻率就行[16]。我們可以看下面的一些公式進行簡單的理解：(5-1)在這個公式里面，：實際的轉(zhuǎn)動慣量：實際的電磁力矩：實際的阻力矩當(dāng)我們的電機在運轉(zhuǎn)時，電機電磁力矩和阻力矩就會達到一個平衡的狀態(tài)。所以結(jié)合公式，我們就能知道，電機啟動地過程中，會使得頻率不斷加快，如果電機減速，頻率就會減小。在這一過程，我們會發(fā)現(xiàn)兩種情況的曲線：（1）等加速度升降速曲線等加速度也就是加速度是保持不變的。如圖5-1中，電機在運行過程中經(jīng)歷三個主要的環(huán)節(jié)，先進行加速，然后保持勻速運動，最后再進行減速。這樣的一個過程會對電機造成一定程度的損害，因為在運行過程中沒有一個緩沖的過程，會使得電機的壽命降低，所以我們盡量要少用這一方法。圖5-1等加速度升降曲線與這條曲線所對應(yīng)的公式代表如下：（5-2）其中、為定值，不能為零。（2）S型加速度升降速曲線通過圖5-1和5-2的對比我們就可以很明顯地發(fā)現(xiàn)，圖5-2的這一條曲線更加的平緩。所以，和上一種曲線不同，在這種模式下，電機在三種不同的運動狀態(tài)下能夠進行一個平穩(wěn)的切換，對電機造成的沖擊會較小，這樣就能比較好的延長電機的使用壽命，彌補了上一種曲線的缺點。圖5-2S型加速度升降曲線與這條曲線所對應(yīng)的公式代表如下：（5-3）其中、、為定值，且、不能為零。5.2數(shù)字PID控制原理這種控制算法在平時的學(xué)習(xí)中我們就有接觸過比較多而且有很多特點。分別是比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)。利用這種算法可以很好的提高準確度，因為這種算法可以通過微小的偏差產(chǎn)生效果。而且，使用這種算法會比較簡便，從他的構(gòu)成環(huán)節(jié)來看就能知道它的結(jié)構(gòu)很清晰，所以我們只要設(shè)置好合理的參數(shù)，電機便可以在它的作用下平穩(wěn)高效地運行下去。圖5-3數(shù)字PID控制原理圖所以，我們要想使電機能夠更好地運行，我們就得將重點放在這三個環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置上面。PID控制算法的具體表達式如下：（5.4）其中，：計算過程中的比例系數(shù)：積分時間常數(shù)：微分時間常數(shù)在這個公式中，積分：消除系統(tǒng)靜差，同時就能夠更好的減小了系統(tǒng)的誤差。積分作用的大小與積分常數(shù)直接相關(guān)，越大，積分作用越弱。那么比例環(huán)節(jié)的作用就是是放大或者縮小系統(tǒng)所產(chǎn)生的偏差，這樣就能比較迅速地把偏差信號線性地放大或者縮小[13]。最后，微分：加快步進電機的反應(yīng)速度。圖5-4步進電機PID控制算法流程圖通過一開始對數(shù)字PID的相關(guān)介紹，我們就能知道要想得到理想的結(jié)果，就必須設(shè)置好各個環(huán)節(jié)的參數(shù)，所以在一開始我們對各個參數(shù)的大概取值范圍沒不太了解的情況下，我們可以先用適當(dāng)?shù)膮?shù)進行調(diào)試，盡量避免選用的參數(shù)造成太大的振蕩。而且每個參數(shù)的調(diào)整不可能一次就成功，我們要有耐心，不斷調(diào)試，找到效果最滿意的那組。5.3設(shè)計具體方案這次的課題，我決定用步進電機控制的角度測量裝置。光電編碼器與步進電機同軸，檢測步進電機旋轉(zhuǎn)角度，然后再通過另一光電編碼器輸入到單片機中進行校準。51單片機會在較之后產(chǎn)生一個差值，輸出給步進電機。步進電機就通過我們的單片機輸入的差值來進行一個調(diào)整。5.4本章小結(jié)我們這章用到的控制算法為數(shù)字PID控制算法。在我們通過對比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)還有微分環(huán)節(jié)等進行一定的處理，將由于電機的旋轉(zhuǎn)慣性，外加負載的一些情況以及步進電機本身的啟動較慢等一些情況帶來的誤差給盡量減小。

總結(jié)與展望在這次的畢業(yè)設(shè)計中，光電編碼器被用作整個系統(tǒng)中的指揮信號使用。我們采用了兩個增量式光電編碼器，一個作為系統(tǒng)的參考輸入，作為指揮信號；另一個放置在反饋回路當(dāng)中，輸出步進電機的實際的旋轉(zhuǎn)角度，這兩個編碼器根據(jù)所處的不同位置分別承擔(dān)了不同的功能和作用。在程序的設(shè)計中，我們將具有指揮功能的編碼器稱叫做主動編碼器，而在反饋回路發(fā)揮作用的光電編碼器在我們的程序中稱為被動編碼器。根據(jù)上文中提到的主動編碼器的作用，我們將主動編碼器的程序分成了兩個部分進行編寫：（1）編寫程序，讓單片機能夠通過采集主動編碼器的輸入脈沖數(shù)進而判斷編碼器的目前的旋轉(zhuǎn)方向（正向或者反向）；（2）編寫程序，讓主動編碼器與被動編碼器的脈沖數(shù)能夠在51單片機的內(nèi)部作差，產(chǎn)生需要的偏差信號。以上這些是我們在編程中的主要任務(wù)，那么要如何解決這些問題是設(shè)計的關(guān)鍵。在我們的編程的過程當(dāng)中，我們把主動編碼器的A相和外部中斷INT0進行連接，把B相與I/O接口互相連接，并且將觸發(fā)方式設(shè)置成下降沿觸發(fā)。當(dāng)我們的B相呈現(xiàn)的是高電平時，主動編碼器正轉(zhuǎn)，計數(shù)值加一；當(dāng)B相變?yōu)榈碗娖綍r，編碼器反轉(zhuǎn)，計數(shù)值減一。這樣就能在此程序中實現(xiàn)主動編碼器作為一個指揮輸入信號與