步进电机指数规律升降速的单片机控制系统设计

摘   要

从步进电机的矩-频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带动负载的能力越差。当启动频率较高时，启动时会造成失步，而停止时由于惯性作用又会发生过冲，所以在步进电机控制中必须要采取升降速控制措施。本文根据步进电机的动力学方程和矩-频特性曲线建立系统的数学模型，采用指数规律的升降速算法，以单片机为核心对步进电机进行并行控制。系统的软件设计由C51 语言编程来实现。并设计了检测系统用于对步进电机转速和步数的检测。最后，本系统可以实现以下功能：在显示器的提示下，由键盘输入运行的步数和稳定运行的速度；由各个功能键控制系统的运行，按启动键后，步进电机按照输入的步数进行走步；如在运行期间按停止键，则步进电机停止运行。研究表明，采用指数规律的升降速曲线将大大地提高微机控制步进电机的最高工作频率，大大缩短所需的升降速时间。

关键词：步进电机,单片机,速度控制,C51 语言

ABSTRACT

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目     录

中文摘要I

英文摘要II

第一章  绪  论1

第二章 系统工作原理和总体方案拟定3

2.1控制方案论证与比较3

2.1.1步进电机控制系统的构成3

2.1.2步进电机的串行和并行控制3

2.2步进电机工作原理和动态特性分析4

2.2.1反应式步进电机原理4

2.2.2 步进电机的动态特性6

2.3步进电机升降速控制讨论7

2.3.1步进电机的失步7

2.3.2步进电机升降速曲线的分析8

第三章 控制系统的数学模型9

3.1 步进电机升速的控制算法9

3.2 步进电机升速过程的离散处理11

3.3 步进电机降速过程的离散处理12

3.4 步进电机升速过程运行参数的计算12

第四章 控制系统的硬件设计14

4.1 系统的硬件结构14

4.2 系统的硬件设计15

4.2.1 微处理器及存储器的配置15

4.2.2 键盘与显示接口电路的设计16

4.2.3 定时和报警电路的设计20

4.2.4步进电机的脉冲分配21

4.2.5 扩展存储器及扩展芯片地址的确定24

4.3 硬件系统的合成及其原理图25

第五章 控制系统的软件设计26

5.1 软件结构设计26

5.2 系统的程序流程28

5.3 程序设计问题分析38

5.3.1 程序的初始化及变量的定义38

5.3.2 存储类型与存储模式的定义39

5.3.3 编译预处理的定义40

5.3.4 数组查表功能40

5.3.5 中断服务函数的定义41

5.3.6 有关定时器精确定时的实现42

5.3.7 主函数及键盘与显示功能的实现43

第六章 转速和步数检测系统设计45

6.1 光电编码器的工作原理45

6.2 检测系统的硬件设计45

6.3 检测系统的软件设计47

6.3.1 检测系统的流程图48

6.3.1 检测系统程序48

第七章  结  论49

参考文献50

致    谢51

附录A：步进电机升速过程运行参数计算程序52

附录B：步进电机控制系统程序55

附录C：步进电机检测系统程序63