1、指导教师评定成绩： 审定成绩： 重 庆 邮 电 大 学自 动 化 学 院计算机控制技术课程设计报告设计题目：步进电动机调速控制单位（二级学院）： 自 动 化 学 院 学 生 姓 名： 林 参 专 业： 自动化 班 级： 0810903 学 号： 2009212466 指 导 教 师： 陈 勇 设计时间： 2012 年 6 月目录摘要 1设计题目 1一、 平台 1二、 设计目的: .1三、 设计要求： 1设计内容 2一、 计算机控制系统的总体规划与设计思路： 2二、 硬件综合设计 31. 总体原理电路图: 32. 实物图： .3三、 软件综合设计 101. 设计流程图： .102. PID 两种
2、基本算法：位置算法和增量算法，采用变频调速 113. 实现以上要求的控制算法（已调试正确）： .12设计总结 21参考文献 220摘要步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移的开环控制元件。通过单片机AT89C52 控制的脉冲信号的频率和脉冲数控制电机的转速、停止的位置，而不受负载的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。采用对射式光电传感器 H92B4 为步进电机的测速原件，它利用码盘对光速的遮挡，由同步回路选通电路，从而检测码盘有无遮挡。光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件，旋转编码器与电机相连，当电机转动时，带动增量式码盘旋转，便发出转速或转角信号。L297 步进电机专用控制器
3、，芯片内的 PWM 斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流，用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用于控制此步进电机，并与 L298 双全桥步进电机专用芯片等共同组成驱动电路。控制算法上，利用增量式 PID 算法，从测试传感器采样的信号经 PID 控制和所测试相结合消除减少误差，编出满足要求的程序。由以上几个主要部分共同构成步进电机闭环控制系统，驱动电路驱动电机，测速提供为反馈，AT89C52 控制步进电机的正反转、和转速增减，实现对步进电机的控制，并由显示器显示出正反转方向和转速。关键词：步进电动机 PID AT89C52 L297 L298 H92B41设计题
4、目步进电动机调速控制1、平台1、二相四线制步进电动机；2、以单片机作为控制器。2、设计目的 :1、设计步进电机控制电路；2、设计步进电机调速控制电路，要求采用变频调速；3、采用 PID 两种基本算法：位置算法和增量算法，并要求知道这两种算法的特点；（1）位置算法：),( )1()()()0PDIPI KjITKkeekeu（2）增量算法：)2()1(2)()1()() kekeKkeuku DIP4、步进电动机旋转误差小于 1%；5、实现正反转；6、速度检测与显示及控制。3、设计要求：1、整个课程设计的各个环节都要求学生自己动手。2、提供相应的算法分析与计算。3、自己选择计算机控制设备，构建一
5、个简单的计算机控制系统。4、对课程设计进行总结，撰写课程设计报告。5、课程设计时间 1.5 周。2设计内容1、计算机控制系统的总体规划与设计思路：此步进电机调速计算机控制系统主要由以下 4 部分组成1、单片机 AT89C52 的控制电路2、L297 和 L298 组成驱动电路3、对射式光传感器为测速元件测速（用的是 T 法测速）组成的反馈回路4、二相四线制步进电机由以上 4 部分组成步进电机调速计算机控制闭环控制系统。在 AT89C52 中载入增量式 PID 控制算法的程序，通过对按键的操作，控制步进电机的转速（加速、减速、正反转） ，并在显示器上显示出转速。最终实现完整的二相四线步进电机调速
6、的计算机控制系统。设计基本框图如下：32、硬件综合设计1. 总体原理电路图:2. 实物图：41、控制电路 AT89C52实体图：AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 的 8 位单片机 ，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 FLASH 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM）采用工业标准的 C51 内核，在内部功能及管脚排布上与通用的 8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主 IC 内部寄存器、数据RAM 及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外5遥控信号 IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等。主要
7、管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和 VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V 电源的正负端。P0P3 为可编程通用 I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为 N1 功能控制端口，分别与 N1 的相应功能管脚相连接，13 脚定义为 IR 输入端，10 脚和 11 脚定义为 I2C 总线控制端口，分别连接 N1 的 SDAS（18 脚）和 SCLS（19 脚）端口，12 脚、27 脚及 28 脚定义为握手
8、信号功能端口，连接主板 CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。主要工作特性是：片内程序存储器内含 8KB 的 Flash 程序存储器，可擦写寿命为 1000 次；片内数据存储器内含 256 字节的 RAM；具有 32 根可编程 I/O 口线；具有 3 个可编程定时器；中断系统是具有 8 个中断源、6 个中断矢量、2 个级优先权的中断结构；串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；具有一个数据指针 DPTR；低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；具有可编程的 3 级程序锁定位；AT89C52 工作电源电压为 5（1+0.2）V，且典型值为 5V；AT89C52 最高
9、工作频率为 24MHz2、驱动电路 L297 和 L298实体图：6L297 是步进电机专用控制器，它能产生 4 相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。芯片内的 PWM 斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。该集成电路采用了 SGS 公司的模拟/数字兼容的 I2L 技术，使用 5V 的电源电压，全部信号的连接都与 TFL/CMOS 或集电极开路的晶体管兼容。L297 的芯片引脚特别紧凑，采用双列直插 20 脚塑封封装，其引脚见图 1，内部方框见图 2。内部电路图2在图 2 所示的 L297 的内部方框图中
10、。变换器是一个重要组成部分。变换器由一个三倍计算器加某些组合逻辑组成，产生一个基本的八格雷码(顺序如图 3所示)。由变换器产生 4 个输出信号送给后面的输出逻辑部分，输出逻辑提供禁止和斩波器功能所需的相序。为了获得电动机良好的速度和转矩特性，相序信7号是通过 2 个 PWM 斩波器控制电动波器包含有一个比较器、一个触发器和一个外部检测电阻，如图 4 所示，晶片内部的通用振荡器提供斩波频率脉冲。每个斩波器的触发器由振荡器的脉冲调节，当负载电流提高时检测电阻上的电压相对提高，当电压达到 Uref 时(Uref 是根据峰值负载电流而定的)，将触发器重置，切断输出，直至第二个振荡脉冲到来、此线路的输出
11、(即触发器 Q 输出)是一恒定速率的 PWM 信号，L297 的 CONTROL 端的输入决定斩波器对相位线A，B，C ，D 或抑制线 INH1 和 INH2 起作用。CONTROL 为高电平时，对A，B，C ，D 有抑制作用；为低电平时，则对抑制线 INH1 和 INH2 有抑制作用，从而可对电动机和转矩进行控制。L298 内部包含 4 通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298
12、 可接受标准 TTL 逻辑电平信号VSS，VSS 可接 457 V 电压。4 脚 VS 接电源电压，VS 电压范围 VIH 为2546 V。输出电流可达 25 A，可驱动电感性负载。1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298 可驱动 2 个电动机，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB 接控制使能端，控制电机的停转。表 1 是 L298 功能逻辑图。In3，In4 的逻辑图与表 1 相同。由表1 可知 EnA 为低电平
13、时，输入电平对电机控制起作用，当 EnA 为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。3、步进电机及对射式光电传感器H92B48步进电动是一步一步转动的，故叫步进电动机。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行。随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用将逐渐扩大。H92B4 是有高发射功率的砷化镓红外发射管和高灵敏度的光敏管组成。她是利用被检测物对光束的遮挡，由同步回路选通电路，从而检测物体有无。特点：易安装、高可靠性：
14、响应速度快，光缝 0.8mm；槽宽 4mm，脚距8.8mmm。T 法测速：记录编码器两个相邻输出脉冲的间的高频脉冲个数 M2， f0 为高频脉冲频率，9电机转速 r/min ZMf60Tn2tT法测速的分辨率：或)1(60)1(602202 ZffZfQZnfQ026法测速误差率： %101060 )1(%22max MZMfffT 法测速适用于低速段。103、软件综合设计1. 设计流程图： 总体流程图11保 护 现 场禁 止 测 速开 启 定 时 器 0产 生高 频 脉 冲 并 计 数允 许 测 速 ？恢 复 现 场中 断 返 回关 定 时 器 0， 关外 部 中 断 允 许计 算 转 速
15、并 清 零高 频 脉 冲 计 数 值是否测速流程图2. PID 两种基本算法：位置算法和增量算法，采用变频调速（1）位置算法：),()1()()()0PDIPI KjITKkeekeu（2）增量算法：)2()1(2)()1()() kekeKkeuku DIP123. 实现以上要求的控制算法（已调试正确）：#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define F 6 /表示光电码盘一圈的齿数 #define T 40 /采样周期 10ms，250us 为单位#define PID_K 2#de
16、fine PID_I 0.1 #define PID_D 0.1#define ST_cishu 50 /更新显示频率设为 0.5s，10ms 为单位sbit clk=P10; /脉冲sbit cw=P11; /转向sbit full=P12; /半步、全步sbit reset=P13;sbit duanen=P26; /段选锁存sbit weien=P27; /位选锁存sbit fuhao=P22; /正负符号位sbit dirKey = P34; /设置位移sbit plusKey = P35;sbit subKey = P36;sbit revKey = P37; /反转int Uk_1
17、 = 0;int Uk = 0;uchar posKey = 0; /屏幕显示位置标志int speed3 = 0, 0 ,0; /存速度差值int Si,n=0,m=0; /n 为转速，m 为 T 法高速脉冲个数，Si 为 m 记数允许标志位uchar time_n1=500;uchar time_n2;int speedSet,speed_set; /定时器 1 首先就输出一个电平变化，再根据 PID 输出设置 z=speed_setint speed_n=0; /用于显示的测试的速度 int outallow=1; /输出允许,第一次设置完生效，开始输出int ST_allow; /速度
18、测试允许位int ST_counter=0; /计数变量，用于计显示更新频率int fankui=0;void display(int);void delay(int);13void LED(int,int);void xiaoying(void);void readKey();void initial();void pid();void pid_f_to_time_n1();void ST_get();/*初始化*/void initial()IE=0x80; /开总中断TCON=0x01;/IT0=1 时外部中断 0 为下跳沿触发TMOD=0x21;/定时器 0 工作方式 1，定时器 1
19、工作方式 2，自动重载TH0=0xec; /定时 5ms，初值为 60536，产生高速脉冲TL0=0x78;TH1=0x06; /定时 250us，输出脉冲精度TL1=0x06;Si=0; time_n2=1;clk = 1;/*显示函数*/ void delay(int i)int x,y;for(x=i;x0;x-)for(y=1;y150) /越界处理Uk=Uk_1; void pid_f_to_time_n1() if(time_n14) /频率最高不能超过 1500Hz，设定最高为 1000Hz 250us*4=1ms time_n1 = 600 / Uk; / 步距角为 1.8 估
20、 T=1/f=0.3*n. T=250us*2*time_n1(us) Ukfelse time_n1=6;/*速度差值计算*/void delta_n()speed0 = speed1;speed1 = speed2;speed2 = speed_set-n;/*速度检测*/void ST_time() interrupt 0 /外部中断 016if (Si=0) /Si 为测试速度而设，Si=0，则记第一次，Si=1，则应关闭 TR0TR0=1;Si=1; /关闭标志，表明测量一个周期内波形完成else TR0=0;IE=IE /关定时中断 0 和外部中断 0Si=0;(int)n=600
21、00/(m*F*5);/计算转速 F 为放大系数，表示转一圈输出多少脉冲if (!fuhao)n=-n;m=0; void ST_count() interrupt 1 /定时中断 0,产生高速脉冲，10ms一次m+;if(m10000) /若转速低至 10s 一个信号，则认为转速为 0，防止 m 越界n=0;TH0=0xec;TL0=0x78;void ST_get() /获取速度函数，供外部调用IE=IE|0x03; /开定时器 0 和外部中断 0 定时器 IE设置位，EA, , ,ES,ET1,EX1,ET0,EX0/*速度输出*/void SO_time() interrupt 3 /
22、定时中断 1,用于定时输出脉冲time_n2-; /250us 一次17if (!time_n2)time_n2=time_n1; /上个脉冲完后再取新设置的值 clk=clk; fankui+;if (fankui=33)clkf=clkf;fankui=0;ST_allow+; /定时采样允许，采样周期 40*250us=10msif (ST_allow=T)ST_allow=0;ST_get(); /开中断，不会影响时间/*键盘设置函数*/void readKey()int temp = 0;if(dirKey = 0)delay(30);while(!dirKey); /放开生效，不影
23、响中断posKey = posKey + 1;if(posKey = 4)posKey = 0;speed_set=speedSet; /设置完四个数，使设置生效if(outallow) /初始为 1ET1=1; /定时 1 中断允许，开始输出脉冲TR1=1; /输出允许outallow=0; /显示18if(posKey) /在设置时才能按加减if(posKey = 1)(int)temp = speedSet/100;xiaoying();LED(temp, 2);else if(posKey = 2)(int)temp = speedSet % 100 / 10;xiaoying();L
24、ED(temp, 1);else if(posKey = 3)(int)temp = speedSet % 10;xiaoying();LED(temp, 0);if(plusKey = 0)delay(30);while(!plusKey);if(speedSet0)if(posKey = 1)if (speedSet/1000)19speedSet -= 100;else if(posKey = 2)speedSet -= 10;else if(posKey = 3)speedSet -= 1;if(revKey = 0)delay(30);while(!revKey);cw= cw;fu
25、hao=fuhao;/*主函数*/void main() initial(); /初始化while(1)readKey();if(!posKey) /没有设置转速时显示实时速度display(n); if(!outallow) /第一次设置完成可以输出if(!ST_allow) /定时采样允许，采样周期delta_n(); /采集速度后再计算速度差pid();pid_f_to_time_n1();2021设计总结通过这次课程设计实验，我对步进电机调速控制系统有了实际的了解和认识，提高了动手能力。本次实验把书本上、课堂上学到的知识灵活地运用到实际的实物上，感觉是对学以致用的一种锻炼和考验，提高了
26、用所学知识解决实际问题的能力，加深和巩固的对知识的理解和掌握。控制电路、驱动电路、测速反馈电路、步进电机几个模块的整合，也实际中提高了自己对系统的认识，有了些整体的概念和思维观。实验是团队合作完成的，从设计电路到设计软件，然后仿真，到做硬件做出符合要求的控制系统，不仅从实际中锻炼了动手能力，而且学会了团队合作，互相学习，提高自己。在做课程设计过程中碰到了些困难，陈老师的悉心指导，指点迷津，使我们受益匪浅，为实验的完成帮助甚大。最后的做实验视频，是组员对最终成果的展示，拍摄过程也为辛苦的实验增添了些乐趣。感谢陈老师的悉心指导，指点迷津。22参考文献电力拖动与控制 陈勇 等 人民邮电出版社C 程序设计 谭浩强 等 清华大学出版社自动控制原理 孙亮 等 北京工业大学出版社单片机原理及应用 张毅刚 等 高等教育出版社电力拖动自动控制系统 陈伯时 等 机械工业出版社
