论步进电动机的程序控制和闭环控制.pdf

1、步 进 电 动 机 的 程 序 控 制 和 闭 环 控 制姓 名学 号 081310317专 业 名 称 数 控 技 术班 级指 导 老 师 2010-11-26摘 要步 进 电 机 具 有 控 制 简 便 、 定 位 准 确 等 特 点 。 随 着 科 学 技 术 的 发 展 ,在 许 多 领 域 将 得 到 广 泛 的 应 用 。 鉴 于 传 统 的 脉 冲 系 统 移 植 性 不 好 ,本 文 提出 微 机 控 制 系 统 代 替 脉 冲 发 生 器 和 脉 冲 分 配 器 ,用 软 件 的 方 法 产 生 控 制脉 冲 ,通 过 软 件 编 程 可 以 任 意 设 定 步 进 电 机

2、的 转 速 、 旋 转 角 度 、 转 动 次 数和 控 制 步 进 电 机 的 运 行 状 态 。 以 简 化 控 制 电 路 ,降 低 生 产 成 本 ,提 高 系 统的 运 行 效 率 和 灵 活 性 。 在 此 基 础 上 提 出 了 双 三 拍 步 进 电 机 程 序 控 制 的 硬件 接 口 电 路 、 程 序 流 程 图 和 汇 编 程 序 。【 关 键 词 】： 单 片 机 ； 步 进 电 机 ； 光 电 开 关 ； PID算 法 ； 闭 环 控 制绪 言步 进 电 机 作 为 数 字 式 执 行 元 件 ， 具 有 成 本 低 、 易 控 制 、 定 为 方 便 和 布 局

3、误 差 不长 期 累 计 等 优 点 ， 被 广 泛 应 用 在 数 控 装 置 、 绘 图 机 你 、 机 械 手 、 印 刷 和 包 装 设 备 等工 业 领 域 中 。步 进 电 机 是 机 电 一 体 化 产 品 中 的 关 键 元 件 之 一 ， 是 一 种 性 能 良 好 的 数 字 化 执 行元 件 。 它 能 够 将 电 的 脉 冲 信 号 转 换 成 相 应 的 角 位 移 ， 是 一 种 离 散 型 自 动 化 执 行 元 件 。随 着 计 算 机 控 制 系 统 的 发 展 ， 步 进 电 动 机 广 泛 应 用 于 同 步 系 统 、 直 线 及 角 位 系 统 、点

4、位 系 统 、 连 续 轨 迹 控 制 系 统 以 及 其 它 自 动 化 系 统 中 ， 是 高 科 技 发 展 的 一 个 重 要 环节 。目 录第 一 章 步 进 电 机 .11.1步 进 电 机 的 工 作 原 理 11.2 步 进 电 机 的 特 点 .1第 二 章 步 进 电 机 程 序 控 制 的 设 计 .22.1 步 进 电 机 的 传 动 方 式 .22.1.1 三 相 单 三 拍 工 作 方 式 .22.1.2 三 相 六 拍 工 作 方 式 .22.1.3 双 三 拍 工 作 方 式 .22.2 硬 件 接 口 电 路 .32.3 脉 冲 的 形 成 .42.4 旋 转

5、 方 向 控 制 .52.5 转 速 控 制 .52.6 控 制 程 序 设 计 .6第 三 章 步 进 式 电 动 机 的 闭 环 控 制 设 计 .93.1驱 动 器 93.2电 源 接 线 93.3控 制 信 号 接 线 93.4光 电 开 关 93.5硬 件 设 计 电 路 图 103.6软 件 设 计 123.6.1控 制 算 法 比 较 123.6.2 比 例 调 节 （ P） .133.6.3比 例 微 分 调 节 （ PI） .133.6.4比 例 积 分 微 分 调 节 （ PID） 143.6.5PID控 制 算 法 .143.6.6位 置 式 PID的 控 制 算 法 1

6、53.6.7 增 量 式 PID的 控 制 算 法 .15第 四 章 数 据 处 理 和 分 析 .174.1PWM的 设 定 174.2 步 进 电 机 的 测 速 .17小 结 .18致 谢 .19参 考 文 献 .20咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 1页 ， 共 20页步 进 电 动 机 的 程 序 控 制 和 闭 环 控 制第 一 章 步 进 电 机1.1步 进 电 机 的 工 作 原 理步 进 电 机 是 将 电 脉 冲 信 号 转 变 为 角 位 移 或 线 位 移 的 执 行 机 构 。 在 非 超 载 的 情 况下 ， 电 机 的

7、转 速 、 停 止 的 位 置 只 取 决 于 脉 冲 信 号 的 频 率 和 脉 冲 数 ， 而 不 受 负 载 变 化的 影 响 ， 即 给 电 机 加 一 个 脉 冲 信 号 ， 电 机 则 转 过 一 个 步 距 角 。 这 一 线 性 关 系 的 存 在 ，加 上 步 进 电 机 只 有 周 期 性 的 误 差 而 无 累 积 误 差 等 特 点 ， 使 得 在 速 度 、 位 置 等 控 制 领域 用 步 进 电 机 来 控 制 变 的 非 常 的 简 单 。1.2 步 进 电 机 的 特 点本 实 验 所 用 的 步 进 电 机 为 感 应 子 式 步 进 电 机 （ 型 号 为

8、 42BYG016） 。 感 应 子 式 步进 电 机 与 传 统 的 反 应 式 步 进 电 机 相 比 ， 结 构 上 转 子 加 有 永 磁 体 ， 以 提 供 软 磁 材 料 的工 作 点 ， 而 定 子 激 磁 只 需 提 供 变 化 的 磁 场 而 不 必 提 供 磁 材 料 工 作 点 的 耗 能 ， 因 此 该电 机 效 率 高 ， 电 流 小 ， 发 热 低 。 因 永 磁 体 的 存 在 ， 该 电 机 具 有 较 强 的 反 电 势 ， 其 自身 阻 尼 作 用 比 较 好 ， 使 其 在 运 转 过 程 中 比 较 平 稳 、 噪 音 低 、 低 频 振 动 小 。感

9、应 子 式 步 进 电 机 某 种 程 度 上 可 以 看 作 是 低 速 同 步 电 机 。 一 个 四 相 电 机 可 以 作四 相 运 行 ， 也 可 以 作 二 相 运 行 。 （ 必 须 采 用 双 极 电 压 驱 动 ） ， 而 反 应 式 电 机 则 不 能 如此 。 例 如 ： 四 相 八 拍 运 行 （ A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A） 完 全 可 以 采 用 二 相 八 拍 运行 方 式 .不 难 发 现 其 条 件 为 C=,D=. 一 个 二 相 电 机 的 内 部 绕 组 与 四 相 电 机 完 全 一 致 ，小 功 率 电 机 一 般 直 接 接 为 二

10、 相 ， 而 功 率 大 一 点 的 电 机 ， 为 了 方 便 使 用 ， 灵 活 改 变 电机 的 动 态 特 点 ， 往 往 将 其 外 部 接 线 为 八 根 引 线 （ 四 相 ） ， 这 样 使 用 时 ， 既 可 以 作 四 相电 机 使 用 ， 可 以 作 二 相 电 机 绕 组 串 联 或 并 联 使 用 。 （ 本 实 验 采 用 两 相 四 拍 ）咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 2页 ， 共 20页第 二 章 步 进 电 机 程 序 控 制 的 设 计2.1 步 进 电 机 的 传 动 方 式2.1.1 三 相 单 三 拍 工

11、 作 方 式在 这 种 工 作 方 式 下 ,A、 B、 C三 相 轮 流 通 电 ,电 流 切 换 三 次 ,磁 场 旋 转 一 周 ,转 子 向前 转 过 一 个 齿 距 角 。 因 此 这 种 通 电 方 式 叫 做 三 相 单 三 拍 工 作 方 式 。 这 时 步 距 角 b(度 )为 b=360/m z ( )(2-1)式 中 :m 定 子 相 数 ;z 转 子 齿 数2.1.2 三 相 六 拍 工 作 方 式在 这 种 工 作 方 式 下 ,首 先 A相 通 电 ,转 子 齿 与 A相 定 子 齿 对 齐 。 第 二 拍 ,A相 继 续通 电 ,同 时 接 通 B相 ,A、 B各

12、 自 建 立 的 磁 场 形 成 一 个 合 成 磁 场 ,这 时 转 子 齿 既 不 对 准 A相 也 不 对 准 B相 ,而 是 对 准 A、 B两 极 轴 线 的 角 等 分 线 ,使 转 子 齿 相 对 于 A相 定 子 齿转 过 1/6齿 距 ,即 1.5 。 第 三 拍 ,A相 切 断 ,仅 B相 保 持 接 通 。 这 时 ,由 B相 建 立 的 磁场 与 单 三 拍 时 B相 通 电 的 情 况 一 样 。 依 次 类 推 ,绕 组 以 AABBBCCCAA时 序 (或 反 时 序 )转 换 6次 ,磁 场 旋 转 一 周 ,转 子 前 进 一 个 齿 距 ,每 次 切 换 均

13、 使 转 子 转 动 1.5 ,故 这 种 通 电 方 式 称 为 三 相 六 柏 工 作 方 式 。 其 步 距 角 b 为 : b=360/2m z=180/m z ( )(2-2)2.1.3 双 三 拍 工 作 方 式这 种 工 作 方 式 每 次 都 是 有 两 相 导 通 ,两 相 绕 组 处 在 相 同 电 压 之 下 ,以 AB BCCA AB(或 反 之 )方 式 通 电 ,故 称 为 双 三 拍 工 作 方 式 。 以 这 种 方 式 通 电 ,转 子 齿 所 处 的位 置 相 当 于 六 拍 控 制 方 式 中 去 掉 单 三 拍 后 的 三 个 位 置 。 它 的 步 距

14、 角 计 算 公 式 与 单 三拍 时 的 公 式 相 同 。由 上 述 分 析 可 知 ,要 使 磁 阻 式 步 进 电 机 具 有 工 作 能 力 ,最 起 码 的 条 件 是 定 子 极 分度 角 不 能 被 齿 距 角 整 除 ,且 应 满 足 下 列 方 程 :极 分 度 角 /齿 距 角 =R+k 1/m进 一 步 化 简 得 齿 数 z:咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 3页 ， 共 20页z=q(m R+k) (2-3)式 中 :m 相 数 ;q 每 相 的 极 数 ;k (m -1)的 正 整 数 ;R 正 整 数 ,为 0、 1、

15、 2、 3 。按 选 定 的 相 数 和 不 同 的 极 数 ,由 上 式 就 可 推 算 出 转 子 齿 数 。因 为 三 相 双 三 拍 步 进 电 机 不 易 失 步 ,控 制 精 度 比 较 高 ,所 以 本 文 对 三 相 双 三 拍 步进 电 机 进 行 控 制 ,定 子 有 三 对 磁 极 ,运 行 时 两 相 同 时 通 电 ,循 环 带 动 转 子 转 动 。2.2 硬 件 接 口 电 路传 统 的 步 进 电 机 控 制 系 统 采 用 硬 件 进 行 控 制 ,用 一 个 脉 冲 发 生 器 产 生 频 率 变 化的 脉 冲 信 号 ,再 经 一 个 脉 冲 分 配 器

16、把 方 向 控 制 信 号 和 脉 冲 信 号 转 换 成 有 一 定 逻 辑 关系 的 环 形 脉 冲 ;经 驱 动 电 路 放 大 后 就 可 以 来 驱 动 步 进 电 机 了 。 在 这 种 控 制 中 ,步 进 电机 的 脉 冲 由 硬 件 电 路 产 生 ,如 果 系 统 发 生 变 化 或 使 用 不 同 类 型 的 步 进 电 机 ,需 重 新 设计 硬 件 电 路 ,系 统 的 可 移 植 性 不 好 。用 微 机 控 制 系 统 代 替 脉 冲 发 生 器 和 脉 冲 分 配 器 ,就 可 以 根 据 系 统 需 要 通 过 软 件编 程 的 方 法 任 意 设 定 步 进

17、 电 机 的 转 速 、 旋 转 角 度 、 转 动 次 数 和 控 制 步 进 电 机 的 运 行状 态 。 这 样 可 简 化 控 制 电 路 ,降 低 生 产 成 本 ,提 高 系 统 的 运 行 效 率 和 灵 活 性 。 图 2.1为 单 片 机 控 制 步 进 电 机 接 口 原 理 图 。图 2.1 单 片 机 控 制 步 进 电 机 接 口 电 路 原 理 图咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 4页 ， 共 20页2.3 脉 冲 的 形 成实 现 对 步 进 电 机 的 控 制 ,微 机 应 能 输 出 有 一 定 周 期 的 控 制

18、脉 冲 。步 骤 是 :先 输 出 一 个 高 电 平 ,延 时 一 段 时 间 后 ,再 输 入 一 个 低 电 平 ,然 后 再 延 时 。 改变 延 时 时 间 的 长 短 ,即 可 改 变 脉 冲 的 周 期 ,脉 冲 的 周 期 由 步 进 电 机 的 工 作 频 率 确 定 。用 软 件 形 成 环 形 脉 冲 的 程 序 流 程 图 如 图 2.2所 示 。图 2.2 软 件 法 形 成 脉 冲 序 列 的 程 序 流 程程 序 如 下 :PULSE:MOV R3,#NUMPUSHAPUSHPSWLOOP:SETBP1.0ACALLDELAY1CLRP1.0咸 阳 职 业 技 术

19、 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 5页 ， 共 20页ACALLDELAY2DJNZR3,LOOPPOPPSWPOPARET2.4 旋 转 方 向 控 制步 进 电 机 的 旋 转 方 向 和 内 部 绕 组 的 通 电 顺 序 及 通 电 方 式 有 密 切 关 系 。对 于 三 相 双 三 拍 工 作 方 式 :正 相 旋 转 :AB BC CA AB反 相 旋 转 :AB CA BC AB三 相 双 三 拍 控 制 模 型 如 表 2.1所 示 。2.5 转 速 控 制控 制 步 进 电 机 的 运 行 速 度 ,实 际 上 是 控 制 系 统 发 出 时 钟 脉

20、冲 的 频 率 或 换 相 的 周咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 6页 ， 共 20页期 ,即 在 升 速 过 程 中 ,使 脉 冲 的 输 出 频 率 逐 渐 增 加 ;在 减 速 过 程 中 ,使 脉 冲 的 输 出 频 率逐 渐 减 少 。 脉 冲 信 号 的 频 率 可 以 用 软 件 延 时 和 硬 件 中 断 两 种 方 法 来 确 定 。采 用 软 件 延 时 ,一 般 是 根 据 所 需 的 时 间 常 数 来 设 计 一 个 子 程 序 ,该 程 序 包 含 一 定的 指 令 ,设 计 者 要 对 这 些 指 令 的 执 行 时

21、间 进 行 严 密 的 计 算 或 者 精 确 的 测 试 ,以 便 确 定延 时 时 间 是 否 符 合 要 求 。 每 当 延 时 子 程 序 结 束 后 ,可 以 执 行 下 面 的 操 作 ,也 可 用 输 出 指令 输 出 一 个 信 号 作 为 定 时 输 出 。 采 用 软 件 定 时 ,CPU一 直 被 占 用 ,因 此 CPU利 用 率 低 。可 编 程 的 硬 件 定 时 器 直 接 对 系 统 时 钟 脉 冲 或 某 一 固 定 频 率 的 时 钟 脉 冲 进 行 计 数 ,计 数 值 则 由 编 程 决 定 。 当 计 数 到 预 定 的 脉 冲 数 时 ,产 生 中

22、断 信 号 ,得 到 所 需 的 延 时 时 间或 定 时 间 隔 。 由 于 计 数 的 初 始 值 由 编 程 决 定 ,因 而 在 不 改 动 硬 件 的 情 况 下 ,只 通 过 程 序变 化 即 可 满 足 不 同 的 定 时 和 计 数 要 求 ,因 此 使 用 很 方 便 。2.6 控 制 程 序 设 计控 制 程 序 的 设 计 方 法 是 :通 过 标 志 位 FLAG 来 判 断 电 机 的 旋 转 方 向 ,然 后 输 出 相应 的 控 制 脉 冲 序 列 ;判 断 要 求 的 脉 冲 信 号 是 否 输 出 完 毕 。三 相 双 三 拍 控 制 模 型 完 成 的 步

23、进 电 机 控 制 程 序 设 计 如 下 :三 相 双 三 拍 控 制 程 序 流 程 图 如 图 2.3 和 图 2.4所 示 。正 转 控 制 模 型 03H、 06H、 05H存 放 在 以 RM为 起 始 地 址 的 内 存 单 元 中 ,反 转 控 制 模型 03H、 05H、 06H存 放 在 以 LM为 起 始 地 址 的 内 存 单 元 中 。咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 7页 ， 共 20页图 2.3主 程 序 流 程 图图 2.4定 时 器 中 断 服 务 程 序 流 程 图主 程 序 如 下 :CON:MOV R3,#NM

24、OVTMOD,#10HMOVTL1,#LOWMOVTH1,#HIGH咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 8页 ， 共 20页JNBFLAG,LEFTMOVR0,RMAJMPTIME-SLEFT:MOVR0,LMTIME:SETBEASETBET1SETBTR1WAIT:SJMPWAIT中 断 服 务 程 序 如 下 :INTTO:PUSH APUSHPSWMOVA,R0MOVP1,AINCR0MOVA,#00HXRLA,R0JNZNEXTMOVA,R0CLRCSUBBA,#03HMOVR0,ANEXT:DJNZR3,RETUCLRET1CLREARET

25、U:POPPSWPOPARETI咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 9页 ， 共 20页第 三 章 步 进 式 电 动 机 的 闭 环 控 制 设 计3.1驱 动 器由 于 单 片 机 的 I/O不 具 有 直 接 驱 动 步 进 电 机 的 能 力 ， 故 在 本 系 统 中 需 要 步 进 电机 驱 动 器 ， 我 们 选 择 驱 动 器 为 KD-221， 该 驱 动 器 具 有 输 入 电 压 范 围 广 ， 控 制 信 号输 入 方 式 多 样 等 特 点 。 其 具 体 接 法 如 下 ：3.2电 源 接 线 、 E高 ： 当 驱 动 电

26、压 大 于 10V时 ， 正 极 接 此 座 ， 使 用 时 最 大 不 能 大 于 40V，以 防 损 坏 模 块 。 、 E低 ： 当 驱 动 电 压 小 于 10V时 ， 正 极 接 此 座 。 、 地 ： 驱 动 电 压 E高 、 E低 的 的 负 极 接 此 座 。 、 A,:接 电 机 A相 线 圈 的 二 根 引 线 。 、 B,:接 电 机 B相 线 圈 的 二 根 引 线 。3.3控 制 信 号 接 线 、 CP:接 控 制 器 发 给 步 进 电 机 的 走 步 脉 冲 信 号 线 。 、 CW:接 控 制 器 发 给 步 进 电 机 的 走 步 方 向 信 号 线 。 、

27、 VP:接 CP和 CW信 号 的 负 极 ， 即 逻 辑 电 路 电 源 的 负 极 。 、 本 驱 动 器 内 部 设 计 接 收 信 号 为 RTTL电 平 ， 即 5V 电 平 ， 如 其 它 逻 辑 电 平信 号 需 要 接 限 流 电 阻 ， 否 则 可 能 损 坏 光 耦 元 件 。3.4光 电 开 关本 系 统 中 所 用 传 感 器 为 EE-EX672关 电 开 关 ， 该 传 感 器 为 开 关 型 传 感 器 ， 四 个接 线 脚 分 别 为 “ +， L,OUT,-” 其 输 入 电 压 范 围 广 为 直 流 5-24V,L为 控 制 指 示 端 ， 当“ L” 与

28、 “ +” 相 连 时 ， 传 感 器 未 检 测 到 物 体 时 LED灯 发 光 ， 当 “ L” 悬 空 时 则 相 反 ，其 特 点 为 :1. 动 作 模 式 备 有 遮 光 时 ON/入 光 时 ON(可 切 换 型 )2. 应 答 频 率 为 1KHZ的 高 速 响 应3. 入 光 显 示 灯 明 显 ,容 易 进 行 动 作 确 认 .咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 10页 ， 共 20页4. 电 源 电 压 为 DC-24V的 广 范 围5. 备 有 遮 光 时 入 光 显 示 灯 灯 亮 型其 连 接 电 路 如 下 图 所 示

29、 ：“ L” 与 “ +” 相 连 时 ， 传 感 器 未 检 测 到 物 体 时 LED灯 发 光 。“ L” 悬 空 传 感 器 检 测 到 物 体 时 LED灯 发 光 。3.5硬 件 设 计 电 路 图下 图 中 为 单 片 机 的 最 小 系 统 ,其 P0.0-P0.7口 分 别 连 接 到 LCD1602的 D0-D7引 脚 ,与 P2.5,P2.6， P2.7 相 连 的 按 键 开 关 分 别 控 制 步 进 电 机 的 正 反 转 ,加 速 ,减速 ,P2.0,P2.1,P2.2分 别 接 LCD1602的 RS,RW,E引 脚 。咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工

30、 程 系 数 控 专 业 论 文第 11页 ， 共 20页下 图 中 为 电 机 驱 动 部 分 。 驱 动 电 压 为 +12V,用 单 片 机 的 P1.0与 电 机 驱 动 器 的 CW相 连 控 制 单 片 机 的 转 向 ,P1.1与 电 机 驱 动 器 的 CP相 连 ,给 驱 动 器 输 入 脉 冲 。 a,b,c,d分别 接 入 步 进 电 机 。 SX-672为 检 测 转 速 的 传 感 器 外 接 +5V 驱 动 电 压 ,输 出 接 入 单 片 机的 T1脚 。咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 12页 ， 共 20页3.6软

31、件 设 计3.6.1控 制 算 法 比 较PID控 制 原 理 PID调 节 器 由 比 例 调 节 器 (P)， 积 分 调 节 器 (I)和 微 分 调 节 器 (D) 构成 ， 它 通 过 对 偏 差 值 的 比 例 积 分 和 微 分 运 算 后 ， 用 计 算 所 得 的 控 制 量 来 控 制 被 控 对象 。 图 1所 示 为 PID控 制 系 统 框 图 。咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 13页 ， 共 20页图 1PID控 制 系 统 框 图3.6.2 比 例 调 节 （ P）比 例 调 节 是 数 字 控 制 中 最 简 单 的

32、 一 种 调 节 方 法 。 其 特 点 是 调 节 器 的 输 出 与 控 制偏 差 e成 线 性 比 例 关 系 ， 控 制 规 律 为 ：0*py k e y (1)式 中 ： -比 例 系 数 ， -偏 差 e为 零 时 调 节 器 的 输 出 值 当 输 出 值 S与 设 定 的 期 望 值 R间 产 生 偏 差 时 ， 比 例 调 节 器 会 自 动 调 节 控 制 变 量y(如 为 控 制 阀 门 的 开 度 )的 大 小 。 控 制 变 量 y的 大 小 会 朝 着 减 小 偏 差 e的 方 向 变 化 比例 系 数 的 大 小 决 定 了 比 例 调 节 器 调 节 的 快

33、慢 程 度 ,大 调 节 器 调 节 的 速 度 快 ， 但 过 大 会使 控 制 系 统 出 现 超 调 或 振 荡 现 象 。 小 调 节 器 调 节 的 速 度 慢 ， 但 过 小 又 起 不 到 调 节 作用 。 另 外 ， 虽 然 比 例 调 节 器 控 制 规 律 简 单 ， 控 制 参 数 易 于 整 定 ， 但 缺 点 是 它 只 能 在一 种 负 载 情 况 下 实 现 无 静 差 值 的 调 节 ， 当 负 载 变 化 时 ， 除 非 重 新 调 整 相 应 的 )， 值 的大 小 ， 否 则 控 制 系 统 将 会 产 生 无 法 消 除 的 静 差 值 。3.6.3比

34、例 微 分 调 节 （ PI）比 例 调 节 器 的 主 要 缺 点 是 存 在 无 法 消 除 的 静 差 值 ， 影 响 了 调 节 精 度 为 了 消 除静 差 值 ， 在 比 例 调 节 器 的 基 础 上 并 人 一 个 积 分 调 节 器 构 成 比 例 积 分 调 节 器 ， 其 调 节规 律 可 用 下 列 (2)式 表 示 001( )tp iy k e edt yT （ 2）式 中 ： 为 积 分 常 数 ， 它 的 物 理 意 义 是 当 调 节 器 积 分 调 节 作 用 与 比 例 调 节 作 用 的输 出 相 等 时 所 需 的 调 节 时 间 称 为 积 分 常

35、数 。 积 分 常 数 的 大 小 决 定 了 积 分 作 用 强 弱 程度 ， 选 择 的 越 小 ， 积 分 的 调 节 作 用 越 强 ， 但 系 统 振 荡 的 衰 减 速 度 越 慢 。 当 过 小 时 甚至 会 造 成 系 统 的 持 续 振 荡 ， 使 调 节 器 的 输 出 波 动 不 定 ， 给 生 产 过 程 带 来 严 重 的 危 害 。相 反 地 当 选 择 的 越 大 ， 积 分 的 调 节 作 用 越 弱 ， 虽 然 过 渡 过 程 中 不 容 易 出 现 振 荡 现 象 ，但 消 除 偏 差 e的 时 间 却 很 长 。 积 分 调 节 对 偏 差 有 累 积 作

36、 用 ， 所 以 ， 只 要 有 偏 差 e存在 积 分 的 调 节 作 用 就 会 不 断 地 增 强 ， 直 至 消 除 比 例 调 节 器 无 法 消 除 的 静 差 值 。咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 14页 ， 共 20页3.6.4比 例 积 分 微 分 调 节 （ PID）加 入 积 分 调 节 后 ， 虽 可 消 除 静 差 ， 使 控 制 系 统 静 态 特 性 得 以 改 善 ， 但 由 于 积 分调 节 器 输 出 值 的 大 小 是 与 偏 差 值 e的 持 续 时 间 成 正 比 的 ， 这 样 就 会 使 系 统 消 除

37、 静 差的 调 节 过 程 变 慢 ， 由 此 带 来 的 是 系 统 的 动 态 性 能 变 差 尤 其 是 当 积 分 常 数 很 大 时 ，情 况 更 为 严 重 。 另 外 ， 当 系 统 受 到 冲 激 式 偏 差 冲 击 时 ， 由 于 偏 差 的 变 化 率 很 大 ， 而PI调 节 器 的 调 节 速 度 又 很 慢 ， 这 样 势 必 会 造 成 系 统 的 振 荡 ， 给 生 产 过 程 带 来 很 大 的危 害 改 善 的 方 法 是 在 比 例 积 分 调 节 的 基 础 上 再 加 人 微 分 调 节 ， 构 成 比 例 积 分 微 分调 节 器 (PID)。 其 调

38、 节 规 律 可 用 (3)式 表 示 。 001( )t ep di tdy k e edt T yT d （ 3）式 中 ： 为 微 分 常 数 ， 它 的 物 理 意 义 是 当 调 节 器 微 分 调 节 作 用 与 比 例 调 节 作 用 的输 出 相 等 时 所 需 的 调 节 时 间 称 为 微 分 常 数 3.6.5 PID 控 制 算 法单 片 机 控 制 系 统 通 过 A D电 路 检 测 输 出 值 s， 并 计 算 偏 差 e和 控 制 变 量 y， 再经 D A转 换 后 输 出 给 执 行 机 构 ， 从 而 实 现 缩 小 或 消 除 输 出 偏 差 的 目 的

39、 ， 使 系 统 输 出值 s稳 定 在 给 定 值 区 域 内 。 在 计 算 机 控 制 过 程 中 ， 整 个 计 算 过 程 采 用 的 是 数 值 计 算方 法 ， 当 采 样 周 期 足 够 小 时 ， 这 种 数 值 近 似 计 算 相 当 谁 确 ， 使 离 散 的 被 控 过 程 与 连续 过 程 相 当 接 近 。 图 2 为 单 片 机 闭 环 控 制 系 统 框 图 J。 PID 算 法 是 将 描 述 连 续 过 程的 微 分 方 程 转 化 为 差 分 方 程 ， 然 后 ， 根 据 差 分 方 程 编 制 计 算 程 序 来 进 行 控 制 计 算 的 。另 外

40、在 PID控 制 中 ， 由 于 PID 算 式 选 择 的 不 同 ， 最 终 所 得 到 的 控 制 效 果 是 不 同 的 。下 面 进 行 PID控 制 算 法 的 研 究 。图 5 单 片 机 闭 环 控 制 系 统 框 图咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 15页 ， 共 20页3.6.6位 置 式 PID的 控 制 算 法如 前 所 述 PID调 节 的 微 分 方 程 为 ： 001( )t ep di tdy k e edt T yT d 将 此 微 分 方 程 写 成 对 应 的 差 分 方 程 形 式 1 001 ( )n n n

41、n p n k dki e ey k e e T T yT T （ 4）式 中 ：-第 n次 采 样 周 期 内 所 获 得 的 偏 差 信 号 ； -第 n-1次 采 样 周 期 内 所 获 得 的 偏 差 信号 ； T-采 样 周 期 ； -调 节 器 第 rt次 控 制 变 量 的 输 出 ；为 了 编 写 计 算 机 程 序 的 方 便 ， 现 将 算 式 (4)写 成 下 列 形 式1 00 ( )nn p n a k b n nky k e k e k e e y （ 5）式 中 ： *pa ik Tk T ， *p db k Tk T因 为 采 样 周 期 T， 积 分 常 数

42、和 微 分 常 数 选 定 后 皆 为 常 数 ， 因 此 及 必 为 常 。 当 调 整参 数 改 善 控 制 性 能 时 ， 也 只 须 调 整 、 和 的 大 小 即 可 。3.6.7 增 量 式 PID的 控 制 算 法在 位 置 式 PID控 制 算 法 中 ， 每 次 的 输 出 与 控 制 偏 差 e过 去 整 个 变 化 过 程 相 关 ，这 样 由 于 偏 差 的 累 加 作 用 很 容 易 产 生 较 大 的 累 积 偏 差 ， 使 控 制 系 统 出 现 不 良 的 超 调现 象 。由 算 式 (4)可 得 ： 1 2 22 2 001 ( )n n nn p n k d

43、ki e ey k e e T T yT T （ 6）用 (4)式 减 去 (6)式 ， 可 得 增 量 式 PID的 算 式 ：1 1 2( ) * ( 2 )dn p n n n n n ni TTy k e e e e e eT T （ 7）其 中 ， 1n n ny y y 为 了 编 写 程 序 方 便 ， 将 (7)式 改 写 成 下 列 形 式 ：咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 16页 ， 共 20页1 2* * *n n n ny A e B e C e （ 8）式 中 ： (1 )dp i TTA k T T ， (1 2 )dp

44、 TB k T ， * dp TC k T从 增 量 式 PID的 算 式 中 可 知 ， 只 要 知 道 了 现 时 以 前 的 三 次 采 样 周 期 内 的 偏 差 信号 ， 即 可 计 算 出 本 次 采 样 周 期 内 的 控 制 变 量 y的 增 量 。综 合 以 上 分 析 ， 我 们 采 用 增 量 式 PID算 法 ，本 系 统 的 软 件 控 制 算 法 主 要 采 用 了 增 量 式 PID 控 制 算 法 。 其 控 制 算 法 的 流 程 图为 ：咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 17页 ， 共 20页第 四 章 数 据 处

45、 理 和 分 析4.1 PWM 的 设 定我 们 通 过 设 定 PWM来 控 制 步 进 电 机 的 转 速 。 当 T=6S时 ， 我 们 通 过 试 凑 的 方 法 了解 到 ， 当 PWM=1/300时 ， 所 给 步 进 电 机 刚 好 启 动 ， 当 PWM=1/17时 ， 步 进 电 机 速 度 达到 最 大 。4.2 步 进 电 机 的 测 速我 们 通 过 用 软 件 设 定 一 个 转 速 ， 然 后 与 用 光 电 开 关 采 集 回 来 的 速 度 相 比 较 ， 采用 闭 环 的 PID 控 制 来 达 到 步 进 电 机 稳 定 调 速 的 目 的 。 我 们 在

46、程 序 中 设 定 转 速 为 72rpm， 通 过 与 P3.2采 集 回 来 的 数 据 相 比 较 ， 当 采 集 回 来 的 数 据 小 于 72rpm时 ， 我 们通 过 改 变 PID的 相 应 的 参 数 （ =1.2， =1.1 ， =0.9） 来 调 节 电 机 的 转 速 ， 让 步 进 电 机的 转 速 加 起 来 ， 使 之 与 72rpm相 吻 合 。 同 样 ， 当 采 集 回 来 的 数 据 大 于 72rpm时 ， 也改 变 PID的 相 应 的 参 数 来 调 节 电 机 的 转 速 ， 让 步 进 电 机 的 转 速 加 起 来 ， 使 之 与 72rpm相

47、 吻 合 。咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 18页 ， 共 20页小 结步 进 电 机 是 机 电 一 体 化 产 品 中 的 关 键 组 件 之 一 ,是 一 种 性 能 良 好 的 数 字 化 执 行元 件 。 随 着 计 算 机 应 用 技 术 、 电 子 技 术 和 自 动 控 制 技 术 在 国 民 经 济 各 个 领 域 中 的 普及 与 深 入 ,步 进 电 机 的 需 要 量 越 来 越 大 。 有 资 料 说 明 ,世 界 上 步 进 电 机 的 年 产 量 以 10%以 上 的 速 度 增 长 。 国 内 对 步 进 电 机 的

48、 需 求 同 样 也 与 日 俱 增 。 实 际 工 作 中 ,很 多 工 程 技术 人 员 和 技 术 工 人 都 希 望 比 较 全 面 地 了 解 步 进 电 机 及 其 控 制 技 术 。本 文 对 步 进 电 机 的 控 制 方 法 进 行 了 详 细 的 论 述 ,包 括 硬 件 接 口 的 设 计 、 软 件 方 案的 设 计 和 汇 编 控 制 程 序 的 编 写 。 此 种 方 法 高 效 、 方 便 、 成 本 低 廉 ,在 实 际 应 用 中 有 着很 高 的 利 用 价 值 。咸 阳 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 数 控 专 业 论 文第 19页 ， 共

49、20页致 谢感 谢 我 的 导 师 刘 老 师 ， 她 严 谨 细 致 、 一 丝 不 苟 的 作 风 一 直 是 我 工 作 、 学 习 中 的榜 样 ； 她 循 循 善 诱 的 教 导 和 不 拘 一 格 的 思 路 给 予 我 无 尽 的 启 迪 。 这 篇 论 文 的 每 个 实验 细 节 和 每 个 数 据 ， 都 离 不 开 你 的 细 心 指 导 。 而 你 开 朗 的 个 性 和 宽 容 的 态 度 ， 帮 助我 能 够 很 快 的 融 入 我 们 这 个 新 的 实 验 室 。 感 谢 我 的 室 友 们 ， 从 遥 远 的 家 来 到 这 个 陌生 的 城 市 里 ， 是 你 们 和 我 共 同 维 系 着 彼 此 之 间 兄 弟 般 的 感 情 ， 维 系 着 寝 室 那 份 家 的融 洽 。 三 年 了 ， 仿 佛 就 在 昨 天 。 三 年 里 ， 我 们 没