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

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