毕业设计（论文）-步进电机指数规律升降速的单片机控制系统设计（全套图纸）(57页).doc

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1、-毕业设计（论文）-步进电机指数规律升降速的单片机控制系统设计（全套图纸）-第 39 页四 川 理 工 学 院毕 业 设 计（论 文）说 明 书题 目 步进电机指数规律升降速的 单片机控制系统设计 学 生 系 别 机 电 工 程 系 专 业 班 级 机械设计制造及自动化机电03.1班学 号 指 导 老 师 四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 步进电机指数规律升降速的单片机控制系统设计 系： 机电工程系 专业： 机电一体化 班级：2003级1班 学号： 030110119 学生： 指导教师： 接受任务时间 2007.03.05 教研室主任 （签名）系主任 （签名）1毕

2、业设计（论文）的主要内容及基本要求用单片机对步进电机进行三相六拍的控制，通过软硬件设计，实现电机指数规律升降速。(1) 系统总体方案拟定；(2) 数学模型建立，求控制算法；(3) 硬件设计；(4) 软件设计；编写设计说明书，完成系统控制硬件图1张 A 2；2指定查阅的主要参考文献及说明(1) 机电一体化系统设计 (2) 计算机控制系统分析与设计(3) 单片机应用设计 (4) 电子电工技术(5) C语言程序设计 (6) 机床电气控制3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1查阅资料，进行总体方案拟定，完成开题报告07.03.05-07.03.202建立系统数学模型，求控制算法 07.03.

3、20-07.04.153进行硬件设计，软件设计 07.04.15-07.05.204编写设计说明书 07.05.22-07.06.055准备毕业答辩 07.06.06-07.06.24注：本表在学生接受任务时下达摘 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

4、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 语言全套图纸，加153893706ABSTRACTAccording to torque vs. speed characteristic of stepping motor, the higher startup speed

5、 is, the smaller startup torque is and then the worse the capability of driving load is. When the startup speed is higher, stepping motor will lose steps. While stopping, it will also lose steps because of inertia. So, it needs to take speed control measures on control of stepping motor. Mathematic

6、model of the system is educed by dynamics equation and torque vs. speed characteristic of stepping motor. It adopts speed control arithmetic of exponential rule and deals with process of acceleration and deceleration via discrete method. Single-chip microcomputer that is the core of system controls

7、stepping motor. The system is programmed by C51 language. The test system is designed to test the rotate speed and steps of stepping motor. Finally, according to the direction of LED display, running steps and speed are input by keyboard. The systems run is controlled by functional keys. Stepping mo

8、tor will run to the given steps if the “start” key is pressed. Meanwhile, stepping motor will stop if the “stop” key is pressed during its running. The research shows: the method of acceleration and deceleration via exponential rule will greatly improve the highest running frequency of stepping moto

9、r and shorten the acceleration and deceleration time.Keywords: stepping motor; single-chip microcomputer; speed control; C51 language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32.1控制方案论证与比较32.1.1步进电机控制系统的构成32.1.2步进电机的串行和并行控制32.2步进电机工作原理和动态特性分析42.2.1反应式步进电机原理42.2.2 步进电机的动态特性62.3步进电机升降速控制讨论72.3.1步进电机的失步72

10、.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93.1 步进电机升速的控制算法93.2 步进电机升速过程的离散处理113.3 步进电机降速过程的离散处理123.4 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144.1 系统的硬件结构144.2 系统的硬件设计154.2.1 微处理器及存储器的配置154.2.2 键盘与显示接口电路的设计164.2.3 定时和报警电路的设计204.2.4步进电机的脉冲分配214.2.5 扩展存储器及扩展芯片地址的确定244.3 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265.1 软件结构设计265.2 系统的程序流程2

11、85.3 程序设计问题分析385.3.1 程序的初始化及变量的定义385.3.2 存储类型与存储模式的定义395.3.3 编译预处理的定义405.3.4 数组查表功能405.3.5 中断服务函数的定义415.3.6 有关定时器精确定时的实现425.3.7 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456.1 光电编码器的工作原理456.2 检测系统的硬件设计456.3 检测系统的软件设计476.3.1 检测系统的流程图486.3.1 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

12、进电机检测系统程序63符号说明 阻尼系数 通电状态系数 脉冲频率 Hz 匀速运行时的频率 Hz 负载转矩下的最高运行频率 Hz 负载转矩下的最高启动频率 Hz 空载下的最高启动频率 Hz 每档的频率 Hz 转动惯量 步进电机的相数 脉冲数 每档脉冲数 步进电机转速 r/min 转盘的窄缝数 转矩 Nm 负载转矩 Nm 电机输出转矩 Nm 最大转矩 Nm 时间 s 转子齿数 转子的位置角 步距角 时间常数 s 角速度 第一章 绪 论步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的机械角位移的机电执行元件。它具有工作状态不易受影响；控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”； 没有积累误差等特点，因此被广

13、泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较好的位置精度，如各类数控机床、光学测量仪器、打印机、磁盘驱动器等。随着单片机控制技术的不断发展，基于单片机的步进电机控制系统广泛应用于各机械智能仪器和装备中，步进电机也成为主要的电气执行元件之一。在数控点-位控制系统中，从起点至终点的运行速度都有一定要求。如果要求运行频率(速度)小于系统的极限起动频率，则系统可以按要求的频率(速度)直接起动，运行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。系统在这样的运行方式下其速度可认为是恒定的。但在一般情况下，系统的极限起动频率是比较低的，而要求的运行速度往往较高。从步进电机的矩-频特性可知，步进电机的转

14、矩随着脉冲频率的上升而下降，启动频率越高，启动转矩越小，带动负载的能力越差，当启动频率较高并已超过极限起动频率会发生丢步或根本不能起动的情况，停止时又会发生过冲。所以，步进电机的升降速是精确控制步数和速度的关键问题，如果升降过程脉冲频率变化不合理，会造成升降时间延长，电机失步，力矩达不到要求等严重后果。以前一般的升降速规律设计，常选用直线规律升降速，这种控制方法简单，但是由于它的脉冲变化有个恒定的加速度，所以它不能保证在升降速的过程中步进电机转子的角加速度的变化和它的输出力矩变化相适应，不能很好的发挥电机的加速性能。因此有必要对脉冲频率进行合理性的研究和论证，寻求一种较理想的指数升降速曲线，使

15、步进电机在运行的过程中能够快速定位，并且运行步数准确。理想的升降速曲线是指数规律曲线，本文就是由步进电机的动力学方程和矩-频特性曲线推导出的指数规律的升降速控制算法，这样能够使得频率增高时，保证输出最大的力矩，能充分发挥步进电机的工作性能，使系统具有良好的动态特性。在完成升降速曲线的参数计算得出升降速控制算法后，将要完成以下工作以具体实现单片机对步进电机升降速的并行控制。1.本系统用单片机来实现步进电机升降速过程的控制，首先对升速过程进行离散处理，在程序运行前将升速过程的离散值固化在程序存储器中，降速过程则采用运行时实时计算定时器的装载值。程序运行时采用查表的方法将离散值装入定时器来控制步进电

16、机的换相周期，使得步进电机按照指数规律进行走步。2.以单片机为核心并选用必要的外围设备构成单片机对步进电机的控制系统。在硬件设计中进行单片机和存储器的配置、键盘与显示电路的设计、定时和报警电路的设计、步进电机驱动电路的设计和存储器地址映像工作，生成步进电机控制系统的硬件原理图。3.由于C51语言是一种结构化语言，可产生紧凑代码。本系统软件用C51语言编写，将大大的加快软件的开发速度，明显的增加软件的可读性，便于改进和扩充，可以很容易地进行单片机的程序移植工作，有利于产品中的单片机的重新选型。根据系统实现的功能划分程序模块，按照各个模块绘制程序流程图，进行模块化程序设计，并对其中一些关键技术进行

17、具体的论述。 4.为了检测步进电机运行的转速和步数，进行步进电机转速和步数的检测系统的设计。论述检测系统的工作原理，并进行检测系统的硬件和软件设计。第二章 系统工作原理和总体方案拟定2.1控制方案论证与比较2.1.1步进电机控制系统的构成步进电机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，是功率放大电路按照要求的规律驱动步进电机运行。旧式的步进电机控制系统由脉冲发生器、步进控制器、功率放大器和步进电机组成，如图2.1所示。步进控制器包括缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑，其作用主要是将输入脉冲变为环形脉冲，以便实现对电机的转动和正反转的控制。功率放大器的作用是将步进控制

18、器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。这种控制方案由于是用各种逻辑电路来实现控制过程，线路复杂、控制方案改变困难、成本高。图2.1步进电机控制系统的组成随着单片微型计算机迅速发展和普及，为设计功能很强而价格低廉的步进电机控制器提供了条件。采用计算机控制系统，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。这不仅简化了线路，降低了成本，而且操作方便，提高了可靠性。图2.2为单片机控制步进电机的系统结构图。图2.2单片机控制步进电机的系统结构图2.1.2步进电机的串行和并行控制使用单片机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。串行控制：具有串行控制功能的单

19、片机系统与步进电机驱动电源之间，具有较少的连线将信号送入步进电动机驱动电源的环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器。这种控制方式的示意图如图2.3所示。图2.3串行控制示意图并行控制：用微型计算机系统的数个端口直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。在电动机驱动电源内，不包括环形分配器，而其并行控制功能必须由微型计算机系统完成。这种控制方案示意图见图2.4所示。图2.4并行控制示意图本系统考虑到使用8255扩展并行接口，主要用软件实现环分功能，控制电机为三相，故选用并行控制方案。2.2步进电机工作原理和动态特性分析图2.5 步进电机外观2.2.1反应式步进电机原

20、理图2.5为步进电机外形图。电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开0、1/3L、2/3L,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以L表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3L，C与齿3向右错开2/3L，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图： 图2.6 定转子展开图旋转时，如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3L，此时齿3与C偏移为1/3L，齿4与A偏移（L-1/3L）=2/3L。如C相通电，A，B相不通电，

21、齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3L，此时齿4与A偏移为1/3L对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3L。这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3L,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3L改变为1/6L。甚至于通过二相电流不同的组

22、合，使其1/3L变为1/12L，1/24L，这就是电机细分驱动的基本理论依。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多，本设计选用三相反应式步进电机。 步进电机步距角的大小是由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式决定，它们之间存在以下关系： (2-1)式中，为步距角：C为通电状态系数，当采用单相或双相通电方式时，C=1；而采用单、双相轮流通电方式时，C=2；m为步进电机

23、定子的相数；Zr为步进电机转子齿数。控制绕组通电状态的改变，是由外加输入脉冲驱动电路来实现的。每当外电路送入一个脉冲，控制绕组的通电状态即改变一次，与此对应步进电机将转动一个步距角。因此步进电机转过的步距角数等于外加脉冲数，则步进电机的转速为： (2-2)式中为步进电机通电的脉冲频率，单位为Hz；n为步进电机转速，单位为r/min。步进电机的转速用步距角表示为： (2-3)由式（2-1）和（2-2）可知，电机的相数和转子的齿数越多，则步距角就越小，电机在脉冲频率一定时的转速也越低。当电机的相数和转子的齿数一定时，转子的转速和输入的脉冲频率成正比。因此，改变输入的脉冲频率就可以改变转速，改变通电

24、状态顺序就可以实现正反转。由于这些特性，步进电机控制系统中，能够按照控制命令实现启动、停止、升速、降速、正反转等操作。2.2.2 步进电机的动态特性图2.7 启动矩频特性及运行矩频特性曲线关系图机械负载位置的变化往往需要步进电机的连续运行，电机转子必须产生足够大的力矩，以克服摩擦和加速总惯量，电机无能力产生足够大的力矩时可能引起电机的失速，造成转子步进与相励磁之间失去同步，从而产生不正确的负载定位。因此步进电机加速、减速、恒速运行时产生的转矩以及电机能够驱动负载的最高速度等特性至关重要。这些特性常以失步转矩/频率特性曲线表示。矩-频特性一般用启动矩-频特性和运行矩-频特性来表示。它们之间关系的

25、典型曲线如图2.7所示。启动矩-频特性是牵入转矩与频率之间的关系曲线，运行矩-频特性曲线是失步转矩与频率之间的关系曲线。当工作在区范围内，步进电机可以停止和再启动，或者反向转动，而不会失步。步进电机在区的工作速度上所产生的最大力矩坐标位于启动矩-频特性曲线上，启动矩-频特性曲线与纵坐标的交点为最大运行力矩，与横坐标的交点为最大启动频率。区为单向工作区，在此区电机不能直接启动，若电机不停止、启动和换向，在此区域内工作，电机不会失步。为了在区内工作，电机必须首先在区内工作，然后利用控制加速度斜坡，转变到区。若达到不失步停止时，也要在限制加速度的条件下，由区转移到区，在减速时惯性反作用力矩为负，对电

26、机有利。区为失步区域，在任何情况下都是不允许的。2.3步进电机升降速控制讨论2.3.1步进电机的失步在步进电机的运行过程中，将可能出现失步，其失步原因有两种 ：1.转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，也就是低于换相速度而产生的。这是因为输入电机的电能不足，在步进电机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转，从而引起失步。2.转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时间较长，大于转子步进一步所需要的时间，则转子在步进过程中获得过多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡，当振荡足够严重时就会导致失步。 以步进电机三相单三拍通电方式为例分析步进电机的失步。如图2.8，由 B

27、相断电，接通 C 相时，转子齿 2、4 与 B 相磁极对齐而转到转子齿 1、3 与 C 相磁极对齐(图 c)，若是由于某一原因造成转子的阻转矩大于电磁转矩的作用，则转子齿 1、3 没有转到与 C 相磁极对齐的位置，而停留在原处未动的位置(图 b)那么当 C 绕组断电再接通 A 相时，受 A 相磁极影响最大的转子齿 1、3 仍返回到与A 相磁极对齐(图 a)。由此可见，当步进电机发生失步时，往往丢掉一个通电循环的步数或其整数倍。也就是说步进电机运行时失步的规律是，所失的步数是通断电循环拍数的整数倍。 图2.8 启动矩频特性及运行矩频特性曲线关系图同理在停止过程中，如果负载超过步进电机的极限制动能

28、力，步进电机将产生滑步或过冲。丢掉的步数也是循环拍数的整数倍。所以要使步进电机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的转矩，又不能超过这个转矩。2.3.2步进电机升降速曲线的分析正由于步进电机失步的原因，需要对步进电机进行升降速的定位控制，运行速度都需要一个加速恒速减速低恒速停止的过程，如图 2.9 所示。各种系统在工作的过程中，都要求升降速过程时间尽量的短，恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。以前一般的升降速规律设计，

29、常常选择按直线规律升降速，它的脉冲频率的变化有一个恒定的加速度。在步进电机不失步的条件下，驱动脉冲频率变化的加速度和步进电机转子的角加速度成正比。步进电机转子的角加速度是由步进电机的输出力矩决定的，步进电机的输出力矩随着驱动脉冲频率的上升而下降，也就要求步进电机转子的角加速度随着脉冲频率的上升而下降，而采用直线规律的升降速却使步进电机转子的角加速度保持不变。所以，只有在步进电机的转矩随脉冲频率的上升保持恒定时，直线规律的升降速才是理想的升降速曲线，而当步进电机的转矩随脉冲频率的上升而下降时 ，它就不是理想的升降速曲线，它不能保证在升降速的过程中步进电机转子的角加速度的变化和它的输出力矩变化相适

30、应，未能很好的的发挥电机的加速性能。如果要求电机尽可能快的加速，则所有频率下都必须产生最大转矩，以这个转矩克服负载并加速系统惯量。图2.9 步进电机直线规律升降速曲线本设计按照步进电机的动力学方程和矩-频特性曲线推导出按指数曲线变化的升降速脉冲序列的分布规律，因为矩-频特性是描述每一频率下的最大输出转矩，即在该频率下作为负载加给步进电机的最大转矩。因此把矩-频特性作为加速范围下可以达到(但不能超过)的最大输出转矩来拟订升降速脉冲序列的分布规律，就接近于最大转矩控制的最佳升降速规律。这样能够使得频率增高时，保证输出最大的力矩，即能够对最大的力矩进行跟随，能充分的发挥步进电机的工作性能，使系统具有

31、良好的动态特性。具体的控制算法见第三章。第三章 控制系统的数学模型由2.3节分析可知，把矩-频特性作为加速范围下可以达到(但不能超过)的最大输出转矩来拟订升降速脉冲序列的规律，就接近于最大转矩控制的最佳升降速规律。所以用步进电机的动力学方程和矩-频特性曲线来导出步进电机的最佳升降速的控制算法，并用单片机对其进行离散控制。3.1 步进电机升速的控制算法在步进电机的控制系统中，如图3-1，给一个电脉冲信号，步进电机就转动一个角度或前进一步。设输入为脉冲数，输出为转角，则(为步矩角)，这就是步进电机输入/输出的比例关系。 图3.1 步进电机与驱动电路特性框图步进电机的旋转物体动力学方程式为： (3-

32、1)式中为输出力矩，为转子转动惯量，为阻尼系数，为负载转矩，为转子位置，如为电机的回转角速度，则(3-1)式用表示的方程为： (3-2)如驱动脉冲的频率用表示，由，有，则式(3-2)变为： (3-3)如果电机尽可能快的加速，则所有频率下都必须产生最大转矩，由式(3-3)步进电机的运动一定满足下式： (3-4) 式中为步进电机输出转矩。假设矩-频特性曲线是线性下降的,电机的输出转矩可由下式求出： (3-5)为最大转矩，为假定输出转矩按直线变化时的斜率，()为对应负载转矩()下步进电机的最高运行频率。 可得在速度工作范围内，运动方程为：即 (3-6)假设电机从零开始升速，即初始值时，(3-6)式方

33、程的解为： (3-7)式中，。 (3-8) 图3.2 步进电机的矩-频特性曲线的近似逼近如果忽略阻尼转矩，即阻尼系数，那么，否则实际的指数规律曲线中的要略小于。是决定升速快慢的时间常数，其数值可由(3-8)式理论计算得出，实际工作中也可由实验来确定。(3-7)式表明驱动脉冲的频率应随时间 t 作指数规律上升，这样就可以在较短的时间内使步进电机的转速上升至要求的运行速度。鉴于大多数的步进电机的矩-频特性都近似线性递减的，所以上述的控制规律为最佳。是负载转矩频率特性曲线和失步转矩频率特性曲线的交点，也就是随着频率的增加失步转矩减小到与负载转矩相等的点下的失步频率。步进电机必须在低于该频率下运行才能

34、保证不失步。所以可由给定的步进电机的矩-频特性曲线及所带动的负载转矩来求得。步进电机的升降速特性与步进电机、驱动电源及负载特性等密切相关，因此对整个步进电机拖动系统而言，其升降速特性的影响因素很多，为方便起见，将步进电机的电拖动系统看作一个惯性阻尼系统，做上述的处理后，得出式(3-7)即为步进电机的升速特性。它可以看作一阶惯性环节的阶跃响应。在工程上认为经过时间可以达到稳定速度。3.2 步进电机升速过程的离散处理 如果忽略阻尼转矩，则由(3-7)式可知升速算法为: (3-9)若单片机使用定时器中断方式来控制步进电机的速度，那么升降速控制实际上就是不断改变定时器的装载值的大小。为了便于编制程序，

35、不必每步都计算装载值，可以用阶梯曲线来逼近升速曲线。如图 3-3，纵坐标是频率，它的单位是步/秒，实质上也反映了转速的高低。横坐标是时间，各段时间内走过的步数用来表示，步数实质上反映了距离。图中曲线 1 表示的是理想的升速曲线，曲线 2 表示的是实际的升速曲线。将升速段均匀地离散为段，设整个上升时间为，则相邻两次速度变化的时间间隔为： (3-10)式中为阶梯升速的分档数，则每一档的频率为： (3-11)各分档速度内运行步数为： (3-12)则升速总步数为： (3-13)程序执行过程中，首先从升速表中取出每档速度，同时取出该档速度应走的步数，然后以递减方式检查。当减至零时，表示该档速度应走的步数

36、已走完，于是速度字，再从升速表中取出下一档速度。一直循环到取出的速度大于或等于给定的速度为止。由图3.3可知，越小，升速越快，但频率跳变加剧，易引起失步。越大曲线2越接近曲线 1，步进电机的运行越平稳，但因升降速占用的时间增加，影响CPU 处理其他事件的能力。另外，因为是采用定时器定时，还要受定时器最大的定时时间间隔的限制。如果采用 12MHz 时钟，定时器的最大中断周期为 65.536ms，相当于步进电机的脉冲频率 15.259Hz，即采用一个定时器来定时分档的最低速度不能低于此值。实际取值时，在最低的频率大于15.259Hz 的条件下，满足即可，为拖动系统的允许突跳频率。可由电机的启动矩-

37、频特性曲线与负载的矩-图3.3 升降速控制离散化的阶梯升降速曲线频特性曲线求得，也可由电机的最高空载启动频率求得，一般取。选用 110BF003 步进电机的空载启动频率Hz,则可取Hz。3.3 步进电机降速过程的离散处理因为降速时从匀速开始，所以降速曲线为： (3.14)式中为匀速过程的速度,一般取与升速相同的值。降速过程的处理方法和升速过程相同。唯一的区别是升速过程的运行参数的计算是在运行前计算好，然后固化在程序存储器里，而降速过程的处理是在运行时实时计算进行的。3.4 步进电机升速过程运行参数的计算图3.4 输入参数界面 由3.2节的离散处理可知，在实际的步进电机运行前，要将升速过程的定时

38、器的装载初值等参数先计算出来放在程序存储器中，以便在程序运行时使用。本设计采用VB语言进行可视化编程来计算运行参数。程序运行时首先显示图3.4所示的界面，这时根据给定的步进电机类型来确定最高运行频率，并输入阶梯的分档数。在输入阶梯分档数时，如果给定的分档数不能满足条件，那么程序会重新的返回到图3.4所示的界面，要重新输入合适的分档数。当这些参数输入完成后，按确定键则进入结果显示界面，如图3.5所示。在图3.5中按下确定键则显示要计算的各个运行参数值，把这些参数值固化在程序存储器中，以便在程序运行时供查询使用。具体的程序见附录 1。 图3.4计算机结果显示界面第四章 控制系统的硬件设计4.1 系

39、统的硬件结构计算机的硬件和软件是相互结合而工作的，有些任务必须由硬件来实现，另外有些任务必须由软件来实现。但是也有一些任务可以由软件来完成，也可由硬件来完成。一般来说，增加硬件会提高成本，但能简化设计程序，且实时性好。反之，加重软件任务，会增加编程调试工作量，但能降低硬件成本。所以要合理的安排软、硬件的结构。本系统步进电机速度的控制是由改变发出脉冲的时间间隔来实现的，用定时器来控制发出脉冲的时间间隔，这样更能发挥硬件实时性的优势，同时能够减轻软件的任务。系统的硬件框图如图4.1所示。系统采用单片机作为核心部件，通过扩展外围设备及接口电路完成对步进电机的并行控制。 图4.1 系统控制结构示意图由

40、于本微机控制系统采用单片机作为核心部件，利用单片机构成系统应从元件级进行系统设计，根据任务需要，选择合理的单片机并配置必须的存储器、接口和外围设备来构成系统。在进行系统的扩展和配置设计时考虑了以下原则：1尽可能的选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。2系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统功能的要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。3硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响。考虑的原则是，软件能实现的功能尽可能的由软件来实现，以简化硬件电路。但是由软件实现的硬件功能，其响应的时间要比直接用硬件实现的时间长，而且占用 CPU 时间。4整个系统中的相关的器件要尽可能的做到性能匹配。5单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，增设线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。根据以上设计原则及结构框图，逐一设计出每个单元电路，最后组合起来，成为完整的硬件系统。4.2 系统的硬件设计4.2.1 微处理器及存储器的配置 一、微处理器的选择微处理器的主要性能指标是位数、主频、寻址能力、指令系统、内部寄存器情况等。位数是重要的指标，除了影响运算精度外，还关系到指令系统的功能、寻址能力以及操作速度等。主频