《基于单片机的步进电机旋转控制系统设计》13000字（论文）

基于单片机的步进电机旋转控制系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u13275基于单片机的步进电机旋转控制系统设计 120689摘要 18380第1章绪论 23901.1研究背景及意义 2242471.2研究的现状 3135401.3主要研究内容 325552第2章电机介绍 547692.1步进电机技术 591162.2步进电机工作原理 5265812.3步进电机技术参数 718872.4本章小结 812047第3章光电编码器介绍 910953.1光电编码技术 9169573.2莫尔条纹及光电编码器原理 9102873.3光电编码器分类 11196583.4光电编码器在反馈控制中的应用 12311893.5本章小结 121939第4章系统硬件设计 13121374.1系统整体设计 13219274.2硬件电路设计 1458494.3步进电机控制模块 18204664.4增量式光电编码器模块 1995494.5本章小结 2032569第5章控制算法的研究与设计 2140125.1步进电机启动规律 21161565.2数字PID控制原理 2272035.3设计具体方案 24230275.4本章小结 247428总结与展望 2511456参考文献 26摘要角度对我们来说是一个很重要的参数，小到我们的生活发展、大到国防建设，都离不开角度测量这个问题。角度及角度测量技术是我们日常生活、生产和其他过程中的重要组成部分，精密的角度测量技术在产品生产和产品质量控制中起着至关重要的作用。本篇文章介绍的是一种由STC90C51RD+单片机作为主控制器，它能够通过调节增量式光电编码器的光电轴，然后利用与步进电机在同轴的光电编码器来反馈监测我们步进电机的旋转角度。最后将获得的这一数据同开始所输入的光电编码器输入的脉冲数据通过我们的51单片机对比进行校准。将前者通过51单片机进行比较之后所产生的差值输出给到步进电机。然后通过这个差值来实现我们对步进电机的准确的控制，这样就具有了反应速度更快，结构较为简单，控制准确性高等特点。关键字：光电编码器；角度；单片机；步进电机第1章绪论1.1研究背景及意义角度对我们来说是一个很重要的参数，小到我们的生活发展、大到国防建设，都离不开角度测量这个问题。而且它的精度会对其最后产品的质量、使用寿命有着很大的影响，所以，高精度角度测量技术在测量的领域中有着非常重要的地位[1]。伴随着我们的工业产品的需求量地不断加大、人们对产品和商品的质量要求也不断地在提高，角度测量对高精度需求也越来越频繁[2]。但一般地机械式测量量具和仪器所还不能解决这个需求。为了满足人民生活水平的提高和科学技术的发展，国内和国外的一些研究组织不断地研发出很多测量角度的仪器。这些角度测量仪器大多使用了当今社会最先进的技术和设备，因此它不仅能提高测量角度精度，同时也扩展了其应用领域。比如对水平角和垂直角可以进行更加准确的测量；保证飞机、舰船航行、交通等方位角控制的准确性；对于正在机床精密加工的零部件提供更高精度的角度控制；对选中的目标进行精确地角度定位使导弹能准确命中目标。因此角度测量技术的应用的生活和科技发展中十分广泛。1.2研究的现状在这么多的计量技术中，角度计量可以说是这里面很重要的一个部分，角度及角度测量技术是我们日常生活、生产和其他过程中的重要组成部分，精密的角度测量技术在产品生产和产品质量控制中起着至关重要的作用。角度测量技术总的来说可以划分为两类，一个是静态测量，一个是动态测量[3]。静态测量，是我们对加工或拆卸的器件或仪器在它们保持在静态时的角度和位置时所进行的测量。动态角度测量，指我们的物体或系统正处于运动状态下时，对其角度展开测量。就目前来说两种技术都在不停地进步与完善，静态测角技术可以说是达到了成熟阶段。然而目前对于动态角度测量的研究，进一步提升其测量的精度是至关重要的一步，同时在高精度地前提下能较好地提升我们在测量时的分辨率等问题。它的精度与准确率在我看来是直接挂钩的。当我们从测量范围层面来看时，角度测量可以被我们划分为小角度测量、任意角度测量这两种方式。当前已经达到了成熟阶段的是小角度测量技术，它能在实际测量过程中为我们实现较高的精度与准度[4]。不过就目前的情形而言，运用于大角度测量的方法却相对于小角度来说较少，但是在实际运用这个的时候，我们还是要去进一步解决一些问题。科学技术在现在看来发展得非常迅速，角度测量在许多领域都有一席之地，它的实际应用也越来越深入人们的生活与社会生产，所以在不断的试验和实践中，测量的整体技术水平和准确度都不断地得到进步。最近几年，自动化成了角度测量发展的一个大方向，角度测量可以在我们的生活中能够应用的范围地方也在扩大。其中光学测量法、电子测量法、图像识别法和机械测量法等角度测量技术在国内外测量领域中应用的比较普遍，使用率较高。而除了这些相对于较为单一的方法外，还有光电测量法和机电测量法这些复合方法，这些方法相对来说更为先进。随着国内乃至国外各种不同学科之间的碰撞与交流，使得自动控制技术得到很快速的发展，人们对机电和光电技术越来越深入的研究，单片机在测量方位仪器的发展中开始发挥着它越来越重要的作用[6]。从这里我们就能够看得出来，方位角度测量像是航海船舶测量，它得未来发展的空间还很大，我们还可以将许多技术手段应用到这里面，使它得到更快的发展。将各学科的知识结合起来，能够让角度测量有更好的发展，从而使得产业发展更加智能化和高精度化。1.3主要研究内容本篇文章介绍的是一种由STC90C51RD+单片机作为主控制器，它能够通过调节增量式光电编码器的光电轴，然后利用和我们的步进电机在同轴的光电编码器，进而反馈监测我们的步进电机的旋转角度。最后将获得的这一数据同开始所输入的光电编码器输入的脉冲数据通过我们的51单片机对比进行校准。将前者通过51单片机进行比较之后所产生的差值输出给到步进电机。然后通过这个差值来实现我们对步进电机的准确的控制，使得步进电机可以在0~360度之间旋转的任意的角度，这样就具有了反应速度更快，结构较为简单，控制准确性高等特点。

第2章电机介绍2.1步进电机技术步进电机我们把它归在机械电子装置里的一种，它的根本原理是把电子脉冲信号从方波的形式输入到我们的步进电机当中，进而步进电机就可以以转动的机械能的形式输出。它可以是一个单相也可以是多相的同步电机。要想使单相电机转动，只需要存在连续的不间断的单一的激励。但是多相电机则需要连续的不断的一组激励，而这组激励就只有一个有效的信号，按照一定的顺序分别分配给A、B、C、D相，一般来说会需要驱动即我们说的放大信号。一般来说，不论是使用多相电机还是使用单相电机，它的电子数字脉冲在转动到一定角度的时侯，它的电机角同时会伴随着进行一定角度的位移，换句话说，输入的脉冲频率和电机的角度位移两者之间存在着对应关系。基于步进电机的这些特征，而且单片机的输出脉冲会以数字量的形式表现出来，因此，在我看来微机控制与步进电机两者具有比较高的契合性。我们可以将步进电机划分成三个类别不同类别：反应式步进电机（VR）：它的定子中有很多种不同的多相绕组嵌入在当中，同时，它的磁极和绕着它转动的转子里面也伴随着有耦合的齿牙。其中价格相对低廉，构成比较简洁，具有相对比较小的步距角是反应式具有的优点。然而它的缺点就是效率相对不高、而且稳定性较差，并且定位还需要在通电的情况下进行。永磁式步进电动机（PM）：它和反应式不同的地方在于转子是永磁体，但是它们定子转子的技术仍然是相同。不论是哪一种电机类型都有它的特点，行对而言这种电机就比较适合用来进行动态测试。混合步进电动机（HB）：这一类的电机拥有之前两种电机的都有的优点，精度比较高，同时能够实现平稳的运行，有着比较大的转矩；但是这类电机也有它的缺陷，就是结构非常复杂，并且运行起来需要消耗的成本比较高。2.2步进电机工作原理虽然不同的电机结构大都不相同，但是运行方式事实上基本都是相同的。不论哪一种类型的电机，其电机的整体的结构普遍都具有比较大的相似性，即：中间的是定子，电工钢片叠压制成了定子，所以在其表面会存在着磁极，而在磁极中间又会有励磁绕组，在它周围的一圈被我们称作为转子，它的表面有分布着细齿，当工作时，磁极与细齿就会相互咬合。对于三相反应式来说，如果要选择两个齿牙用来串联时，需要在它的定子的直径方向上进行选择，同时要使它的齿牙属于相向齿牙，于是我们便将这一串联路叫做一组，所以，在三相反应式的电机上定子会有6个绕组，有它所构成的齿，会存在有的角度间隔，而每个齿中都含有5个一样宽的小齿，这5个小齿们之间产生的夹角为。同时有40个小齿存在在转子上，它们的夹角同样为，所以这个数据和磁极小齿是一样的。但是当电路通电时，其中一相A的大齿里面的小齿会和它转子中的小齿咬合，在这同时，第二路绕组B的磁极齿和它转子中的小齿会有着1/3齿距角，到第三路绕组C，则会存在2/3的齿距角。上面的三组轮流与它们转子里面的小齿发生咬合，从而使得齿错位，带动电机得以实现连续性转动[7]。当电机转动时，高电平给到A相，在它的磁极A处，和相邻的转子中的1齿与3齿正好处于对齐的状态；当我们的B相通电后，我们的A相就断电，这时，磁极B与2齿和4齿正好对齐，这个时候，转子旋转了；紧接着，C相就会开始通电，同理此时，B相断电，C相会和其1齿、3齿对齐，转子发生的旋转。我们的绕组通电的路径存在两种方式，A-B-C-A…以及A-C-B-A…，在它们进行转换的时侯，都会发生的转角。所以这种模式下我们称之为单三拍。那么如果在A相通电之后，A相会与转子1齿、3齿发生对齐，接着，A与B两相都让它处于通电状态，这样，BB′磁场还是会吸引2齿与4齿，在这样的环境下，转子就会被这个拉力影响，开始顺时针转动。AA′的磁场也还是会对转子1齿、3齿产生一个拉力，于是转子转到两力平衡的位置上。AA′通电，转子将会出现的转动，B相通电后，2齿和4齿又会与B相对齐，所以又会发生的转动[8]。依此类推，我们绕组的通电路径以A-AB-B-BC-C-CA-A…或者A-AC-C-CB-B-BA-A…的顺序通电，而且每次旋转的角度都为，这就是三相六拍模式。如果以AB-BC-CA-AB…或者AC-CB-BA-AC…的顺序通电，就被称为双三拍工作模式，当输入一个电脉冲时，转子便会产生一个的转动。上面所说的三种不同的工作模式，三相双拍和三相六拍在实际运用中会更普遍，因为两种模式应用时相对更加稳定。所以从整体上来说，步进电机最重要的一个特征就是：在外界给了一组脉冲激励时，电机便会开始随之转动；当收到的激励信号频率越大时，电机的转动的速度就会越大，同理外界的激励信号的频率变得越小时，电机转度就会变得越小，所以转速与频率是呈线性变化的。其激励信号的相位安排又会影响换相顺序的变化，而电机的转向又是受到三相通电的顺序的控制。图2-1单三拍方式图2-2三相六拍方式2.3步进电机技术参数(1)步距角及其精度步距角指的是每当步进电机在接收到关于外界的激励时，它的电机中的转子所旋转过的角度。我本次选用的电机是86BYG250A型的电机，这款电机的半步工作角度为，而其整步工作角度就是，这些都被统称为步进电机的固有步距。而步距角的计算方式则是：（2-1）在这个公式中，M代表的是其定子的实际相数Z代表的是其转子具备的齿数K通电时的具体系数，单相轮流通电、双相轮流通电，方式为1；单、双相轮流通电，方式为2。(2)空载启动频率我们的步进电机在启动时会需要一个最小的启动频率，当我们受到的外界激励信号的频率小于我们所需要的这个最小启动频率时，步进电机将不能转动，这个最小启动频率被我们称为空载启动频率。当我们的电机处于负载的情形之下时，电机的启动频率就相对会比较低，在启动时，电机会产生一个从低的转动速度到设定的高转动速度的过程，也就是从低频率向高频率转化的一个过程。(3)步进电机相数我们的电机里面所存在的转子线圈数就是步进电机的相数了，即线圈的数量就是相数。我们所说的单相电机其实就是直流电机，那么两相及以上的电机一般指的是步进电机。当我们用的不同相数的电机，那么所产生的步距角也都是不一样的。两相步进电机步距角，三相步进电机步距角，五相步进电机步距角则。(4)保持转矩保持转矩指的是当步进电机在接通电源的时候，但这时转子并未开始转动，在这样的情况下，定子会把其转子的力矩给锁定，这一过程就是属于保持力矩。那么通常这种情形之下，如果步进电机实际的转速并不高时，电机的力矩和它的保持力矩大致是相等的状态。这时在外界激励驱动的条件下，电机的保持转矩会因为转速的增大而减小，这时电机输出的机械能也会随着转速的加快而增大。在电机的轴上加入负载转矩，在这样的情况下，转子在它的载荷方向上会产生一定转角，这就是我们的失调角。(5)电机的共振点每个电机都会有它自身的共振点，所以我们所使用的电机也有其共振点。共振点对每个步进电机的运行都会产生影响。每种步进电机的共振点都是不同的，但一般都会保持在180-250pps之间。当电机在共振点附近运行时，我们的步进电机才能更平稳正常的运行。我们可以通过调节供电电压来控制步进电机工作时能在共振点附近。2.4本章小结在本章，我们详细介绍了有关步进电机技术及一些原理，让我们更好的明白了步进电机是属于机械电子装置中的一种。它的根本原理就是将给定的电子脉冲信号，以方波的形式传送到我们的步进电机中，之后步进电机则以转动的机械能形式来输出。这些电机的运行方式其实都是基本相同的。不管它是何种类型，中间是它的定子，在其周边的一圈为它的转子。

第3章光电编码器介绍3.1光电编码技术光电编码技术是目前在角度测量中我们应用的相对比较多的一种技术。这种技术结合了光学和电学的特点，在目前的测角技术中精度比较高。这项技术用了一个标有刻线的圆盘光栅来感受和分割光的元件。每当入射光线照射到圆盘上的时候，圆盘会连续不停地转动切割光，然后会输出光脉冲。这样就能把光信号转变成了我们可以计量的电脉冲量，从而实现了光和电的转换。图3-1光电编码器3.2莫尔条纹及光电编码器原理光电编码器在这里应用到的一个最主要的技术原理就是我们的莫尔条纹原理。下面就是我们的两种常见的莫尔条纹形状，接下来我们将会根据下面的这两幅图来具体叙述一下什么是莫尔条纹原理。在黑白光栅的图形中，黑色光栅的长度和白色光栅的长度分别记为a、b。圆光栅所在示意图中条纹间的距离v叫做莫尔条纹间距。图3-2黑白光栅示意图图3-3圆光栅示意图假设这时我们忽略光栅的衍射性，如果两个光栅之间接触且跌合，而且其栅距同时又能处在均匀分布的状态，那么从理论的层面而言，这两块光栅就会形成一个三角波借助于光能量。但是在我们的实践和操作中，我们在考虑到这光衍射的作用时，光栅无论是它的间隙还是线宽都有着不同的差异。所以会导致从它里面透过的光能量会发生改变，分布起来近似于正弦波的状态。在我们的输入量不断地变化的过程里面，莫尔条纹里的光能量的分布也存在着很多差异。其中的特点如下：（1）条纹与光栅之间的关系是：通过我们研究以及对理论知识进行的学习，我们从中知道了莫尔条纹的条纹与光栅两者之间的位置移动有着一定的有规律的关系。一些与莫尔条纹相关的关系式：（3-1）（2）测量精度高：从数学规律上来看莫尔条纹，光电编码器由光栅盘与指示光栅盘共同构成，而且同时，存在着一个光电转换装置在光栅盘一侧，同时各个不同角度的详细信息都会被记录在光栅盘上面，光栅盘上面的狭缝从根本上看起来就是一对计量光栅，其中用来计量用的的莫尔条纹信号，那就是它的原始光信号了，然后会在转换装置的帮助下进行一系列信号的处理，最后输出一个电信号。在实际实践的过程中，我们输出了一同正弦波的信号极其相似的周期信号[9]。如下图所示：图3-4光电编码器应用结构3.3光电编码器分类根据许多功能的不同，光电编码器也被分为很多种类型，像是光电开关。按在我们第一章中提到的一些内容，要想制作光电编码器，我们将用到电容、电阻还一些光电器件等。那么在本课题中我们用到的是比较熟悉的光电编码器，常用的类型有两种。分别是绝对式编码器还有增量式编码器。(1)增量式光电编码器我们在此次得课题中采用得是我们既熟悉应用较普遍且最经济实惠的增量式光电编码器。增量式光电编码器存在有两根线，分别是引线A线和B线。这种光电式编码器会有比较简单的的判相方法，那就是根据相位关系来区分。这样的编码器的特点是我们可以任选一个位置作为起点，相对于绝对式来说可以消除累积误差。但是它同时也存在缺点，不会存下有固定的起点，所以它所输出的绝对位置是不断变化，这使得在应用时数据很容易出现错误[10]。(2)绝对式光电编码器绝对式光电编码器中的每一个刻度都会有其唯一的二进制码和它一一对应。每当它进行了一次光电转换后，就会向外输出一个唯一的二进制码。不同于增量式，它能够固定计数的起点，从它所固定的那个点起，会不停地顺着正或反方向上进行位移或旋转，实现对停电的地方保留记忆。我们的绝对式编码所拥有的实际圆光栅角为。绝对式光电编码器可以对实际的位置进行读取并且保证其准确性，这样就能更好的减少我们的误差，即使无意间的断电，也不会轻易导致丢失信息。但是由于它需要较高的成本，更适合用在一些要求比较高的场合[11]。(3)混合式绝对编码器混合式绝对编码器就是建立前面的那两种的基础上的。所以这种编码器就具有前面两者的许多特点。这种类型的编码器有更高的精度包含了前两种的优点，可以对磁极实际位置进行检测，而且混合式绝对编码器中具有前面两类都没有的矩阵译码，因此，它的结构变得比较复杂，电源及读数头会比前者多，对于安装和调试增大了难度。3.4光电编码器在反馈控制中的应用输出脉冲数对我们光电编码器的实际的精度以及其分辨率会产生比较重要的影响。所以，它经常会在在一些精度比较高的速度控制里面被用到。在本次课题的反馈系统里面，为了让编码器的转速能与步进电机相同，我们将步进电机同选用的光电编码器中的主轴进行了连接。那么它的实际的工作原理是：当编码器随着步进电机转动的过程之中，编码器的输出引脚A端口与B端产生一个数字脉冲。与此同时，A和B两个端口的实际脉冲会影响步进电机实际的旋转方向。如果A脉冲超前达到了，我们就可以得到结论它会属于正向旋转，反之则就是逆向旋转了；A端口的数字脉冲数会影响我们电机的旋转角度，所以，我们通过这点来测定实际转动的角度和方向[12]。同时当步进电机低速转动是，我们无法确保得到的数据的准确度，这时我们就可以选用分辨较高的光电编码器，来保证测量所需的的精度。在我们对电路设计的过程中，还能对输出的脉冲作多倍频细分，从而实现对其信号地计数。3.5本章小结作为目前人们应用的比较多的一项技术，光电编码技术很好的结合了光学和电学的特点，它通过圆盘连续地转动不断地切割照在圆盘上的入射光，向外输出光脉冲。将我们所不能计量的光信号转变成我们可以进行计量的电脉冲量，继而实现了光和电的一个很好的转换。

第4章系统硬件设计4.1系统整体设计我的本次论文是关于一个角度随动系统，其中把步进电机拿来发挥执行器件的功能来进行一些简单的研究，我选择了两个增量式光电编码器，用合适的联轴器把它们和步进电机进行连接，这样这两个编码器就能充当我们的角度输入和反馈信号。在反馈回路中的这个编码器会把我们步进电机实际转过的角度做一个反馈，和另一编码器的输出进行比较，它们之间就会有一个偏差值，我们就可以通过这个偏差信号不断校正电机，一直调整到误差消失。那么我们这个系统的整体框架大致如下图所示：51单片机芯片51单片机芯片步进电机驱动器M、M增量式光电编码器增量式光电编码器图4-1系统整体结构图根据系统的一个整体的设计思路，我们可以把这次的课题分为几个部分进行相关的设计。具体的划分情况如下：1）51单片机与增量式光电编码器之间的的通信模块。2）步进电机所涉及到的的部分。3）数字PID所相关的东西与程序编写相关的东西的学习。4）角度通过数码管显示的部分。这次的设计主题包括:设计步进电机能够控制光电进码的反馈系统、选择硬件、创建并解码系统、并且在实验室完成数据输入、监测与校准错误。基于对数字PID控制的学习和了解，再加上电机启动规律、装备系统和步进电机的旋转性质，则步进器所产生的结果可以迅速、精确和不断地满足设计要求。4.2硬件电路设计这次的课题设计的角度测量系统的相关硬件电路设计，整体的构成是有四个部分：电源模块、控制芯片STC90C51RD+存储模块、增量式光电编码器模块以及步进电机控制模块。4.2.1主控芯片STC90C51RD+及配套电路此次课题用的控制芯片是宏晶科技高速且低耗能的STC90C51RD+芯片。与之前所生产的8051型号的芯片相比，有很多优势。这款芯片能提供12和6两种机器周期。当复位引脚可以进行接地，如果时钟频率低于12MHz。存在以下一些特点：工作电压5.5V-3.8V/3.8V-2.4V工作频率范围0-40MHz用户应用程序空间4K/6K/7K/8K/10K/12K/13K/16K/32K/40K/48K/56K/61K/字节片上集成1280字节/512/256字节RAM可以使用的输入/输出端口分别有35/39个P1~P3三个为8位准双向口，即内部具有上拉电阻。然而，P0为三态双向8位输入/输出端口，也可用于外部扩展具有EEPROM功能内部具有看门狗功能此单片机包含了MAX10电路当周期频率低于12MHz时，可以直接接地进行复位定时器/计数器单片机内部配备16位中断类型这种单片机内部的中断类型不止一种。工作温度范围0-75℃/-40-+85℃这芯片拥有高功率及低电压的优点同时，由于它的程序和数据存储被分离开，因此也有效地避免了访问数据时遇到的“远程操作”难题。它的软件指导系统非常简单庞大的代码也是很清晰相对较有效的。4.2.2时钟电路的设计当带电路中有了时钟模块能带来很大的帮助，这样就能通过对功耗的控制在各种不同功耗之下实用。STC90C51RD+芯片就能满足我们的要求，提供我们用得到的时钟信号，存在时钟控制逻辑，满足我们系统的需要。图4-2内部时钟电路的接法XTAL1和XTAL2是反向放大器，和反馈元件里面的的晶体构成一个自激震荡器。如图4-2中，电容c1和c2能够决定石英晶体的振荡频率。而单片机的响应速度继而受到晶振频率的影响即，频率越高，我们单片机响应的速度就会越快。1.2~12MHz，这个数据应该是晶振的一半频率范围。所以我们要选择合适的电容和晶振，让我们的单片机能够更好的运行。在我们此次系统里面最终用了晶振频率为12MHz的晶振。在对单片机的外部引脚进行一些必要相关的设置之后，选择了我们目前所运用的这个设备。4.2.3复位电路复位线路的最主要功能就是要去确保微处理器以及其他得一些部件能够在初始的状态下进行稳定工作。在这个系统里面不同的模块都会有它自己的复位电路。因此，在设计复位电路时，必须确保重启电路能同时实现同步重启，以以防止在几个回路的重新启动功能没充分执行时，不可能实施处理器提供的任务的全部重启[14]。通常，我们的复位电路会允许我们使用自动复位电路。复位短期的自动复位电路具有简洁和经济的优势。相反，具有高度重启稳定性且长期优势的手动重启电路更适合本实验的要求。4.2.4单片机I/O口的使用在这次的课题里面我们用到了P1和P3端口，有的端口会双向功能，所以我们先对I/O口进行一些简单的了解。我们用了4个8位双向输入/输出端口的51单片机。P1上面有一个上拉电阻，可以用来输入输出。P3端口具有与P1端口能发挥类似作用，但P3端口中的一些特殊引脚存在双功能。图4-3I/O端口-P3双功能口在这次的课题中，我们用到了下面这些端口：P1.0-P1.3与四相步进电机相连接，控制电机的转动P3.2与作为指挥信号的光电编码器的A相相连P3.6与作为指挥信号的光电编码器的B相相连P3.3与测量编码器的A相相连P3.7与测量编码器的B相相连P3.2作为双功能口及外部中断0P3.3作为双功能口及外部中断14.2.5定时器/计数器的控制在本次研究中我们只用到了定时功能，当定时的实践到时，系统会产生一个溢出中断，接着会产生控制信号执行中断服务。当然，在使用之前，我们要对51单片机中的定时器进行控制方式寄存器和工作方式寄存器控制的设置。图4-4定时器的控制TF1和TF0定时器/计数器0和1的溢出标志位，当记满溢出时，标志位被置1TR1和TR0计数运行控制位，计数运行控制位当TR1=1时，定时器1启动。当TR1=0时，定时器停止 图4-5定时器的工作方式寄存器GATE：为门控位，C/位可以选择定时器或计数器，C/=0时就能设置为定时方式，C/=1则就是计数器M1、M0位就可以设置需要的工作模式，我们的工作模式的选择可以从下表参考：M1M0工作模式—工作模式选择位（编程决定）0013位定时/计数器模式00116位定时/计数器模式1108位定时/计数器模式211T08位定时/计数模式311T1停止工作模式3图4-6定时器工作模式表我们在此次研究中使用的是定时功能，工作模式则选择了8位自动重装初值，当系统产生溢出中断时，定时器累积到一定数值就会进入中断服务，产生控制信号给步进电机控制电机的运行。4.3步进电机控制模块步进电机作为我们这次课程的设计的关键，我们需要重点考虑步进电机的两个影响因素分别是驱动器和步进电机本身。我们所用到的步进电机型号为28BYJ-48，它的一些具体的参数在下面的表格里面：步进电机型号28BYJ48逻辑控制电压5V步进电机模式四相八拍步进电机的直径28mm减速步进电机，内部带有减速机构，减速比1/64相电阻为（误差10%）300步进电机步距角度5.625/64启动转矩、启动频率≧300、≧550图4-7步进电机驱动方式图4-8步进电机硬件图4.4增量式光电编码器模块光电编码器在我们的研究中扮演了两个角色：（1）用来控制输入信号，从而控制电机的最终旋转角度。（2）和步进电机的同轴进行连接一起接在系统的反馈回路里面，把电机的实际旋转角度重新输入给单片机。并连接光电编码器。在我们之前的文章分析中可以知道，，光电编码器的输出端口A、B会形成数字脉冲。当A端口超前B端口90°脉冲时，说明此时的电机在正传，如果发现落后90°脉冲，那么就是逆向旋转了。所以，由此我们就可以在对B端口进行检测，如果B端口属于高低电平被我们检测出来，就能知道此时电机的旋转方向。记录A、B端口的脉冲计数，这样我们就能从中知道旋转的次数，就可以验证电机的旋转角度是否正确。这样一来，我们就能更好的减小误差，提高准确率了。STC90C51RD+与光电编码器之间得接口电路，光电编码器的A、B端口要分别接到单片机的P3.2和P3.6端口我们把它们用作输入电信号，从所给的图4.3我们能够知道P3.2端口的第二功能为INT0，可以用来响应外部中断；而放置在反馈回路的增量式光电编码器的A相会与单片机的P3.3端口连接，B相则将和端口P3.7连接，而且P3.3端口的第二功能为INT1，同样也可以响应外部中断。我们选用了1000脉冲/每转的增量式光电编码器，它的主要的技术参数如下所述：最高转速为：4000rpm启动力矩为：<N*M最大径向负载：20N最大轴向负载：10N图4-9增量式光电编码器的硬件图4.5本章小结这一章节主要是介绍步进电机与增量式光电编码器之间的使用规则与原理。两个编码器分别输入信号和输出反馈信号，在与步进电机进行连接之后，就可以控制电机的运行，从而就能得到想要的结果。而步进电机作为整个系统的执行器，在编码器的辅助下就能更好的运作。

第5章控制算法的研究与设计我们这次的研究，是想要让步进电机能够更加尽量地提高准确性、快速性机稳定性。因为电机在转动的时候会受到很多其他因素地影响，比如像速度、惯性已经电机在转动时会带动负载等。如果步进电机运行时产生比较大的偏差时，我们就得用相关的软件技术对它进行调整才行。同时，通过软件控制地同时，我们就能对控制参数进行一些设置，从而实现对整个运行过程地一个动态控制。5.1步进电机启动规律步进电机在现实运行的时候会容易受到许多因素的干扰，导致所产生的误差会变大。那么，在我看来最大的影响就是电机转动的时候驱动负载，并且负载的运动所产生地惯性会对电机产生较大地影响。这两个影响因素之间存在有这样的一种关系：当其中地一个量能够保持不变时，如果另一个变得越大，那么电机转动只需要更小的频率就行[16]。我们可以看下面的一些公式进行简单的理解：(5-1)在这个公式里面，：实际的转动惯量：实际的电磁力矩：实际的阻力矩当我们的电机在运转时，电机电磁力矩和阻力矩就会达到一个平衡的状态。所以结合公式，我们就能知道，电机启动地过程中，会使得频率不断加快，如果电机减速，频率就会减小。在这一过程，我们会发现两种情况的曲线：（1）等加速度升降速曲线等加速度也就是加速度是保持不变的。如图5-1中，电机在运行过程中经历三个主要的环节，先进行加速，然后保持匀速运动，最后再进行减速。这样的一个过程会对电机造成一定程度的损害，因为在运行过程中没有一个缓冲的过程，会使得电机的寿命降低，所以我们尽量要少用这一方法。图5-1等加速度升降曲线与这条曲线所对应的公式代表如下：（5-2）其中、为定值，不能为零。（2）S型加速度升降速曲线通过图5-1和5-2的对比我们就可以很明显地发现，图5-2的这一条曲线更加的平缓。所以，和上一种曲线不同，在这种模式下，电机在三种不同的运动状态下能够进行一个平稳的切换，对电机造成的冲击会较小，这样就能比较好的延长电机的使用寿命，弥补了上一种曲线的缺点。图5-2S型加速度升降曲线与这条曲线所对应的公式代表如下：（5-3）其中、、为定值，且、不能为零。5.2数字PID控制原理这种控制算法在平时的学习中我们就有接触过比较多而且有很多特点。分别是比例环节、积分环节和微分环节。利用这种算法可以很好的提高准确度，因为这种算法可以通过微小的偏差产生效果。而且，使用这种算法会比较简便，从他的构成环节来看就能知道它的结构很清晰，所以我们只要设置好合理的参数，电机便可以在它的作用下平稳高效地运行下去。图5-3数字PID控制原理图所以，我们要想使电机能够更好地运行，我们就得将重点放在这三个环节的参数设置上面。PID控制算法的具体表达式如下：（5.4）其中，：计算过程中的比例系数：积分时间常数：微分时间常数在这个公式中，积分：消除系统静差，同时就能够更好的减小了系统的误差。积分作用的大小与积分常数直接相关，越大，积分作用越弱。那么比例环节的作用就是是放大或者缩小系统所产生的偏差，这样就能比较迅速地把偏差信号线性地放大或者缩小[13]。最后，微分：加快步进电机的反应速度。图5-4步进电机PID控制算法流程图通过一开始对数字PID的相关介绍，我们就能知道要想得到理想的结果，就必须设置好各个环节的参数，所以在一开始我们对各个参数的大概取值范围没不太了解的情况下，我们可以先用适当的参数进行调试，尽量避免选用的参数造成太大的振荡。而且每个参数的调整不可能一次就成功，我们要有耐心，不断调试，找到效果最满意的那组。5.3设计具体方案这次的课题，我决定用步进电机控制的角度测量装置。光电编码器与步进电机同轴，检测步进电机旋转角度，然后再通过另一光电编码器输入到单片机中进行校准。51单片机会在较之后产生一个差值，输出给步进电机。步进电机就通过我们的单片机输入的差值来进行一个调整。5.4本章小结我们这章用到的控制算法为数字PID控制算法。在我们通过对比例环节、积分环节还有微分环节等进行一定的处理，将由于电机的旋转惯性，外加负载的一些情况以及步进电机本身的启动较慢等一些情况带来的误差给尽量减小。

总结与展望在这次的毕业设计中，光电编码器被用作整个系统中的指挥信号使用。我们采用了两个增量式光电编码器，一个作为系统的参考输入，作为指挥信号；另一个放置在反馈回路当中，输出步进电机的实际的旋转角度，这两个编码器根据所处的不同位置分别承担了不同的功能和作用。在程序的设计中，我们将具有指挥功能的编码器称叫做主动编码器，而在反馈回路发挥作用的光电编码器在我们的程序中称为被动编码器。根据上文中提到的主动编码器的作用，我们将主动编码器的程序分成了两个部分进行编写：（1）编写程序，让单片机能够通过采集主动编码器的输入脉冲数进而判断编码器的目前的旋转方向（正向或者反向）；（2）编写程序，让主动编码器与被动编码器的脉冲数能够在51单片机的内部作差，产生需要的偏差信号。以上这些是我们在编程中的主要任务，那么要如何解决这些问题是设计的关键。在我们的编程的过程当中，我们把主动编码器的A相和外部中断INT0进行连接，把B相与I/O接口互相连接，并且将触发方式设置成下降沿触发。当我们的B相呈现的是高电平时，主动编码器正转，计数值加一；当B相变为低电平时，编码器反转，计数值减一。这样就能在此程序中实现主动编码器作为一个指挥输入信号与