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音曼顿基于PIC单片机步进电机的控制驱动

作者:音曼顿 浏览: 发表时间:2022-06-09 10:38:15



1、引言


步进电机是一种离散运动装置,与现代数字控制技术密切相关。步进电机也是将电脉冲转换为角位移或直线位移的执行机构。当步进电机驱动器接收到脉冲信号时,驱动步进电机按设定方向旋转固定角度(也称为步进角),控制脉冲数控制角位移,达到准确定位的目的;通过脉冲频率控制步进电机的旋转速度和加速度,达到调速的目的。从以上可以看出,步进电机可以直接使用脉冲信号进行定位控制,具有一定的精度,控制线路简单,使用方便可靠;广泛应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备(扫描仪、磁盘驱动器、打印机)、相机(包括光学相机和数码相机)、投影仪、数码相机、放影仪、放影仪、(VCD、DVD 等。)、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗设备、条形码扫描仪和各种可控机械工具。随着经济的发展、技术的进步和电子技术的发展,步进电机的应用领域更加广泛,对步进电机的运行性能提出了更高的要求。本文使用了目前流行的 PIC 单片机研究讨论了步进电机控制和自适应控制技术在步进电机中的应用。


2.自适应控制原理


2.1 系统原理框图



 显示了模型参考自适应控制系统的原理框图。从图中可以看出,与典型的反馈控制系统的区别在于在图 1 中添加了参考模型和自适应机构。在自适应控制系统中,当偏差信号 e(t)=x(t)-y(t)进入自适应控制电路后,运行后会产生准确实时的调整效果,从而改变控制器的参数,使 x(t)-y(t)=e(t)自适应控制调整控制器参数过程完成,直至等于零。

 自适应控制系统原理框图


2.2 基于 PIC 单片机构步进电机自适应控制


采用 PIC 单片机构成步进电机自适应控制系统如图 2 所示。


2 基于 PIC 单片步进电机自适应控制系统组成框图


软件程序完成了系统的参考模型、自适应控制器等算法和参数调整,模拟量 r(t)都需要通过模数变换器 A/D 口送入单片微处理器,微处理器产生的控制信号通过 I/O 口经电源放大器直接控制物体的驱动。本文使用的 PIC 单片机为 PIC16F877 型。PIC16F877 单片机为 40 引脚微处理器,其除了具有 PIC除了 系列单片机的共同特点外,还具有以下特点:(1)振荡频率(DC)20MHz;(2)有 4KB 的 FLASH 程序存储器(14 位);(3)128 字节 E2PROM 数据区;(4)192 字节数据存储器;(5)33 条 I/O 线;(6)3 定时器;(7)8 路 10 位A/D 口通道;(8)2 PWM 于 PIC16F877 已在片中集成了这么多的外围设备,可使控制系统的硬件电路更为简单,并且大大提高了系统的可靠性,故此其特别适合用于步进电机的驱动控制。


基于 PIC16F877 步进电机控制系统硬件结构图如图 3 所示。


3


本文讨论的步进电机是用于数控机床的 5 混合 90BYG550A-0301 型,其 PIC 步进电机驱动系统结构图如图 4 所示。


4 基于 PIC 步进电机驱动系统结构图


3、软件设计


3.1 步进电机的升降曲线


有三种常见的步进电机升降速运行曲线,即直线型、阶梯型和指数型。本文仅讨论直线升降速曲线,如图 5 所示。


这种直线升降速度运行曲线的升降速度加减速度是恒定的。在开环控制中,由于不可能充分考虑步进电机输出扭矩随速度变化的特点,步进电机在高速时会失速。在本文讨论的控制系统中,由于反馈和自适应技术的应用,可以克服这一缺点。

根据步进电机的工作原理,步进电机的输出扭矩随其旋转角速度而变化。因此,在整个提升速度过程中,步进电机的角加速度应随转子角速度的变化而自适应变化。因此,寻求提升速度曲线的自适应规律是实现步进电机精确定位的关键。


3.2 软件构成


根据步进电机控制系统的功能,软件程序主要包括:故障中断处理程序、定期移位中断程序、步进控制信号中断处理程序、相序刷新和通信处理程序、提升速度曲线自适应控制处理程序。


本文主要介绍了升降速曲线自适应控制处理程序。为升降速曲线自适应控制处理程序流程图。


6 提升速度曲线自适应控制程序图


4、讨论


由于步进电机由脉冲信号控制,用开环控制,是一种简单、实用、经济、可行的技术方案。然而,在开环控制步进电机驱动系统中,其输入脉冲不依赖转子的位置,而是按照一定的规则,控制系统不能根据运行频率和负载调整其控制参数,给步进电机的开环运行带来一些不利因素,特别是在低频、中频的某些频率点,在高频区域下降;振荡和电磁扭矩下降可能导致失步和位置控制不准确。


闭环反馈控制和自适应控制是直接或间接检测转子的位置和速度,通过反馈和自适应处理,根据优化的升降运行曲线,自动发送驱动脉冲串,不仅可以显著提高步进电机的拖动扭矩特性,可以获得更准确的位置控制和更高、更稳定的速度,而且可以使步进电机在许多其他领域获得更大的通用性和实用性。


5、结束语


采用自适应控制技术PIC 单片机实现方法应用于步进电机的控制驱动,可充分利用步进电机的有效扭矩,显著提高动态过程的快速响应性和鲁棒性,缩短提升速度时间,防止损失和过度冲击。实验结果表明,采用本文所述自适应控制技术方案的步进电机可以顺利可靠地沿着设计的曲线和性能运行,提升速度过程稳定快速。PIC 单片机价格低廉,性能可靠,集成度高。许多外围元件已经集成到块中,这使得外围电路非常简单。此外,指令很少,因此使用 PIC 单片机作为步进电机控制系统的核心处理器,是实用经济的选择。


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