導語：步進電機運動控制系統設計論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

PMM8713是日本三洋電機公司生產的步進電機脈沖分配器。該器件采用DIP16封裝，適用于二相或四相步進電機。PMM8713在控制二相或四相步進電機時都可選擇三種勵磁方式(1相勵磁，2相勵磁，3相勵磁三種勵磁方式之一)，每相最小的拉電流和灌電流為20mA，它不但可滿足后級功率放大器的要求，而且在所有輸人端上均內嵌有施密特觸發電路，抗干擾能力很強，其原理框圖如圖1所示，表1所列是PMM8713的引腳功能。在PMM8713的內部電路中，時鐘選通部分用于設定步進電機的正反轉脈沖輸入法。PMM8713有兩種脈沖輸人法:雙脈沖輸人法和單脈沖輸人法。采用雙脈沖輸人法的連線方式如圖4-3-2(A)所示，其中CPICA兩端分別輸人步進電機正反轉的控制脈沖。當采用單脈沖輸人法時，其連線方式如圖2所示；

PMM8713功能介紹

PMM8713是專用的步進電機的步進脈沖產生芯片,它適用于三相和四相步進電機。如圖1所示PMM8713的引腳,Cu為加脈沖輸入端,它使步進電機正轉,Cp為減脈沖輸入端,它使步進電機反轉,Ck

為脈沖輸入端,當脈沖加入此引腳時,Cu和Cp應接地,正反轉由U/D的電平控制,EA和EB用來選擇勵磁方式的,可以選擇的方式有一相勵磁、二相勵磁和一二相勵磁,ΦC用來選擇三、四相步進電機,Vss為芯片工作地,R為芯片復位端,Φ4～Φ1為四相步進

脈沖輸出端,Φ3～Φ1為三相步進脈沖輸出端,Em為勵磁監視端,Co為輸入脈沖監視端,VDD為芯片的工作電源(+4～+18V).其具體的原理框圖如4-3-4所示:

4.4顯示電路與鍵盤的選擇

顯示電路的用8279芯片來驅動，8279芯片分別接兩排顯示器，每排為4位顯示，分別用來顯示步進電機的實際轉速與給定轉速。

8279與CPU的連接框圖如4-11所示：

8279芯片的具體介紹如下；

1)DB0～DB7：雙向數據總線。在CPU于827數據與命令的傳送。

2)CLK：8279的系統時鐘，100KHZ為最佳選擇。

3)RESET：復位輸入線，高電平有效。當RESET輸入端出現高電平時，8279被初始復位。

4)/CS：片選信號。低電平使能，使能時可將命令寫入8279或讀取8279的數據。

5)A0：用于區分信息的特性。當A0=1時，CPU向8279寫入命令或讀取8279的狀態；當A0為0時，讀寫一數據。

6)/RD：讀取控制線。/RD=0,8279會送數據至外部總線。

7)/WR：寫入控制線。/WR=0,8279會從外部總線捕捉數據。

8)IRQ：中斷請求輸出線，高電平有效。當FIFORAM緩沖器中存有鍵盤上閉合鍵的鍵碼時，IRQ線升高，向CPU請求中斷，當CPU將緩沖器中的輸入鍵數的數據全部讀取時，中斷請求線下降為低電平。

9)L0～SL3：掃描輸出線，用于對鍵盤顯示器掃描?？梢允蔷幋a模式（16對1）或譯碼模式（4對1）。

10)～RL7：反饋輸入線，由內部拉高電阻拉成高電平，也可由鍵盤上按鍵拉成低電平。

11)FT、CNTL/STB：控制鍵輸入線，由內部拉高電阻拉成高電平，也可由外部控制按鍵拉成低電平。

12)TB0～3、OUTA0～3：顯示段數據輸出線，可分別作為兩個半字節輸出，也可作為8位段數據輸出口，此時OUTB0為最低位，OUTA3位最高位。

13)消隱輸出線，低電平有效。當顯示器切換時或使用消隱命令時，將顯示消隱。具體芯片理框圖如4-4-1所示：

鍵盤的連接一般有兩種方式，一種是獨立式鍵盤；一種是行列式鍵盤。獨立式鍵盤就是各個鍵相互獨立，每個鍵盤接一根輸入線，通過檢測輸入線的電平狀態來確定那個鍵按下。這種鍵盤的輸入線較多，結構復雜，一般適用于按鍵較少操作速度較高的場合。而行列式鍵盤是由行和列線交義組成，一般用于按鍵較多的場合。本次設計一共用9個鍵因此采用行列式鍵盤。具體的原理圖如4-4-2所示:

圖4-4-2鍵盤連接圖

顯示電路的選擇

顯示電路選用兩排LED顯示，每排分別為四位。能滿足設計的要求，轉速范圍為0至1000。LED顯示電路有兩種接法，一種為共陰極，一種為共陽極。原理圖如4-14所示:

、

4.5反饋電路的選擇

應選用光電編碼器作為反饋元件，光電編碼器與步進電機是同軸的輸出經過放大送到計算機。并通過顯示器顯示出步進電機的實際轉速。關于光電編碼器的說明如下；

4.5.1光電編碼器原理

光電編碼器，是一種通過光電轉換將位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖1所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。

圖4-5-1光電編碼器的原理圖

根據檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。

本次設計用絕對式編碼器其原理如下：

絕對編碼器是直接輸出數字量的傳感器，它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心磁道，每條道上由透光和不透光的扇形區相間組成，相鄰碼道的扇區數目是雙倍關系，碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數，在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件；當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，形成二進制數。這種編碼器的特點是不要計數器，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國內已有16位的絕對編碼器產品。絕對式編碼器是利用自然二進制或循環二進制（格雷碼）方式進行光電轉換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設計可采用二進制碼、循環碼、二進制補碼等。它的特點如下：

1)可以直接讀出角度坐標的絕對值；

2)沒有累積誤差；

3)電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數來決定的，也就是說精度取決于位數，目前有10位、14位等多種。

4.6電源電路設計

本次設計用了+5V、+12V電源，采用的是78系列的集成固定三端穩壓管。78系列集成穩壓器輸出穩定，漂移小，精度也比較高。其內部也有完善的保護電路。它有風部過流保護，保證輸出電流部會超出最大允許值；它有內部熱保護電路，如果輸出管的結溫達到允許的最大值，它會知道減小輸出電流；它內部還有工作區限制電路。使穩壓器的工作臺不進入不安全區。因此，它的可靠性高。另外，它只有三條引腳，移位輸入，移位輸出，移位公共端，使用起來很簡單。

1.變壓

電源變壓器將220V的交流電壓變為所需的交流電壓值。因為在整流、濾波和穩壓電路中有一定的壓降，所以要使輸出電壓比所需電壓高2V~3V。

2.整流

整流電路將交流電壓變為脈沖的直流電壓，常用的整流電路有單相半波，全波，橋式和倍壓整流電路。這里采用單相橋式不可控整流電路。

3.濾波

濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的波紋，一般由電抗元件組成。如要負載兩端并聯電容或與負載串聯電感L。以及C和L組合而成的各種復式濾波電路。因為電容濾波電路簡單，負載直流電壓較高，波紋較小，所以我們采用的是電容式濾波。

4.穩壓

穩壓的作用電當電網電壓波動，負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩定。本設計采用三端集成穩壓器，常用的是7800系列和7900系列。前者是三端固定正輸出集成穩壓器，后者是三端固定負輸出極集成穩壓器，整流后的輸出波形與純直流相差甚遠，須經濾波才能作直流電源用。最常用的元件是電容。整流輸出的電壓升高時，輸出的電流一面供給負載應用，一面給濾波電容充電。當整流輸出電壓開始下降時，電容向負載放電以維持輸出電壓，總的輸出電壓波形就平滑得多。

下面以電源+12V為例介紹一下電路的工作原理：

圖4.6+12電源電路圖

220V，50HZ的交流電壓變壓后，輸出+15V左右的交流電壓其頻率仍為50HZ，交流信號經橋式整流電路進行全波整流，然后，經電解電容濾波。最后，經CW7805（三端固定穩壓器）輸出的便是一個平穩的+12V的直流電壓信號。電容C4和C5的作用是濾高頻波和抑制自激振蕩。

4.7抗干擾設計

由于系統中不可避免會從外界引入干擾，影響系統的控制精度，使系統的穩定性變差，故采用了硬件和軟件抗干擾措施。

1.干擾對微機的作用可分為四部分：

①輸入系統：它使模擬信號失真，輸入數據信號出錯。

②輸出系統：使各輸出信號混亂，不能反映微機系統的真實輸出量。從而導致一系列嚴重的后果，同時，還把現場的高電壓設備與主機隔離，防止出現高頻干擾現象。

③微機控制的內核，使三總線上的數據信號混亂，CPU得到錯誤的數據信息，使運算操作數失真。

④電源系統：我們設計所采用的芯片都由直流穩壓電源供電。這些直流穩壓電源都是由220伏轉化而來，有可能產生波動現象。使電源的壓降上升或下降，對主機運行產生干擾。

2.本次設計采用的硬件抗干擾措施有：

①在電路排列方面，模擬電路和數字電路之間集中在一起，器件之間盡量縮短距離減小寄生電容。

②在線路設計中，將所有器件的模擬地線和數字地線都區分開，兩者的地線不要混亂，分別與電源地線相連。

③電源系統的干擾大部分是高次諧波，然后接穩壓器件，以保持電源穩定。

④采用分散獨立功能模塊供電，在每塊系統功能模塊上用集成三端固定穩壓器如7805、7812、7815、7915等穩壓源，而且也減少了公共阻抗的相互耦合，大大提高了供電的可靠性。

3.程序監視系統中的抗干擾（電源部分）

WATCHDOG本身能獨立工作，基本上不依賴于CPU，當電源受干擾而掉電時，WATCHDOG自動產生中斷。使CPU備用電源起作用，對CPU正在執行的數據進行保護。

4.8看門狗電路

工業環境中的干擾大多是以窄脈沖的形式出現，而最終造成系統故障的多數現象為“死機”。究其原因是CPU在執行某條指令時受干擾的沖擊，使它的操作碼或地址碼發生改變，致使該條指令出錯。這時,CPU執行隨機拼寫的指令，甚至將操作數作為操作碼執行，導致程序“跑飛”或進入“死循環”。為使這種“跑飛”或進入“死循環”的程序自動恢復，重新正常工作，就是看門狗。若程序發生“死機”，則看門狗電路產生復位信號，引導單片機程序重新進入正常運行。

此外，工業現場由于諸多大型用電設備的投入或撤出電網運行，往往造成系統的電源電壓不穩定，當電源電壓降低或掉電時，會造成重要的數據丟失，系統不能正常運行。若設法在電源電壓降至一定的限值之前，單片機快速的保存重要數據，將會最大限度地減少損失。在掉電方式下單片機內所有運行狀態均被停止，只有片內RAM和SFR中的數據被保存起來。在單片機系統可借助于一定的外部附加電路監測電源電壓，并在電源發生故障時及時通知單片機（本次設計是通過引發INT0中斷來實現的）快速保存重要數據，使電源恢復正常，取消掉電方式，通過復位單片機，使系統重新正常。

4.8.1MAX813L功能簡介

MAX813L是美國MAXIM公司推出的微處理機系統監控集成芯片，該芯片的價格低，減少了器件個數，所構成的電路性能更可靠，MAX813L提供如下四種功能：

1.上電、掉電以及供電電壓下降情況下的復位輸出，復位脈沖寬度典型值為200MS。

2.獨立的看門狗輸出。如果看門狗在1.6S內未被觸發，其輸出將變為低電平。

3.1.25V門限值檢測器，用于電源故障報警、電池低電壓檢測或+5V以外的電源的監控間[6]。

4.低電平有效的手動復位輸入。

4.8.2看門狗電路各引腳功能

1.手動復位輸入端（MR）：當該端輸入低電壓保持140ms以上，MAX813L就輸出復位信號。輸入端的最小輸入脈沖寬要求可以有效的消除開關的抖動。

2.工作電源端（VCC）：接+5V電源。

3.電源接地端（GND）：接0V參考電平。

4.電源故障輸入端（PFI）：當該端輸入電壓低于1.25V時，5號引腳輸出端的信號有高電平變為低電平。

5.電源故障輸出端（PFO）：電源正常時，保持高電平，電源電壓變低或掉電時，輸出由高電平變為低電平。

6.看門狗信號輸入端（WDI）：程序正常運行時，必須在小于1.6s的時間間隔內向該輸入端發送一個脈沖信號，以清除芯片內部的看門狗定時器。若超過1.6s該輸入端收不到脈沖信號，則內部定時器溢出，8號引腳由高電平變為低電平。

7.復位信號輸出端（RST）：上電時，自動產生200ms的復位脈沖：手動復位端輸入低電平時，該端也產生復位脈沖。

8.看門狗信號輸出端（WDO）：正常工作使輸出保持高電平，當WDI端在1.6S接收不到信號時，該端輸出信號由高電平變為低電平。

如圖5-6給出了MAX813L在單片機系統中的應用電路圖。此電路可以實現上電，瞬時掉電以及程序運行實現“死機”時的自動復位和隨時的手動復位；并且可以實時的監視電源故障，以便及時地保存數據[6]。

本電路巧妙的利用了MAX813L的手動復位輸入端。只要程序一旦跑飛引起程序“死機”，WDO端電平由高到低，當/WDO變低超過140ms，將引起MAX813L產生一個200ms的復位脈沖（本次設計中將MAX813L的RET端同時8031、8155的復位端RESET相連，使之同時復位）。同時使看門狗定時器清0和使引腳變成高電平。也可以隨時使用手動復位按鈕使MAX813L產生復位脈沖，由于為了產生復位脈沖端要求低電平至少保持140ms以上，故可以有效的消除開關抖動。

該電路可以實時的監控電源故障（如掉電、電壓降低）。圖5-6中R1的一端接未經穩定的直流電源。電源正常時，確保R2上的電壓高于1.6V。當電源發生故障，PFI輸入端的電平低于1.25V時，電源故障輸出端電平由高變低，引起單片機中斷，CPU中斷相應服務程序，保護數據，斷開外部用電電路等。

第5章算法的設計：

算法對于步進電機調速系統設計是一個相當重在的環節，因為只有確定了算法之后才能對步進電機的速度進行準確的控制，并時也能達到精確的調速目的。同時算法也是編寫軟件的前提與基礎?？刂扑惴ㄓ卸喾N，常用的兩種算法是PID和模糊控制算法。

PID控制與模糊控制是兩種常用的控制方法,但它們還存在一些不足,如一般PID控制容易產生超調、模糊控制的穩態精度不高,在這兩種控制方法基礎上進行改進,可產生多種更好的控制方法。本文采用的復合PID控制算法和帶動態補償的模糊控制算法克服了以上缺陷,取得了較好的實驗效果。

5.1PID控制算法

PID調節的實質就是根據輸入的偏差值,按比例、積分、微分的函數關系,進行運算,將其運算結果用以輸出控制,將基本PID算式離散化可得到位置型PID控制算法,對位置型PID進行變換可得到增量型PID控制算法。對控制精度要求較高的系統一般采用位置型算法,而在以步進電機或多圈電位器做執行器件的系統中,則采用增量型算法。

PID是一種工業控制過程中應用較為廣泛的一種控制算法，它具有原理簡單，易于實現，穩定性好，適用范圍廣，控制參數易于整定等優點。PID控制不需了解被控對象的數學模型,只要根據經驗調整控制器參數,便可獲得滿意的結果。其不足之處是對被控參數的變化比較敏感。但是通過軟件編程方法實現PID控制,可以靈活地調整參數。,盡管近年來出現了很多先進的控制算法，但PID控制仍然以其獨有的特點在工業控制過程中具有相當大的比重，且控制效果相當令人滿意。

連續PID控制器也稱比例－積分－微分控制器，即過程控制是按誤差的比例（P-ProportionAl）、積分（I-IntegrAl）和微分（D-DerivAtive）對系統進行控制，其系統原理框圖如圖5-1所示：

它的控制規律的數學模型如下：

\*MERGEFORMAT\*MERGEFORMAT(5-1)

或寫成傳遞函數形式：

\*MERGEFORMAT(5-2)

式中，e(t)：調節器輸入函數，即給定量與輸出量的偏u(t)：調節器輸出函數。

Kp：比例系數；

T：積分時間常數；

T：微分時間常數。

將式（2-1）展開，調節器輸出函數可分成比例部分、積分部分和微分部分，它們分別是:

⑴比例部分比例部分的數學表達式是\*MERGEFORMAT,p在比例部分中，Kp是比例系數，Kp越大，可以使系統的過渡過程越快，迅速消除靜誤差；但Kp過大，易使系統超調，產生振蕩，導致不穩定。因此，此比例系數應選擇合適，才能達到使系統的過渡過程時間短而穩定的效果。

圖為比例調節器

（5-3）

比例調節器

其中：U控制器的輸出

\*MERGEFORMAT比例系數

E調節器輸入偏差

\*MERGEFORMAT控制量的基準

比例作用：迅速反應誤差，但不能消除穩態誤差，過大容易引起不穩定。