基于ATMEGA128单片机步进电机加减速控制系统设计.doc

基于ATMEGA128单片机步进电机加减速控制系统设计 　　摘 要 相应的控制电路和有效的加减速算法对于提升步进电机的整体性能是非常重要的。基于ATMEGA128单片机的控制电路，具有电路简单，低功耗，高稳定性和很好的实时控制性等优点。文章提出一种基于S曲线的加减速算法，使步进电机的有效控制性能进一步提升。 　　关键词 步进电机；实时控制；加减速；定时器中断；ATMEGA128 　　中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）17-0030-02 　　步进电机能够实现高精度、快速开环控制，所以在运动控制系统中得到广泛的应用，快速精确定位系统是步进电机一个非常重要的应用。 　　在步进电机的运行不同阶段往往会由于步进脉冲过快，在启动阶段发生失步现象，而在停止或减速阶段又会产生超步的现象。为了防止上述现象并且进一步提高工作频率，需要对步进电机进行升降速性能的控制。 　　本系统采用ATMEG128芯片作为控制器，使用S型加减速控制曲线，系统经多次运行，并且应用在公司的设计生产中，达到了预期目标。 　　1 系统设计原理 　　1.1 步进电机介绍 　　步进电机是一种将脉冲信号转换成角位移的数字控制电机。由于以下的几点条件，使得步进电机非常适用于单片机控制：第一是电机的转速以及停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不会受到负载变化的影响；第二是在步进电机非超载的情况下，步进电机具有良好的线性关系以及步进电机无累积误差。 　　1.2 AVR单片机ATMEGA128的介绍 　　ATMEGA128是ATMEL公司的8位系列单片机的最高配置的一款单片机，基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，由于其稳定性很高，在该系统的设计中将采用其作为控制芯片。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 　　ATMEGA128内核的32个通用工作寄存器和指令集是比较丰富的。所有的寄存器都直接与运算逻辑单元交换数据，在一个时钟周期内一条指令可以同时访问到两个独立的寄存器，大大提高了代码效率和数据吞吐量。 　　1.3 系统功能分析 　　步进电机控制系统利用上位机通过串口来发送和接受命令。该控制系统可???体实现下面所述的3点功能。 　　1）通过按键控制步进电机的启动和停止，同时也可以很方便的对步进电机的转速和方向进行设置。 　　2）显示部分可以显示步进电机的速度、加速度、减速度和位置等参数。 　　3）通过PC上位机实现对系统的控制。 　　2 系统软件设计 　　若步进电机在升降速过程中存在不合理的脉冲频率变化情况，就会使步进电机发生失步或者超步的现象，系统便没有办法做到精确定位。可以设计可靠地加减速算法，提供合理加减速曲线，在保持定位精度的前提下，使得快速性的要求也能得到满足。因此必须要对脉冲频率和加减速运行规律进行合理的研究，得出最佳加减速曲线，使步进电机以较好的速度达到快速定位。 　　2.1 系统软件总体设计 　　程序首先计算系统运行需要的各个加速度、减速度和最大速度等参数，然后保存这些参数。然后启动单片机的定时器，采用CTC方式，根据速度曲线定时器产生中断，调用中断函数发送脉冲式步进电机运动。在中断函数中，会计算定时器需要的比较参数进而产生发送脉冲的频率。在电机加速阶段和减速阶段，电机每一步运行发送的脉冲间隔都必须被计算出并且送给定时器。 　　2.2 加减速曲线 　　当步进电机的运行频率比它本身的启动频率大时，若直接用运行频率启动，由于频率过高，步进电机会发生丢步，同样，在停止阶段会发生超步的现象。步进电机加减速曲线在目前最主要有以下这3种。 　　1）我们称为直线型加减速速度曲线。这种方法以恒定的加速度、减速度进行加减速控制，直线型加减速控制方法适用于对加减速变化频率要求不高的场合。 　　2）我们称为指数型加减速曲线。该曲线符合步进电机加减速过程的运动规律，对步进电机有效转矩利用比较充分，而且快速性较好。这种方法具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性较差。 　　3）是S型加减速曲线。其运动过程包括加速、匀速和减速这三个运动阶段。这种方法将直线型加减速控制和指数型加减速控制结合在一起，在匀速阶段发送较快的脉冲，在加速和减速这样的低速阶段充分利用其有效转矩，能够有效缩减加减速过程的时间，同时增强其跟踪能力。总之，S型加减速曲线能够很好的满足系统对于加减速平稳性的性能要求。 　　2.3 加减速控制算法的设计 　　由S型加减速曲线的特性可以知道，速度曲线将从零速度和一定的加速度开始加速到一个指定的速度。步进电机将以这个速度进行匀速运动，知道减速阶段的到来。最后步进电机开始减速到零速度。在计算加减速曲线有两种不同的