单片机实现两相异步电机的SVPWM控制

基于单片机的步进电机控制系统

摘 要:本文论述了以单片机AT89C51为控制器的步进电机的控制系统,内容主要包括该系统的硬件组成,步进电机运行过程的详细分析,PC机与AT89C51单片机之间的串行通信以及AT89C51单片机对步进电机的控制程序流程图颂让耐等。关键字:单片机通信步进电动机

1 引言

平为TTL电平,为了取得一致的传输信号,因此需要采用电平转换在电气时代的今天,电动机一直在现代化的生产和生活中起芯片MAX485。根据实际需求选用AT89C51单片机,但由于其数着十分重要的作用。无论是在工农业生产还是在日常生活中的家据存储区只有256个单元,需要扩展片外数据存储器6264。此外用电器,都大量地使用着各种各样的电动机。因此对电动机的控采用脉冲分配器CH250实现单片机对步进电动机的通电换向即脉制变得越来越重要了。电动机的控制技术的发展得力于微电子技冲分配,通过光电耦合器4N25实现步进电动机与单片机的电气隔术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、离,由于单片机本身的驱动能力有限,因此需要采用专门的驱动电微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控路单电压驱动来实现功率放大,从而为电动机提供足够大的电流。制技术在近二十多年内发生了翻天覆地的变化。其中电动机的控总体的硬件方框图如图1所示:制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制。本文采用硬件和软件相结合的办法实现单片机对步进电动机的运动控制。

2 硬件部分

[2]

PC机与AT89C51单片机 之间的串行通信在硬件上是由转换器ATC－106和电平转换芯片MAX485来完成的。由于PC机图1 总体的硬件框图采用的是RS－232C接口标准,根据项目要求与生产中的实际情况,需要采用传输距离较远的RS－485,因此需要采用RS-232C

3 软件部分

收稿日期:2007-05-18

通过软件实现PC机与单片机间的异步串行通信。PC机采用滑蔽查询的方式发送和接收数据,单片机采用中断的方式接收PC机 T —— 步进电动机运行第 ＋1 步时所用的时间

N

1+N

1

1

传送的信息,从而确定步进电动机的旋转方向,走的总的脉冲数即匀速运行每一步所需要的时间采用软件延时法控制脉冲的分配,从而控制步进电动机的整个运 由于采用软件延时的方法来控制单片机发出脉冲的时间间行过程。 隔即通过改变脉冲的频率来改变步进电动机的运行速度。在步进电动机匀加速运行阶段,只需按电动机每走一步所需要的时间

3.1 步进电动机运行的分析

[4]

来调用延时子程序即可。根据步进电动机 的加减速要有严格的控制要野春求,那就是保证在

-VV

1-

ii

不失步和过冲的前提下,用最快的速度和最短的时间移动到指定

=a

（6）

+

TT

1-

ii

位置。本设计要求步进电动机的速度按图2所示运行。

—— 步进电动机匀加速运行阶段走第i步时的速度

V

i

—— 步进电动机匀加速运行阶段走第i步时所用的时间

T

i

由于步进电动机在匀加速运行阶段走最后一步时的速度与匀速运行时的速度V相同

V

N

1

L

L

＝V= 又因为 ＝ 将其代入

＝

且

V V

V

V

N

1+N

1

1

1-i

i

T

T

i

1-i

（2-6）

TL

TL

-

1-ii

整理得到

a＝

+TT

-1ii

2

2

＋

＋

（7）

TaT

0=LT

TaTL

( )

-

1-ii

i

1-ii

图2 步进电动机的运行过程

通过软件调用一个开平方函数就可以求得首先令i＝

N

1

由图可知匀加速阶段与匀减速阶段的加速度和减速度大小等直到 、T ,这样就可以求出步进电动机匀

、

、

T

1

T

T

T

2

1-N

3-N

2-N

1

1

1

相同,方向相反,加减速的时间相同,因此只需算出加速段走的步加速运行阶段从静止开始每走一步所用的时间。电动机在升速数就可以知道减速时所走的步数,二者是一样的。计算过程如下:过程中所走的总的步数即脉冲数为 ,从静止开始步进电动机

N

1

首先,恒速运行时的速度V是由用户设置的,因此是一个已在匀加速阶段每走一步,升速阶段的总步数就减1,通过软件延时知量。加速度a,一个脉冲走过的距离L,整个运行过程所走的步的方法来控制走每一步所用的时间,加速阶段的延时时间是逐渐数即总的脉冲数P也都是给定值。运行方向是根据用户的要求,这样进行下

、

直到 、 、

变短的,依次为 、

T

T

T

T

T

T

1

3-N

2

2-N

1

N

1-N

1

1

1

由软件确定的。去,直到 ＝0,加速过程结束,进入恒速运行阶段。步进电动机

N

1

接着计算步进电动机运行时间

N

在恒速过程中走的总步数为 ,从恒速运行开始,电动机每走一

3

—— 为步进电动机匀加速运行时所用

根据

tatV =1 1

步,恒速总步数就减1,因为恒速运行时走每一步用的时间都是相的时间同的,因此软件延时的时间均为 ,直到恒速总步数减为0,恒

T

V

1+N

1

可以求出t ＝

(1）

1

a

速过程结束,进入减速运行阶段。由于匀减速运行的过程是加速由于匀加速阶段与匀减速阶段的加速度大小相同,因此匀过程的逆过程,在匀加速运行阶段,步进电动机走的总的步数为

t

加速运行阶段所用的时间t 与匀减速运行时所用的时间 是相

2

1

,且 ＝N ,减速阶段电动机每走一步,减速总步数就减1,

N

N

1

1

2

2

2

at

。因为是匀加速运行,所以S＝同的,即t ＝

,由a和t

t

1

1

1

2

2

软件延时的时间是逐渐变常的,依次为 、

、 、 直

T

T

T T

N

1-N

2-N 3-N

1

1

1 1

求出步进电动机匀加速运行阶段走过的总的距离,通过

2

到 、 ,减速总步数减为0,减速过程结束,电动机停止运行。

T

S

T

at

21

2

1

1

N

＝

（2）

＝

1

L

L 3.2 通信软件的设计

可以求出匀加速运行阶段步进电动机走的总步数即脉冲

[5]

PC机与AT89C51的串行通信程序 由两部分组成:一部分数。由于步进电动机匀减速运行阶段是匀加速运行阶段的逆过是PC机的通信程序,另一部分是AT89C51的通信程序。PC机程,因此匀减速运行阶段所走的步数与匀加速运行阶段所走

N

2

发送时,AT89C51单片机一定接收PC机接收时,AT89C51单片的步数 是相同的,即 ＝ ,由P、 和 可以求出步进电

N N N

N N

1

1

2

1 2

机肯定发送。而且对应发送和接收的字符要相同,否则不能达到动机匀速运行阶段走的总步数即脉冲数为 ,即

N

3

正常通信的目的。此次设计PC机采用8086/8088汇编语言编

N＝P－ － ＝P－2

（3）

N

N

N 1

3 1

2

写,AT89C51单片机端采用MCS－51语言编写。为了保证数据步进电动机匀速运行时走每一步即每一个脉冲所需要的时通信的可靠性,制定通信协议如下:间是相同的,根据

① PC机与AT89C51单片机都可以发送和接收

L

（4）

V=

② PC机与AT89C51单片机的通信波特率为9600bps,采

T

1+N

1

L

（5）

因此

T

=

用的晶振频率为24MHZ,定时器T1工作在模式2,SMOD设置

为1,TH1的预设值为0CH,TL1的预设值为00H。

③ PC机与AT89C51单片机均采用串行口方式3。

④ 帧格式为:1位起始位,8位数据位,1位偶效验位,1位停止位。

⑤ PC机发送的数据帧为:

表1 PC机发送数据帧表

帧起始标志为 02H,假设电动机的运行标号为5号,对应的ASCII码值为30H,35H两个字节表示。若命令为传送命令MOV则用0表示,其对应的ASCII码值为30H,用一个字节表示。D表示步进电动机运行的方向标志,若为0则表示电动机正转,其对应的ASCII码值为30H若为1,则表示电动机反转,其对应的ASCII码值为31H。P表示PC机传送给单片机的总的走的脉冲数。若传送的命令为设置命令SET则用1表示,其对应的ASCII码值为31H,用一个字节表示。需要单片机设置的参数有:a, V和 L为了便于PC机与AT89C51的通信编程,数据的长度取6个字节。传送的数据只有5个字节,剩余的1个字节均用ASCII码值30H补足,对应的为0。这样做不影响效验和。若为传送命令帧,则效验和定义为方向信号D与总的脉冲数P的十六进制之和再转换为相对应的ASCII码值。若为设置命令帧,则效验和定义为a、V与L的十六进制之和再转换为D对应的ASCII码值。帧结束标志为03H。

⑥ PC机采用查询的方式发送和接收数据,AT89C51单片机采用串行口中断的方式接收和发送数据。

3.3 控制软件的设计控制步进电动机匀加速、恒速、匀减速运行的程序流程图如图2。图2 控制步进电机的程序流程图

4 结束语

参考文献:

[1] 韩全立。单片机控制技术及应用[M]。北京:电子工业出采用本方案可以很好的实现对步进电动机的控制。目前此版社,2004方案已经成功应用于电机控制的工厂等并取得了良好的效益,并

[2] 求是科技。单片机典型模块设计实例导航[M]。北京:人正试图将其进一步完善以应用于压缩机、洗衣机等日常设备中。民邮电出版社,2004

[3] 胡汉才，单片机原理及系统设计[M]。北京:清华大学出当然,随着控制产品与控制技术的发展,步进电机的控制也会得到版社,2002进一步完善。

[4] 王晓明。电动机的单片机控制[M]。北京:北京航天航空大学出版社,2002

[5] 杨金岩,郑应强,张振仁。8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例[M]。北京:人民邮电出版社,2005

void svpwm(float *ptr)

{

int A,B,C,N

double X,Y,Z,Tx,Ty,T0,T1,Tm,Th

if(usbeta>0)A=1

else 耐仿A=0

if((1.732051*usalfa-usbeta)>0)B=1

else B=0

if((1.732051*usalfa-usbeta)>0)C=1

else C=0

N=A+2*B+4*C//计算扇区

X=1.732051*usbeta*Ts/udc

Y=(0.8660*usbeta+1.5*usalfa)*Ts/udc

Z=(-0.8660*usbeta+1.5*usalfa)*Ts/udc

swith(N)//各扇区昌运纤工作时间悄虚

{

case 1:Tx=YTy=-Zbreak

case 2:Tx=-XTy=Ybreak

case 3:Tx=ZTy=Xbreak

case 4:Tx=-ZTy=-Xbreak

case 5:Tx=XTy=-Ybreak

default:Tx=-YTy=Z

}

if((Tx+Ty)>Ts)

{

Tx=Tx*Ts/(Tx+Ty)

Ty=Ty*Ts/(Tx+Ty)

}

T0=(Ts-(Tx+Ty))/4

T1=(Ts+Tx-Ty)/4

Tm=(Ts-Tx+Ty)/4

Th=(Ts+Tx+Ty)/4

swith(N)//比较寄存器赋值

{

case 1:*ptr=Tm*(ptr+1)=T0*(ptr+2)=Thbreak

case 2:*ptr=T0*(ptr+1)=Th*(ptr+2)=Tmbreak

case 3:*ptr=T0*(ptr+1)=T1*(ptr+2)=Thbreak

case 4:*ptr=Th*(ptr+1)=Tm*(ptr+2)=T0break

case 5:*ptr=Th*(ptr+1)=T0*(ptr+2)=T1break

default:*ptr=T1*(ptr+1)=Th*(ptr+2)=T0break

}

}

需要解决SVPWM信号波形产生、死区时间控制、实时性要求等问题，建议选择速度较快的单片机（100MPS以上且有硬件的PCA功能），或用FPGA产生SVPWM信号，用单片机做一些简单控控制接口，这样会更稳定一些。

------------------------------------以下资料引用------------------------------------

SVPWM：空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation)

SVPWM的主要思想是:以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢兆启量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。

普通的三相全桥是由六个开关器件构成的三个半桥. 这六个开关器件组合起来（同一个桥臂的上下半桥的信号相反）共有8种安全的开关状态. 其中000、111（这里是表示三个上桥臂的开关状态）这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的电流。因此称其为零矢量。另外6种樱液开关状态分别是六个有效矢量。它们将360度的电压空间分为60度一个扇区，共六个扇区，利用这六个基本有效矢量和两个零量，可以合成360度内的任何矢量。

当要合成某一矢量时先将这一矢量分解到离它最近的两个基本矢量，而后用这两个基本矢量矢量去表示，而每个基本矢量的作用大小就利用脊猜物作用时间长短去代表。

在变频电机驱动时，矢量方向是连续变化的，因此我们需要不断的计算矢量作用时间。为了计算机处理的方便，在合成时一般是定时去计算（如每0.1ms计算一次）。这样我们只要算出在0.1ms内两个基本矢量作用的时间就可以了。由于计算出的两个时间的总合可能并不是0.1ms(比这小)，而那剩下的时间就按情况插入合适零矢量。 由于在这样的处量时，合成的驱动波形和PWM很类似。因此我们还叫它PWM，又因这种PWM是基于电压空间矢量去合成的，所以就叫它SVPWM了。

需要明白的是，SVPWM本身的产生原理与PWM没有任何关系，只是象罢了。SVPWM的合成原理是个很重要的东东，它并不只用在SVPWM，在其它一些应用中也很有用的。

SVPWM特点：

1.在每个小区间虽有多次开关切换，但每次开关切换只涉及一个器件，所以开关损耗小。

2.利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简单。

3.逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM逆变器输出电压高15%

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