本發(fā)明涉及一種基于模擬閉環(huán)的步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)，適用于機(jī)械領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

步進(jìn)電機(jī)控制過程中存在失步，所以在傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)位置閉環(huán)控制系統(tǒng)中通常采用光柵編碼器作為位移檢測元件，控制方法則采用將位置偏差信號經(jīng)過計(jì)算或查表得到步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的步數(shù)，然后輸出一個(gè)脈沖個(gè)數(shù)一定的脈沖序列，脈沖頻率往往恒定。這種做法缺點(diǎn)有兩個(gè)：其一，加大了控制單片機(jī)的運(yùn)算量而且實(shí)時(shí)性差、響應(yīng)速度慢；其二，位置跟隨過程中速度恒定，影響控制性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于模擬閉環(huán)的步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)，采用電壓輸出式位移傳感器直接測量位移，同時(shí)利用ATmega8L單片機(jī)的快速PWM模式產(chǎn)生可以實(shí)時(shí)修改頻率的方波信號，控制步進(jìn)電機(jī)以線性速度進(jìn)行位置跟隨。不僅保證控制精度不受電機(jī)失步的影響，而且使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單合理，改善了系統(tǒng)控制性能。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：所述控制系統(tǒng)采用電壓輸出式位移傳感器直接測量位移，同時(shí)將步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)成整個(gè)位置控制系統(tǒng)中的一個(gè)速度控制單元，即脈沖頻率控制器。利用ATmegaSL單片機(jī)的快速PWM模式可以使單片機(jī)在進(jìn)行其它操作的時(shí)侯同步輸出方波，其輸出頻率可以實(shí)時(shí)修改，而不會中斷輸出。同時(shí)利用ATmega8L單片機(jī)內(nèi)部集成的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在降噪ADC模式下采集兩路電壓。

所述控制系統(tǒng)通過軟件線性化處理使單片機(jī)輸出方波頻率正比于輸入的兩路電壓信號(指令和位移反饋)之差。這樣在位置跟隨過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度與位置跟隨誤差保持嚴(yán)格的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)線性速度進(jìn)行位置跟隨，改善了控制性能的同時(shí)保證控制精度不受電機(jī)失步的影響。

所述控制電路電路就是由ATmegaSL構(gòu)成的最小單片機(jī)系統(tǒng)，包括兩路信號調(diào)理電路、ISP下載電路、復(fù)位和電源電路。程序控制功能分為：兩路降噪模式ADC轉(zhuǎn)換；線性化處理和控制算法計(jì)算；運(yùn)用比較匹配中斷模式實(shí)時(shí)修改輸出方波頻率，方向控制和死區(qū)判斷。

本發(fā)明的有益效果是：該系統(tǒng)采用電壓輸出式位移傳感器直接測量位移，同時(shí)利用ATmega8L單片機(jī)的快速PWM模式產(chǎn)生可以實(shí)時(shí)修改頻率的方波信號，控制步進(jìn)電機(jī)以線性速度進(jìn)行位置跟隨。不僅保證控制精度不受電機(jī)失步的影響，而且使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單合理，改善了系統(tǒng)控制性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)控制功能框圖。

圖2是本發(fā)明的程序控制流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1，所述控制系統(tǒng)采用電壓輸出式位移傳感器直接測量位移，同時(shí)將步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)成整個(gè)位置控制系統(tǒng)中的一個(gè)速度控制單元，即脈沖頻率控制器。利用ATmegaSL單片機(jī)的快速PWM模式可以使單片機(jī)在進(jìn)行其它操作的時(shí)侯同步輸出方波，其輸出頻率可以實(shí)時(shí)修改，而不會中斷輸出。同時(shí)利用ATmega8L單片機(jī)內(nèi)部集成的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在降噪ADC模式下采集兩路電壓。

高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmega8L是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于ATmega8L先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，工作于16M晶振時(shí)ATmegaSL的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)16MIPS。

快速PWM模式(WGMl3：0=5，6，7，14或15)可用來產(chǎn)生高頻的PWM波形。由于步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器對脈沖寬度都沒有要求，因此將快速PWM模式設(shè)定為方波輸出，(不用ATmegaSL的CTC模式產(chǎn)生方波，是由于CTC模式?jīng)]有雙緩沖功能)。快速PWM模式有雙緩沖功能。通過設(shè)置寄存器TCCRlA和TCCRlB的相應(yīng)位WGMl3：0=15來選定用寄存器OCRlA定義計(jì)數(shù)TOP值，并且設(shè)置寄存器COMlAl：0=1來設(shè)定OCRlA在比較匹配時(shí)進(jìn)行邏輯電平取反。每次計(jì)數(shù)寄存器TCNTn從零開始計(jì)數(shù)一直累加到固定數(shù)OCRlA時(shí)電平取反。修改寄存器OCRlA的值要先啟動比較匹配中斷，這樣在下一個(gè)計(jì)數(shù)周期TCNTn累加到固定數(shù)OCRlA時(shí)將產(chǎn)生中斷，在中斷程序中修改OCRlA的值也就修改了計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)周期從而可以實(shí)時(shí)改變方波輸出頻率。

控制系統(tǒng)通過軟件線性化處理使單片機(jī)輸出方波頻率正比于輸入的兩路電壓信號(指令和位移反饋)之差。這樣在位置跟隨過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度與位置跟隨誤差保持嚴(yán)格的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)線性速度進(jìn)行位置跟隨，改善了控制性能的同時(shí)保證控制精度不受電機(jī)失步的影響。

如圖2，控制電路電路就是由ATmegaSL構(gòu)成的最小單片機(jī)系統(tǒng)，包括兩路信號調(diào)理電路、ISP下載電路、復(fù)位和電源電路。程序控制功能分為：兩路降噪模式ADC轉(zhuǎn)換；線性化處理和控制算法計(jì)算；運(yùn)用比較匹配中斷模式實(shí)時(shí)修改輸出方波頻率，方向控制和死區(qū)判斷。