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步进电机属于实用的典型的机电一体化组件。
它是一种将电脉冲信号转化为角位移或直线位移的执行机构。
又可称脉冲电机或阶跃电机,国外常称为Stepmotor、Steppingmotor、Steppermotor等等。
步进电机问世以后,很快确定了自己的应用领域,应用发展己有约30年的历史[1]。
步进电机最早在1920年由英国人开发,50年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上。
步进电动机的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关,产品按结构划分有磁阻式、永磁式和混合型等多种形式[2]。
步进电动机多用于数控车床和机器人系统中。
在现代工业,特别是航空、航天、电子等领域中,要求完成的工作量大,任务复杂,精度高,利用人工操作不仅劳动强度大,生产效率低,且难以达到所要求的精度,还有一些工作环境是对人体健康有害的或人类无法到达的,这就需要数控机床和机器人来完成这些工作。
另外,在计算机外设和办公室自动化设备中也大量运用步进电机,如磁盘驱动、打印机、绘图仪和复印机等[3]。
该步进电机为一四相步进电机,采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。
图1-1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图1-1四相步进电机步进示意图
开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图1-2a、b、c所示[4]:
图1-2步进电机工作时序波形图
步进电动机有如下特点:
(1)步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。
因此,当它转一圈后,没有累计误差,具有良好的跟随性。
(2)由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统,既简单、廉价,又非常可靠,同时,它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
(3)步进电动机的动态响应快,易于启停、正反转及变速。
(4)速度可在相当宽的范围内平稳调整,低速下仍能获得较大转距,因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。
(5)步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行,不能直接使用交流电源和直流电源。
(6)步进电机存在振荡和失步现象,必须对控制系统和机械负载采取相应措施。
虽然步进电机是一种数控元件,易于同数字电路接口。
但是,一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机.必须有与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。
步进电机本体和步进电机驱动电路两者密不可分地组成步进电机系统。
多年来.随着电力电子技术、自动化控制技术以及计算机同通信技术的发展,步进电机系统尤其是其中的驱动电路部分也不断地发展,国内外围绕步进电机驱动电路做大量的研究与开发。
1.2课题的意义
步进电机作为数字式执行元件,具有成本低、易控制、定位方便和步距误差不长、期累计等优点,被广泛应用在数控装置、绘图机、机械手、印刷和包装设备等工业、军事和医疗自动化领域中。
在多种步进电机中,混合式步进电机集反应式和永磁式步进电机的优点于一身,应用更加普遍。
但是步进电机在应用中存在一些制约性的因素,步进电机及其系统表现出诸如低速平稳性差、高速快速响应能力差、效率低和能耗大等。
步进电机多应用于开环控制的场合,对转子位置和角速度不做检测,较容易在运行过程中产生失步和振荡。
另外,步进电机不能简单地直接接到普通的交直流电源上运转,它需要专门的驱动控制器,步进电机和与之配套的驱动控制器密不可分,在电机本体选定的情况下,驱动控制器的好坏很大程度上影响着整个系统的运行性能。
随着步进电机在数控机械、自动化领域中的应用越来越广泛,对小步距、低振动和低噪声的步进电机要求愈来愈迫切[5-7]。
在步进电机中,定子绕组每改变一次通电方式,称为一拍,每一拍转子就转过一个步距角。
每一个脉冲信号对应于绕组的通电状态改变一次,也就对应于转子转过一个步距角[7]。
对步进电机加一系列连续不断的脉冲时,它可以连续不断的转动。
当转子齿数一定时,转子的平均转速正比于脉冲的频率,转子转过的角度等于步距角与脉冲数量的乘积[9]。
步距角是指每给一个电脉冲信号步进电机转子所转过的机械角度。
步距角公式
(1-1)
式中Zr为转子齿数;
m1为运行拍数,通常等于定子相数或相数的整数倍,即m1=km;
m为定子相数;
k为电机驱动方式。
由式(1-1)看出,步距角的大小由电机自身参数m、Z,和电机驱动方式k决定,受电机制造工艺的限制,靠增加m和z,来减小步距角受到一定限制,此时必须通过增大k来获得更小的步距角。
当步进电机工作于整步工作方式时,k=l;
当步进电机工作于半步工作方式时,k=2;
为了获得更大的k,就必须采用细分控制方法。
细分驱动技术可以大幅度减小步进电机的步距角,并且步距角越小,进入稳定区域越容易,这样就增加了电机运行的平稳性,还可以减弱甚至消除电机的低频振荡和噪声,提高起动频率和高速下的转矩,同时也可以提高电机的定位分辨率和精度[10]。
通过研制高性能的步进电机驱动控制器可以大大改善步进电机的运行性能,这对提高我国在这方面的科学技术水平起到了一定的促进作用,拓宽了步进电机的应用领域。
因此,步进电机细分驱动的软件开发不仅有着重大的现实意义,而且具有极大的经济价值。
1.3步进电机细分驱动技术国内外发展现状
1.3.1国外的研究现状
近年来,伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步,发达国家已普遍使用性能优越的混合式步进电机。
驱动技术采用恒相电流与细分驱动相结合,使步进电机在中、小功率控制系统内的精度提高,并逐步向高速大功率应用领域渗透.步进电动机最大的生产国是日本,如日本伺服公司、东方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等[11]。
1.3.2国内的研究现状
我国对步进电动机的研究从1958年开始,70年代以前受苏联的影响,以三相磁阻式步进电动机为主。
70年代受到国内研制生产数控机床和其他数控设备的推动,并受到当时日本数控机床系统的影响,开始发展磁阻式步进电动机的系列产品,以定子6个极、转子40齿的三相磁阻式电动机为主,还有定子10个极、转子100齿的五相磁阻式电动机和四相电动机等。
1980年代开始发展混合式步进电动机,以定子8极、转子50齿的二相(四相)混合式步进电动机为主。
1987年开始自行设计定子10极、转子50齿的五相混合式步进电动机,同时还发展了一些不同于国外的非典型产品,如定子8极、转子60齿的二相(四相)混合式步进电动机。
这是为了与磁阻式步进电动机的步距角相一致。
经过多年的发展,我国步进电机形成一种品种规格繁多的局面,一是70年代形成的磁阻式步进电动机系列产品在低端应用仍有较多的市场,继续生产;
二是混合式步进电机的系列产品,包括引进技术和生产设备,按照国外的设计生产的二相和五相混合式步进电机,以及国内自行开发生产的混合式步进电动机,仍然拥有各自不同的应用领域[12]。
步进电机驱动技术的发展十分迅速。
我国步进电机的应用起步较早,但驱动技术的发展相对滞后,成为制约步进电机应用与发展的主要因素。
细分驱动的典型应用有数控机床的四轴联动改造。
由于现有的机床只能进行三轴联动,而在生产中需要在圆锥面上加工凸轮运动曲线槽,通过工艺分析需要四轴联动的加工中心才能实现。
而现有立式加工中心只能实现x、y、z三轴联动,配置高精度四轴联动系统机床的价格超出现有机床数倍,为此通过对现有机床的改造,利用回转工作台实现第四轴,采用步进电机的细分技术实现高精度控制,可满足用户精度的要求。
近年来,对于不同类型和相数的步进电机采取不同的细分电流控制策略是研究的一大热点。
如有关资料指出,对于两相双极型混合式步进电机,采用正余弦形的驱动电流较为理想,而对于反应式步进电机一般采用谐波较少的阶梯型驱动电流较为理想[13]。
细分驱动在喷膜机中也有应用,采用8052微处理机,具有8K字节的ROM,256字节的RAM。
8位DA转换器AD7524通过锁存器与单片机的数据线相连,构成步进电机的脉冲信号发生器,用来驱动步进电机。
我们采用软件的方法实现脉冲分配器。
将电机四细分驱动脉冲数据存储在内存中。
当电机逆时针方向运转时,自上而下走表索取控制量;
当电机顺时针方向运转时,自下而上走表索取控制量,这样就可以控制电机上的电流的大小。
其中控制量的最高位是方向控制信号,低7位存储电机脉冲信号的大小[14]。
1.4课题研究的主要内容
步进电机的细分控制,从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制,使步进电机内部的合成磁场成为均匀的圆形旋转磁场,从而实现步进电机步距角的细分。
一般情况下,合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小,相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。
因此,要实现对步进电机的恒转矩均匀细分控制,必须合理控制电机绕组中的电流使步进电机内部合成磁场的幅值恒定,而且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀。
以两相步进电机的整步驱动方式为例,介绍一下驱动过程。
该电机有A、B两相绕组,其中用C表示A通反向电流时的磁场A,用D表示B通反向电流时的磁场B。
当分别给各相绕组通电时,各相绕组产生的旋转磁场如下:
仅有A相导通时,旋转磁场指向A;
仅有B相导通时,旋转磁场指向B;
仅有C相导通时,旋转磁场指向C;
仅有D相导通时,旋转磁场指向D。
依次为各相绕组通电,每切换一次,旋转磁场矢量转过90。
,电机转过一个步距角。
当旋转磁场矢量转过360度时,电机转过一个齿距,这种工作方式称为整步工作。
如果改变上述加电过程,采用四相八拍工作,即通电顺序依次如图1-3所示。
图1-3换向顺序图
此工作方式称半步工作,电流状态如图1-4所示。
每改变一次通电状态,旋转磁场的矢量转过45。
。
同理,当旋转磁场转过3600。
,电机转过一个齿距。
由半步原理给予启发,如果让旋转磁场矢量每次转过12.25。
,这样就实现了八细分驱动。
其电流状态如图1-5所示。
图1-4两相电机不细分各相电流状态图
图1-5两相电机八细分各相电流状态图
根据步进电机的模型方程的公式,两相电流的矢量和决定了步进电机的输出力矩的大小。
所以近似正弦波的细分电流输出可以实现对电机恒扭矩控制。
细分数越大,电流曲线越接近正弦,力矩也越平稳,速度波动也越小。
步进电机的细分控制,从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制,使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场,从而实现步进电机步距角的细分。
一般情况下,合成磁场矢量的幅值决定了步进电机。
细分驱动使驱动电流的变化幅度减小,转子达到平衡位置时的过剩能量减少,降低了步进电机的低频振荡,消除了共振点,使低频、低转速时工作稳定,转矩增加,噪声降低,同时在不改变步进电机内部参数的情况下,减少步距角,减少步进误差,即提高了分辨率和步距精度[15]。
2相关芯片及软件说明
2.1单片机AT89C52简介
AT89C52是51系列单片机的一个型号,它是ATMEL公司生产的。
AT89C52是一种低功耗、高性能内含8K字节闪电存储器(FlashMemory)的8位CMOS微控制器。
片内闪电存储器的程序代码或数据可在线写入,亦可通过常规的编程器编程。
例如,MP-100这样一种经济型的编程器,它支持通用EPROM等各种存储器、PAL、GAL以及INTEL、ATMEL和PHILIPS等各公司的全系列51单片机的编程。
ME5103和ME5105仿真器支持AT89系列所有器件的调试、仿真和编程。
单片机AT89C52有内部RAM,可以作为各种数据区使用,内部闪电存储器存放控制程序。
它的主要功能是完成键盘扫描程序,检测外部的操作指令,控制液晶显示模式和向液晶发送显示数据等。
主要功能特性:
·
兼容MCS51指令系统·
8k可反复擦写(>
1000次)FlashROM
32个双向I/O口·
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断·
时钟频率0-24MHz
2个串行中断·
可编程UART串行通道
2个外部中断源·
共6个中断源
2个读写中断口线·
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式·
软件设置睡眠和唤醒功能
图2-1AT89C52引脚图
AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。
RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(32~39脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和1脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
AT89C52各引脚功能及管脚电压
(a)P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
(b)P1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX),
(c)P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
(d)P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能。
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
如下:
(a)RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
(b)ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,A程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
(e)XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
(f)XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
2.2TB6560驱动器介绍
1.尺寸是:
76(长)*76(宽)*49(高)MM(含散热器)
2.使用方便,功能与相关设置在板子上已经标明,不需要说明书。
配有大型散热器,保证良好散热。
3.有使能信号输入端
4.自动半流功能,减少电机发热。
有自动半流指示灯。
5.有过温度保护功能。
IC超过150度时会保护,输出截止,过温度保护灯亮。
6.可设置4种衰减模式,针对不同电机,配不同的衰减模式可以减少运行噪音
7.有电流设置功能。
适配0.5A,1A,1.5A,2A,2.5A,3A的42、57系列步进电机。
8.超宽工作电压。
输入电压DC:
9-36V.都可以工作。
但要注意:
电机的速度与驱动电压成正比,电机的力量与驱动电流成正比。
所以低电压与电流虽然可以能让电机转动,但力量与速度是相对有限的。
因而我们推荐的工作电压是24-32V.驱动42或57的步进电机。
虽然该驱动板也可以让86电机转起来,但我们本着谨慎和负责任的态度,建议你不要用来驱动86电机工作,因为TB6560是不适合驱动86电机的。
9.我们的TB6560IC的绝缘与传热材料是采用高端的专业材料。
远优于普通硅脂+绝缘片。
一般的国产硅脂1、2年就干硬了,进口的一般顶个5,6年的样子就干硬了。
而我们使用的材料就算是使用10年也不会有问题。
当然,这种复合的绝缘与传热材料成本比硅脂+绝缘片高了很多。
10.我们使用的电流取样电阻采用了1%精度、2W的5环大功率金属膜电阻。
在这里提醒一下:
TB6560的电流取样电阻是关键部件,不能用碳膜电阻,4环电阻,水泥电阻。
大电流环路的检测取样电阻,可以用5环大功率金属膜电阻或其它大功率无感的,高精度的电阻。
11.产品的图示说明
表2-1TB6560图示说明
名称
描述
EN+EN-
使能正,负
PUL+PUL-
脉冲输入正,负
DIR+DIR-
电机转动方向正,负
A+A-
电机A相
B+B-
电机B相
VINGND
电源正,负
EN
低电平输入或悬空时开机,高电平输入时关机
PUL
要调电机速度,就要调整此脚位PUL+-的输入频率
DIR
低电平输入或悬空时正转,高电平输入时反转
指示灯1
半流指示。
电机停止时,灯亮
指示灯2
工作指
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