机电一体化课程设计正文Word文件下载.docx
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步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
1.1.1感应子式步进电机工作原理
(一)反应式步进电机原理
由于反应式步进电机工作原理比较简单。
下面先叙述三相反应式步进电机原理。
1.结构:
电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
0、1/3
、2/3
(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以
表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3
,C与齿3向右错开2/3
,A'
与齿5相对齐,(A'
就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图1-1:
2.旋转:
如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。
如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3
,此时齿3与C偏移为1/3
,齿4与A偏移(
-1/3
)=2/3
。
图1-1定子展开图
如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3
,此时齿4与A偏移为1/3
对齐。
如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3
,这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3
向右旋转。
如按A,C,B,A……通电,电机就反转。
由此可见:
电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。
而方向由导电顺序决定。
不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。
往往采用A→B→B→BC→C→CA→A这种导电状态,这样将原来每步1/3
改变为1/6
甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3
变为1/12
,1/24
,这就是电机细分驱动的基本理论依据。
不难推出:
电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。
并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。
只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。
3.力矩:
电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力F与(dФ/dθ)成正比,
其磁通量
(公式1-1)
Br为磁密,S为导磁面积
F与
成正比
L为铁芯有效长度,D为转子直径
(公式1-2)
N•I为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)R为磁阻。
力矩=力*半径
力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比(只考虑线性状态)
因此,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。
(二)感应子式步进电机
1.特点:
感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。
因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。
感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。
一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行。
(必须采用双极电压驱动),而反应式电机则不能如此。
例如:
四相,八相运行(A→AB→B→BC→C→D→DA→A)完全可以采用二相八拍运行方式。
一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致,小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵活改变电机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相),这样使用时,既可以作四相电机使用,可以作二相电机绕组串联或并联使用。
2.分类:
感应子式步进电机以相数可分为:
二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。
以机座号(电机外径)可分为:
42BYG(BYG为感应子式步进电机代号)、57BYG、86BYG、110BYG、(国际标准),而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。
1.2步进电机的技术参数:
1.2.1步进电机的基本参数
1.空载启动频率:
即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下,启动频率更低。
如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。
2.电机固有步距角:
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°
/1.8°
(表示半步工作时为0.9°
、整步工作时为1.8°
),这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。
3.步进电机的相数:
是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9°
、三相的为0.75°
/1.5°
、五相的为0.36°
/0.72°
在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。
如果使用细分驱动器,则‘相数’将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。
4.保持转矩:
是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。
比如,当人们说
的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为
的步进电机。
4)
5)
1.2.2步进电机动态指标及术语:
1.步距角精度:
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分表示:
误差/步距角。
不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在5%之内,八拍运行时应在15%以内。
2.失步:
电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数,称之为失步。
失调角:
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的。
3.最大空载起动频率:
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的最大频率。
最大空载的运行频率:
电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率。
4.运行矩频特性:
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据。
如下图1-2所示:
图1-2力矩频率曲线
5.电机的共振点:
步进电机均有固定的共振区域,二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角为0.9度),电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多。
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
电机一旦选定,电机的静力矩确定而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态流)平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬。
如下图1-3所示:
图1-3力矩频率特性曲线
其中,曲线3电流最大、或电压最高;
曲线1电流最小、或电压最低,曲线与负载的交点为负载的最大速度点。
要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,使采用小电感大电流的电机。
1.3步进电机的分类
1.3.1步进电机分为三大类:
1.反应式步进电机:
反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的,转子中没有绕组。
它的结构简单,成本距角可以做得很小,但动态性能较差。
反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。
2.永磁式步进电机:
简称PM永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的,转子本身就是一个磁源。
转子的极数和定子的极数相同,所以一般步进角比较大,它输出转矩大,动态性能好,消耗功率小(相比反应式),但启动运行频率较低,还需要正负脉冲供电。
3.混合式步进电机:
混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。
混合式与传统的反应式相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。
因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。
这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的,后来发现如果各相绕组通以脉冲电流,这种电动机也能做步进增量运动。
由于能够开环运行以及控制系统比较简单,因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。
1.2.2步进电机的内外结构
步进电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
,A与齿5相对齐,(A就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开如图1-1所示。
电动机定子铁心和一般电机一样由硅钢片叠成,铁心内孔表面有开口槽。
转子装有一个轴向磁化永磁体用以产生一个单向磁场。
永磁体产生的磁通,在每一个气隙圆周上都是单方向通过气隙的,这时作用在气隙中的磁势是同极性的,称为单极磁势。
而转子包括两段,一段经永磁体磁化成N极,另一段磁化为S极,每段转子齿以一个齿距间隔均匀分布,但两段转子的齿相互错开1/2个转子齿距。
A)N极段截面图B)S极段截面图如图1-4所示:
A)N极段截面图B)S极段截面图
图1-4三相混合式步进电机截面图
1.3驱动控制系统组成
步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作,而必须使用专用的步进电机驱动,如图1-5所示,它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。
图中点划线所包括的而单元可以用微机控制来实现,驱动单元与步进电机直接耦合,也可理解为步进电机微机控制器的功率接口,这里予以简单介绍。
图1-5步进电机驱动控制器
1.单电压功率驱动接口
实用电路如图1-6所示。
在电机绕组回路中串有电阻Rs,使用电机回路时间常数减小,高频时电机能产生较大的电磁转矩,还能环节电机的低频共振现象,但它引起附加的损耗。
一般情况,简单单电压驱动线路中,Rs是不可缺少的。
Rs对步进电机单步响应的改善如图1-6。
图1-6单电压功率驱动接口
2.双电压功率驱动接口
双电压功率驱动接口如图1-7所示,双电压驱动的基本思路是在较低速用较低的电压
驱动,而在高速时用较高的电压
驱动。
这种功率接口需要两个控制信号,
为高压有效控制信号,U为脉冲调宽驱动控制信号。
图中,功率管
和二极管
构成电源转换电路。
当
低电平,
关断,
正偏置,低电压
对绕组供电。
反之
高电平,
导通,
反谝,高电压
这种电路可使电机在高频段椰油较大出力,而静止锁定时功率减小。
图1-7双电压功率驱动接口
3.高低压功率驱动接口
高低压功率驱动接口如图1-8所示。
高低压驱动的设计思想是,不论电机工作频率如何,均利用高电压
供电来提高导通相绕组的电流前沿,而在前沿过后,用低压
来维持绕组的电流。
这一作用同样改善了驱动器的高频性能,而且不必在串联电阻
,消除了附加损耗。
高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号
和
,它们应保持同步,且前沿在同一时刻跳变,如图1-8所示。
图中高压管
的导通时间
不能太大,也不能太小,太大时,电机电流过载;
太小时,动态性能改善不明显。
一般可取1—3ms。
图1-8高低压功率接口
4.斩波恒流功率驱动接口
恒流驱动的设计思路是,设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作均保持固定数值。
使电机具有恒转矩输出特性。
这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。
图1-9是斩波恒流功率接口原理图。
图中R是一个用于电流采样的小电阻,称为采样电阻。
当电流不大时,
和
同时受控于走步脉冲,当电流超过恒流给定的数值,
被封锁,电源U被切除。
由于电机绕组具有较大的电感,此时靠二极管VD续流,维持绕组电流,惦记靠消耗电感中的磁场能量产生出力。
此时电流将按指数曲线衰减,同样电流采样值将减小。
当电流小于恒流给定值时,
导通,电源再次导通。
如此反复,电机绕组电流就稳定在给定电平所决定的数值上,形成小小的锯齿波,如图1-9所示。
斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号,其中
是数字信号,
是模拟信号。
这种功率接口的特点是:
高频响应大大提高,接近恒转矩输出特性,共振现象消除,但线路较复杂。
目前已有了相应的集成功率模块可以采用。
图1-9斩波恒流功率驱动接口
5.升频升压功率驱动接口
为了进一步提高驱动系统的高频响应,可采用升频降压功率驱动接口。
这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线形关系。
它的主回路实际上是一个开关稳压电源,利用功率-电压变换器,将驱动脉冲的频率转换成直流电平,并用此电平去控制开关稳压电源的输出,这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。
6.集成功率驱动接口
目前已有多种用于小功率的集成功率接口电路可供选择。
L298芯片是一种H桥驱动器,它设计成接受标准TTL逻辑电平信号,可用来驱动感性负载。
H桥可承受46V的电压,相电流可高达2.5A。
L298(或XQ298,SGS298)的逻辑电路使用5V电源,功放级使用5—46V的电压,下桥发射均单独引出,以便接入电流取样电阻。
L298等采用15脚双列直插小瓦数式封装,工业品等级。
它的内部结构如图1-10所示。
H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正反两个方向控制通电。
L298特别适用于对二相或四相步进电机的驱动。
与L298类似的电路还有TER公司的3717,它是单H桥电路。
SGS公司的SG3635则是单桥臂电路,IR公司的IR21320则是三相桥电路,ALLEGRO公司则是A2916、A3953等小功率驱动模块。
图1-11是使用L297(环形分配器专用芯片)和L298构成的具有恒流斩波功能的步进电机驱动系统。
图1-10L298原理框图
图1-11专用芯片构成的步进电机驱动系统
1.5步进电机详细调速原理
步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速,因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度,这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率,延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速,从而实现步进电机的调速。
具体的延时时间可以通过软件来实现。
这就需要采用单片机对步进电机进行加减速控制,实际上就是改变输出脉冲的时间间隔,单片机控制步进电机加减法运转可实现的方法有软件和硬件两种,软件方法指的是依靠延时程序来改变脉冲输出的频率,其中延时的长短是动态的,软件法在电机控制中,要不停地产生控制脉冲,占用了大量的CPU时间,使单片机无法同时进行其他工作;
硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现的,在每次进入定时中断后,改变定时常数,从而升速时使脉冲频率逐渐增大,减速时使脉冲频率逐渐减小,这种方法占用CPU时间较少,在各种单片机中都能实现,是一种比较实用的调速方法。
第2章步进电机的控制方案论证
2.1步进电机的开环控制和闭环控制
步进电机一般采用开环控制,因其特有的运行特性,开环时的位置控制精度已经足够。
但步进电机高速运行时就有可能产生失步,因此需要进行闭环控制,所以步进电机闭环的主要目的是防止失步。
闭环控制有反馈环节,通过反馈系统是系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统.开环控制没有反馈环节,系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高,使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统.开环控制是控制装置与被控对象之间只有按顺序工作,没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响,没有自动修正或补偿的能力。
所以闭环控制有更好的优越性能,所能达到的精度、速度和动态特性优于开环控制,即可对信号的误差进行调整,但是闭环控制系统也是有误差的,原因有很多,检测元件,监测方法等都能对输出造成影响。
综上所述,我运用了开环控制去控制步进电机。
采用单片机对步进电机进行控制,方法有串行控制和并行控制两种。
2.1.1.串行控制
串行控制中,单片机与步进电机功率驱动接口之间只需两条控制线,一条是用来发送走步脉冲(CP),另一条是用来发送指定旋转方向的电平信号,如图3.9所示。
串行控制的功率接口电路内部含有一个环行分配器电路。
环行分配器电路的作用是将CP脉冲转换成多相循环变化的脉冲。
对于三相步进电机分配为三相六拍,即A→AB→B→BC→C→CA→A。
对于四相步进电机分配为四相四拍或八拍,即ABCDA或A→AB→B→BC→C→D→DA→A。
专用分配器芯片如CH250、L297等。
其中,CH250专用于三相步进电机,L297专用于二相或四相步进电机。
图2-1是使用CH250工作三相六拍状态的接线图。
通过设置引脚(1,2和14,15)的电平,可使CH250按双三拍、单三拍、单双六拍以及相应的正反共六种状态工作。
图2-2是L297步进电机控制器的原理图。
其中包括:
1.译码器(即是环行分配器)它将时钟脉冲、正/反转信号、半/整步信号综合后,产生所要求的各相通断信号。
2.由比较器、触发器和振荡器组成。
用于检测电流采样值和参考值,并进行比较。
由比较器输出信号来开通触发器,再由振荡器决定频率并实现斩波。
3.输出逻辑:
输出逻辑综合了分配信号与斩波信号,产生ABCD四相信号以及抑制信号L297与功率接口L298耦合,可以获得最好的使用效果。
图2-1CH250三相六拍脉冲
图2-2L297内部电路原理图
在实际应用中,利用EPROM和可逆计数器组合,可以构成通用型分配器,如图2-3所示。
这种环形分配器的工作原理是:
设置计数器的计数长度等于电机运行的拍数(或拍数的整数倍)。
计数器的输出端接到EPROM地址线上,并使用EPROM总处于读出状态。
这样计数器每一个输出状态都对应EPROM的一个地址,EPROM地址单元中的内容就可以确定其数据输出端的某一种状态。
只要根据要求设定计数长度和固化EPROM中的内容,就能完成所要求的环形分配器的输入输出逻辑关系。
改变EPROM的页地址,可以设定不同的逻辑关系,从而实现诸如:
正转、反转、二相、三相、四相各种拍数的控制逻辑的通用环形分配器功能。
图2-3通用环形分配器
2.1.2并行控制
在并行控制中,单片机用数条输出线直接去控制步进电机各相绕组的驱动线路。
很显然,电机功率接口中不包含环形分配器,环形分配器的功能必须由单片机来完成。
而单片机实现脉冲分配的功能又有两种方法,一种是纯软件方法,即是全部用软件来实现相序配,直接输出各相导通或截止的信号。
另一种方法是软件与硬件结合的方法,下面分别予以介绍。
1.纯软件方法
在这种方法中,单片机输出口直接与功率接口耦合,环形分配器的功能全部由软件来完成。
图2-4是其意图。
8051的P1.0-P1.4五条输出相映的电机状态:
AB→BC→BCD→DC→CDE→EA→EAB→AB,这称为五相十拍运行状态。
这种纯软件方法,需要在内存区ROM域开辟一个存储空间来存放这10种输出状态。
图2-4纯软件代替环行分配器
2.软件硬件结合的方法
软硬件结合的方法进一步减少单片机的工作时间-占有,就更有利于实现多台步进电机的联动控制.图2-5就是步进电机控制系统的示意图.在这种方法中。
8051以P1.0—P1.3四条数据线到多个EPROM的低位地址线上,可选通每个EPROM的16个地址,也即16种状态。
EPROM的低位数据输出线作为步进电机ABCD各相的控制线。
EPROM作为一种解码器,解码器的输出关系可以设计得更加有利于微机控
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