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步进电机的控制
步进电机的控制
步进电机的控制
一.实验目的:
了解步进电机控制的基本原理。
掌握控制步进电机转动的编程方法
二.步进电机工作原理
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。
步进电动机的输入量是脉冲序列,输出量则为相应的增量位移或步进运动。
正常运动情况下,它每转一周具有固定的步数;做连续步进运动时,其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。
由于步进电动机能直接接受数字量的控制,所以特别适宜采用微机进行控制。
1.步进电动机的种类
目前常用的有三种步进电动机:
(1)反应式步进电动机(VR):
反应式步进电动机结构简单,生产成本低,步距角小;但动态性能差。
(2)永磁式步进电动机(PM):
永磁式步进电动机出力大,动态性能好;但步距角大。
(3)混合式步进电动机(HB):
混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点,它的步距角小,出力大,动态性能好,是目前性能最高的步进电动机。
它有时也称作永磁感应子式步进电动机。
2.步进电机主要性能指标:
A,启动转矩:
从一个齿位转到下一个齿位的转矩
B,保持转矩:
指步进电机在静止状态保持该平衡位置的能力。
C,加速转矩:
指电机转动的动力。
3.步进电机结构及工作原理
如下图:
绕组(A,B,C,D)被安装在定子(机壳)上,定子的电极加上电压后,转子将被定子上相反的磁极相吸引而转动。
转子由大量的永磁体组成。
当定子上的绕组通上电流后,这些永磁体将趋向于和绕组对准成一条直线。
转子上突出的磁极称为齿。
步进电机有两种类型:
双极性(两相步进电机)和单极性(四相步进电机)。
我们实验所用的是5线单极性步进电机,它有四对绕组分布在机壳上,其线圈两端电压方向不变。
下图是我们所使用的5线单极性步进电机的内部绕组图
其中,com端(公共线)接5V电压,A,B,C,D分别连到电机的四相。
由上图可知,四相步进电机有三种步进方式:
单拍,双拍,半拍。
单拍:
每次仅给一个绕组通电,结果导致转子旋转,并运动到转子永磁体与具有相反极性的绕组对齐的位置。
双拍:
同时给两个绕组通电。
它比单拍方式多获得一些力矩。
半拍:
两个绕组通电和一个绕组通电的方式交替进行。
它可以获得双拍方式两倍的步进分辨率。
我们的实验采用半拍方式步进。
下图是3种步进方式的比较
4.步进电动机的驱动方法
步进电动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动机驱动器,如图2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。
图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。
驱动单元与步进电动机直接耦合,也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口,这里予以简单介绍。
图2步进电动机驱动控制器
(1). 单电压功率驱动接口
实用电路如图3所示。
在电机绕组回路中串有电阻Rs,使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,还能缓解电机的低频共振现象,但它引起附加的损耗。
一般情况下,简单单电压驱动线路中,Rs是不可缺少的。
Rs对步进电动机单步响应的改善如图3(b)。
图3单电压功率驱动接口及单步响应曲线
(2).双电压功率驱动接口
双电压驱动的功率接口如图4所示。
双电压驱动的基本思路是在较低(低频段)用较低的电压UL驱动,而在高速(高频段)时用较高的电压UH驱动。
这种功率接口需要两个控制信号,Uh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TH和二极管DL构成电源转换电路。
当Uh低电平,TH关断,DL正偏置,低电压UL对绕组供电。
反之Uh高电平,TH导通,DL反偏,高电压UH对绕组供电。
这种电路可使电机在高频段也有较大出力,而静止锁定时功耗减小。
图4双电压功率驱动接口
(3).高低压功率驱动接口
图5高低压功率驱动接口
高低压功率驱动接口如图5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UH供电来提高导通相绕组的电流前沿,而在前沿过后,用低电压UL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,而且不必再串联电阻Rs,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Uh和Ul,它们应保持同步,且前沿在同一时刻跳变,如图5所示。
图中,高压管VTH的导通时间tl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。
(当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适)。
(4).斩波恒流功率驱动接口
恒流驱动的设计思想是,设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。
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6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阻值电阻,称为采样电阻。
当电流不大时,VT1和VT2同时受控于走步脉冲,当电流超过恒流给定的数值,VT2被封锁,电源U被切除。
由于电机绕组具有较大电感,此时靠二极管VD续流,维持绕组电流,电机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的数值,VT2导通,电源再次接通。
如此反复,电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上,形成小小的锯齿波,如图6所示。
图6斩波恒流功率驱动接口
斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号,其中u1是数字脉冲,u2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。
目前已有相应的集成功率模块可供采用。
6.集成功率驱动接口
目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用。
我们选用的是ULN2003,ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。
该电路的特点如下:
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路
直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高,工作电流大,灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压,输出还
可以在高负载电流并行运行。
ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。
可直接驱动继电器等负载。
输入5VTTL电平,输出可达500mA/50V。
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。
该电路的特点如下:
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。
ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。
ULN2003芯片引脚介绍
引脚1:
CPU脉冲输入端,端口对应一个信号输出端。
引脚2:
CPU脉冲输入端。
引脚3:
CPU脉冲输入端。
引脚4:
CPU脉冲输入端。
引脚5:
CPU脉冲输入端。
引脚6:
CPU脉冲输入端。
引脚7:
CPU脉冲输入端。
引脚8:
接地。
引脚9:
该脚是内部7个续流二极管负极的公共端,各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。
用于感性负载时,该脚接负载电源正极,实现续流作用。
如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。
引脚10:
脉冲信号输出端,对应7脚信号输入端。
引脚11:
脉冲信号输出端,对应6脚信号输入端。
引脚12:
脉冲信号输出端,对应5脚信号输入端。
引脚13:
脉冲信号输出端,对应4脚信号输入端。
引脚14:
脉冲信号输出端,对应3脚信号输入端。
引脚15:
脉冲信号输出端,对应2脚信号输入端。
引脚16:
脉冲信号输出端,对应1脚信号输入端。
三,步进电机控制设计
我们的实验利用的是自己的开发板,采用STC89C55RD,它完全兼容MCS-51,与89C51相比,它拥有更大的RAM和ROM,并多一些扩展功能。
另外,我们用C51进行编程。
整个系统由单片机,驱动电路,步进电机组成。
由于单片机输出电流过小,而步进电机工作电流达几百mA,需要ULN2003进行驱动。
我们使用的步进电机型号为M35SP-7,如
其参数表如下,
其步距角为7.5,即转一周需要48步。
用proteus仿真如下图
我们做的本实验实现的是依次正反转一周,且采用单双八拍方式。
由于步进角为7.5°,采用半拍方式,步进角变为3.75°。
即每给一个脉冲,电机转3.75°。
转一周需要96步。
每八拍工作方式为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA,旋转30°。
一周需要12个这样的八拍工作方式。
当反转时,只需要把脉冲输入顺序反过来就能实现。
程序如下:
#include"reg52.h"
voiddelay(unsignedintt);
//Motor
sbitF1=P1^0;
sbitF2=P1^1;
sbitF3=P1^2;
sbitF4=P1^3;
unsignedcharcodeFFW[8]={0xfe,0xfc,0xfd,0xf9,0xfb,0xf3,0xf7,0xf6};//反转
unsignedcharcodeFFZ[8]={0xf6,0xf7,0xf3,0xfb,0xf9,0xfd,0xfc,0xfe};//正转
unsignedintK;
voidmotor_ffw()
{
unsignedchari;
unsignedintj;
for(j=0;j<12;j++)//转1*n圈
{
for(i=0;i<8;i++)//一个周期转30度
{
if(K==1)P1=FFW[i]&0x1f;//取数据
if(K==2)P1=FFZ[i]&0x1f;
delay(5);//调节转速
}
}
}
voiddelay(unsignedintt)
{
unsignedintk;
while(t--)
{
for(k=0;k<80;k++)
{}
}
}
main()
{
while
(1)
{
K=1;
motor_ffw();
K=2;
motor_ffw();
}
}
总结:
步进电机在许多机器人中广泛应用,主要得益于它的保持转矩和精确地控制驱动位置的能力。
电机的转速取决于脉冲的频率,转角取决于脉冲个数,转动方向取决于输入脉冲顺序。
通过51单片机向步进电机发出不同脉冲,对其进行控制
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