反应式步进电动机驱动器设计.docx
- 文档编号:24297128
- 上传时间:2023-05-26
- 格式:DOCX
- 页数:30
- 大小:806.36KB
反应式步进电动机驱动器设计.docx
《反应式步进电动机驱动器设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《反应式步进电动机驱动器设计.docx(30页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
反应式步进电动机驱动器设计
2.2.1步进电机术语解释3
2.2.2步进电机原理过程4
1前言
步进电机最早是在1920年由英国人所开发。
1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上,这对于数字化的控制变得更为容易。
以后经过不断改良,使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。
在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中,我们很容易发现步进电机的踪迹,尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。
步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用!
在当今电子信息行业日趋发展的时代,数字化技术在引领新时代科技发展的浪潮中体现着越来越重要的作用,然而步进电机又是数字化技术中非常重要的一种机器。
为了更加了解它的工作原理,本次课设我们就设计了步进电机的一个重要部分——步进电机驱动器。
它是控制步进电机工作的部分。
在本次课程设计中,将主要设计一个供四相步进电机驱动的驱动器。
它要实现以下功能:
1.设计一个方波发生器给整个系统充当时钟,使当每发出一个时钟脉冲,步进电机就转过一定的角度;2.设计一个步进电机的驱动信号发生器,可以实现电机正转/反转控制和转速控制,通过控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序,从而获得所需的转角、转速及转动方向;3.要求驱动器有足够的输出电流以驱动小功率4相步进电机;4.要求可以实现步进电机的单相或双相激励。
步进电机驱动器主要由方波产生电路、脉冲环形分配电路和功率放大电路三大电路组成。
方波产生电路主要由555定时器组成,其频率可通过调节滑动变阻器阻值来改变,从而改变电机的转速。
脉冲环形分配电路则由移位寄存器构成,通过改变移位寄存器的移动方向来控制电机的转动方向;功率放大电路则是采用二极管,稳压管和电感组成的电路,其目的是为了放大功率,为四相电机提供足够的电流。
总之,步进电机驱动器通过这三大主要电路实现其控制电机的功能,很方便的改变电机的转动速度和方向,从而使电机更好的使与其相连的仪器更好的,更有效的工作。
2实验
2.1步进电机驱动系统简介
随着数字化技术发展,数字控制技术得到了广泛而深入的应用。
步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件,具有快速起动和停止的特点。
因为步进电动机组成的控制系统结构简单,价格低廉,性能上能满足工业控制的基本要求,所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。
步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器
虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能像普通的直流电机,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。
步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。
步进电机驱动系统的性能,除与电机本身的性能有关外,也在很大程度上取决于驱动器的优劣。
典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。
步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号,每发一个脉冲,步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角,即步进一步。
步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。
控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。
通常,步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。
步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲,控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。
控制电路输出的信号功率很低,不能提供步进电机所需的输出功率,必须进行功率放大,这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。
功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流,使其励磁形成空间旋转磁场,驱动转子运动。
保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。
2.2反应式步进电机
2.2.1步进电机术语解释
步进电机的静态指标术语
相数:
产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。
常用m表示。
拍数:
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
步距角:
对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度/(转子齿数*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。
定位转矩:
电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)
静转矩:
电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。
此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过分采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。
动态指标及术语:
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。
用百分比表示:
误差/步距角*100%。
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。
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。
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。
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频特性,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。
如下图所示:
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(而非静态电流),平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬。
如下图所示:
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。
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。
电机正反转控制:
当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转,通电时序为DA-CD-BC-AB时为反转。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通常电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。
该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。
当定子的矢量磁场旋转一个角度。
转子也随着该磁场转一个角度。
每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步。
它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。
:
当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。
您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
步进电机分三种:
永磁式(PM),反应式(VR)和混合式(HB)永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。
在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相:
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
这种步进电机的应用最为广泛。
2.2.2步进电机原理过程
(1)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2.2.1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图2.2.1四相步进电机示意图
(2)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。
(3)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。
当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转,通电时序为DA-CD-BC-AB时则为反转。
(4)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2.2.2.a、b、c所示:
2.2.2步进电机工作时序波形图
本设计所采用的是国产86BYG250型步进电机如图2.2.3所示,它使用+12V直流电源,步距角为1.8度。
其参数如表一
图2.2.386BYG250型步进电机
表一
型号
相数
电压V
电流A
电阻Ω
电感mh
静转矩N.M
86BYG250
2/4
12
3
0.8
3.35
2.8
电机线圈由四相组成,即A、B、C、D四相,驱动方式为二相激磁方式,电机各线圈通电顺序如表二所示:
表二
相顺序
A
B
C
D
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
2
0
0
1
1
3
1
0
0
1
相顺序从0到1称为一步,电机轴将转过1.8度,01234则称为通电一周,转轴将转过7.2度,若循环进行这种通电一周的操作,电机便连续的转动起来,而进行相反的通电顺序如4321将使电机同速反转。
通电一周的周期越短,即驱动频率越高,则电机转速越快,但步进电机的转速也不可能太快,因为它每走一步需要一定的时间,若信号频率过高,可能导致电机失步,甚至只在原步颤动。
2.3步进电机驱动器控制系统
步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。
以两相步进电机为例,当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时,驱动器经环形分配器和功率放大后,给电机绕组通电,其四个状态周而复始变化,电机顺时针转动;若方向信号变为负,电机就逆时转动。
如图2.3.1
图2.3.1步进电机控制系统
如图2.3.2驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大,使步进电机绕组按一定顺序通电,控制电机转动。
使用、控制步进电机必须由环形脉冲,功率放大等组成的控制系统,其方框图如下:
图2.3.2驱动器方框图
1脉冲信号的产生。
脉冲信号一般由单片机或cpu产生,一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右,电机转速越高,占空比则越大。
2、信号分配
四相电机工作方式有二种,四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度;四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度)。
3、功率放大
功率放大是驱动系统最为重要的部分。
步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流(而样本上的电流均为静态电流)。
平均电流越大电机力矩越大,要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。
因而不同的场合采取不同的的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:
恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
为尽量提高电机的动态性能,将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。
驱动电源与单片机及电机接线图如下图2.3.3
图2.3.3驱动电源与单片机及电机接线图
说明:
CP接CPU脉冲信号(负信号,低电平有效)
OPTO接CPU+5V
FREE脱机,与CPU地线相接,驱动电源不工作
DIR方向控制,与CPU地线相接,电机反转
VCC直流电源正端
GND直流电源负端
A接电机引出线红线
接电机引出线绿线
B接电机引出线黄线
接电机引出线蓝线
步进电机一经定型,其性能取决于电机的驱动电源。
步进电机转速越高,力距越大则要求电机的电流越大,驱动电源的电压越高。
电压对力矩影响如下图2.3.4:
图2.3.4电压对力矩影响
4、细分驱动器
在步进电机步距角不能满足使用的条件下,可采用细分驱动器来驱动步进电机,细分驱动器的原理是通过改变相邻(A,B)电流的大小,以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。
图2.3.5细分驱动
2.4四相步进电机驱动器
2.4.1驱动电路
步进电机的驱动方式很多,有单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分驱动和集成电路驱动。
由于集成电路集驱动和保护于一体,作为小功率步进电动机的专用驱动芯片,使用起来非常方便。
在实际应用中,我们选择了L298N集成电路芯片作为驱动芯片。
L298是采用15脚的Multiwatt或PowerSO20封装的单片集成电路芯片,其控制引脚图如下。
图2.4.1L298控制引脚图
其结构框图如下图。
它内部采用两个高电压、大电流的全桥电路A、B,每个桥需要两个标准的TTL逻辑电平输入,以驱动继电器、螺线管(电磁铁)、直流电机和步进电机(2相或4相)等负载。
两个使能引脚EnA、EnB分别使能桥A、桥B。
每个桥的三极管发射极连接在一起,分别是引脚SenseA、SenseB,以外接电流反馈电阻。
此外L298还需要一个额外的电压供应端Vss作为逻辑电路部分的电源。
图2.4.2L298结构框图
L298可以用于驱动直流电机,图3是直流电机的驱动电路,接两个直流电机A和B。
IOA1/IOB1,IOA2/IOB2是两个IO口,用于控制直流电机的转向;PWMA/PWMB用于电机的调速控制,增大占空比可以提高电机的转速,PWMA/PWMB的产生可以由单片机通过软件来实现也可以由硬件来产生。
对于一些高档的单片机如AVR、PIC等,都有PWM输出端口。
VCC选择:
7-46V。
图2.4.3L298直流电机驱动电路
下图是L298驱动四相步进电机35BYJ46的驱动电路,每相流过的电流为2A。
它采用了L297来产生步进脉冲,当然,这也可以通过单片机的IO口来软件编程实现(见以下的驱动程序部分)。
图2.4.4L298驱动四相步进电机
对于L297芯片,L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器,它能产生4相控制信号,L297能产生单四拍、双四拍和四相八拍工作所需的适当相序。
芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。
该集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼容的I2L技术,使用5V的电源电压,全部信号的连接都与TFL/CMOS或集电极开路的晶体管兼容。
L297的芯片引脚特别紧凑,采用双列直插20脚塑封封装。
可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机,能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机有关在的L297的内部方框中。
变换器是一个重要组成部分。
变换器由一个三倍计算器加某些组合逻辑电路组成,产生一个基本的八格雷码。
由变换器产生4个输出信号送给后面的输出逻辑部分,输出逻辑提供禁止和斩波器功能所需的相序。
为了获得电动机良好的速度和转矩特性,相序信号是通过2个PWM斩波器控制电动波器包含有一个比较器、一个触发器和一个外部检测电阻,晶片内部的通用振荡器提供斩波频率脉冲。
每个斩波器的触发器由振荡器的脉冲调节,当负载电流提高时检测电阻上的电压相对提高,当电压达到Uref时(Uref是根据峰值负载电流而定的),将触发器重置,切断输出,直至第二个振荡脉冲到来、此线路的输出(即触发器Q输出)是一恒定速率的PWM信号,L297的CONTROL端的输入决定斩波器对相位线A,B,C,D或抑制线INH1和INH2起作用。
CONTROL为高电平时,对A,B,C,D有抑制作用;为低电平时,则对抑制线INH1和INH2有抑制作用,从而可对电动机和转矩进行控制.L297重要的控制引脚如下:
图2.4.5L297的控制引脚
CW/CCW:
电机旋转方向控制。
CLOCK:
步进时钟脉冲,信号的上升沿触发。
HALF/FULL:
高电平,HALF有效,4相8拍;低电平,FULL有效,4相单4拍(translator为偶数状态);低电平,FULL有效,4相双4拍(translator为奇数状态)。
RSTET:
复位到HOME初始状态(STATE=1,ABCD=0101)。
这四个控制线,可以由模拟电路产生。
L297的详细的说明可以参考L297文档资料。
图2.4.6L298驱动电机原理图
2.4.2.脉冲电路与驱动程序
上面它采用了L297来产生步进脉冲,当然,这也可以通过单片机的IO口来软件编程实现.
STC89C51系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机,是MCS-51系列单片机的派生产品;它们在指令系统中、硬件系统和片内资源与标准的8052单片机完全兼容,DIP-40封装系列与8051为pin-to-pin兼容,指令代码是与8051完全兼容的单片机。
STC89C51单片机具有增强型12时钟/机器周期、6时钟机器/周期任意选择,工作电压为5.5V-3.4V(5V单片机)/3.8V-2.0V(5V单片机);工作频率范围:
0-40MHZ,相当于普通8051的0-80MHZ。
实际频率可达48MHZ。
用户应用程序空间为4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节;片上集成1280字节/512字节RAM;有32/36个通用I/O口,P1/P2/P3/P4是准双向口;集成ISP(在系统可编程)/IPA(在应用可编程),无需专用的编程器/仿真器,可通过串行口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,8K程序3秒就可以完成一片,具备EEPROM功能,工作温度范围在0-750,共有3个16位定时器/计数器,其中定时器T0还可以当成2个8位定时器使用;封装形式有DIP-40,PLCC-44,PQFP-44等。
有了上面的驱动电路,可以方便地写出单片机控制步进电机的流程图及驱动程序。
图2.4.7流程图
驱动程序如下:
#include
staticunsignedintcount;//计数
staticintstep_index;//步进索引数,值为0-7
staticbitturn;//步进电机转动方向
staticbitstop_flag;//步进电机停止标志
staticintspeedlevel;//步进电机转速参数,数值越大速度越慢,最小值为1,速度最快
staticintspcount; //步进电机转速参数计数
voiddelay(unsignedintendcount);//延时函数,延时为endcount*0.5毫秒
voidgorun(); //步进电机控制步进函数
voidmain(void)
{
count=0;
step_index=0;
spcount=0;
stop_flag=0;
P1_0=0;
P1_1=0;
P1_2=0;
P1_3=0;
EA=1; //允许CPU中断
TMOD=0x11;//设定时器0和1为16位模式1
ET0=1; //定时器0中断允许
TH0=0xFE;
TL0=0x0C; //设定时每隔0.5ms中断一次
TR0=1; //开始计数
turn=0;
speedlevel=2;
delay(10000);
speedlevel=1;
do{
speedlevel=2;
delay(10000);
speedlevel=1;
delay(10000);
stop_flag=1;
delay(10000);
stop_flag=0;
}while
(1);
}
//定时器0中断处理
voidtimeint(void)interrupt1
{
TH0=0xFE;
TL0=0x0C;//设定时每隔0.5ms中断一次
count++;
spcount--;
if(spcount<=0)
{
spcount=speedlevel;
gorun();
}
}
voiddelay(unsignedintendcount)
{
count=0;
do{}while(count } voidgorun() { if(stop_flag==1) { P1_0=0; P1_1=0; P1_2=0; P1_3=0; return; } switch(step_index) { case0: //0 P1_0=1; P1_1=0; P1_2=0; P1_3=0; break; case1: //0、1 P1_0=1; P1_1=1; P1_2=0; P1_3=0; break; case2: //1 P1_0=0; P1_1=1; P1_2=0; P1_3=0; break; case3: //1、2 P1_0=0; P1_1=1; P1_2=1; P1_3=0; break; case4: //2 P1_0=0; P1_1=0; P1_2=1; P1_3=0; break; case5: //2、3 P1
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 反应式 步进 电动机 驱动器 设计
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)