110BF003步进电机数字式控制系统的研究.docx
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110BF003步进电机数字式控制系统的研究
三江学院
本科毕业设计(论文)
题目110BF003步进电机控制系统的研究
电气与自动化工程学院院(系)自动化专业
学号B********
学生姓名ScReWdrIVEr
指导教师张浩
起讫日期2010-2.22-6.1
设计地点实验楼419
摘要
本文介绍了110BF003步进电机软件脉冲分配的方法。
按照要求的脉冲分配顺序将步进电机的绕组通电节拍制成表格,软件采用查表的方式取出通电节拍输出到功放电路。
采用软件环分,降低了硬件成本,提高了驱动电源的可靠性,方便于实现变拍驱动。
文章还提出了步进电机绕组通电状态保存和恢复的方法,解决了驱动电源上电后电机转轴发生偏移的问题,提高了步进电机的定位精度。
步进电机是一种易于精确控制的电机,由于其良好的性能而受到广泛的应用,其控制方法也多种多样。
本文介绍了8031系列单片机对步进电机的控制方法。
该系统成本不高,同时还可以很灵活地改变程序来改变控制方案。
关键词:
步进电机;控制系统;单片机;软件环分
Abstract
Thisarticledescribes110BF003pulsesteppermotorsoftwaredistributionmethod.Inaccordancewiththerequirementsofthepulsedistributioninordertopowerthesteppermotorwindingsbeatintoformthewaythesoftwarebyusinglookouttotheamplifiercircuitoutputpowerbeats.Useofsoftwarelooppoints,reducinghardwarecostsandimprovesthereliabilityofthedrivepowertofacilitatechangeinthebeat-driventoachieve.Thearticlealsoraisedthesteppermotorwindingsenergizedstatesaveandrestoresolutionstothedrivemotor
Steppermotorisaneasy-to-precisecontrolofmotors,becauseofitsgoodperformanceandarewidelyused,itscontrolmethodsvaried.Thisarticledescribesthe8031seriesofSteppingmotorcontrolmethod.Thesystemcostisnothigh,butalsocanbeveryflexibletochangetheprogramtochangethecontrolscheme.
Keywords:
Steppermotor;controlsystem;singlechip;softwarelooppoints
第1章绪论
1.1伺服系统
伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
又称随动系统。
在很多情况下,伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统,其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。
伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的:
①以小功率指令信号去控制大功率负载。
火炮控制和船舵控制就是典型的例子。
②在没有机械连接的情况下,由输入轴控制位于远处的输出轴,实现远距同步传动。
③使输出机械位移精确地跟踪电信号,如:
记录和指示仪表等。
衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。
频带宽度简称带宽,由系统频率响应特性来规定,反映伺服系统的跟踪的快速性。
带宽越大,快速性越好。
伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。
惯性越大,带宽越窄。
一般伺服系统的带宽小于15赫,大型设备伺服系统的带宽则在1~2赫以下。
自20世纪70年代以来,由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机,使伺服系统实现了直接驱动,革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素,使带宽达到50赫,并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。
伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。
因此,在伺服系统中必须采用高精度的测量元件,如精密电位器、自整角机、旋转变压器、光电编码器、光栅、磁栅和球栅等。
此外,也可采取附加措施来提高系统的精度,例如将测量元件(如自整角机)的测量轴通过减速器与转轴相连,使转轴的转角得到放大,来提高相对测量精度。
采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。
通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道,直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。
伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。
最基本的伺服系统包括伺服执行元件(电机、液压缸等)、反馈元件和伺服驱动器,但是要让这个系统运转起来还需要一个上位机构,PLC、单片机或专门的运动控制卡,工控机+PCI卡,以便于给伺服驱动器发送指令。
1.2伺服系统使用场合
伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中,后来逐渐推广到很多领域,特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等;伺服系统可满足专用机械、机床进给、搬运机械、食品加工机械、电工机械、纺织机械、轧钢厂、橡胶厂等自动生产线及其它产业机械的高速、高精度速度控制及定位控制需求。
1.3伺服调速电机的类型
1.3.1直流伺服电动机
直流伺服电动机的结构和一般直流电动机一样,只是为了减小转动惯量而做得细长一些。
它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。
也有永磁式的,即磁极是永久磁铁。
通常采用电枢控制,就是励磁电压Uf一定,建立的磁通量Φ也是定值,而将控制电压Uc加在电枢上,其接线图如下图所示。
图1.1直流电机原理图
直流伺服电动机的特点和种类
直流伺服电动机,通常用于功率稍大的系统中,其输出功率一般为1W-600W。
直流伺服电动机分为以下几种:
一般直流伺服电动机
无槽电枢直流伺服电动机
空心杯形电枢直流伺服电动机
印刷绕组直流伺服电动机
无刷直流伺服电动机
直流伺服电动机的机构特性(n=f(T))和直流他励电动机一样,也用下式表示:
n=Uc/KE·Φ-Ra/KE·KT·Φ·T
下图是直流伺服电动机在不同控制电压下(Uc为额定控制电压)的机械特性曲线
图1.2机械特性曲线图
由图可见:
在一定负载转矩下,当磁通不变时,如果升高电枢电压,电机的转速就升高;反之,降低电枢电压,转速就下降;当Uc=0时,电动机立即停转。
要电动机反转,可改变电枢电压的极性。
1.3.2交流伺服电动机
结构特点和基本工作原理
交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似,如右图所示。
其定子上装有两个位置互差90°的绕组,一个是励磁绕组Rf,它始终接在交流电压Uf上;另一个是控制绕组L,联接控制信号电压Uc。
所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。
图1.3交流伺服电动机的接线图
交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似,但前者的转子电阻比后者大得多,所以伺服电动机与单机异步电动机相比,有三个显著特点:
1、起动转矩大
2、运行范围较宽
3、无自转现象
基本工作原理:
励磁绕阻接到电压一定的交流电网上,控制绕阻接到控制电压上,当有控制信号输入时,两相绕阻便产生旋转磁场。
该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩,使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来,其同步转速:
交流伺服电动机的特性
控制特性
两相交流伺服电动机的控制方法有三种:
①幅值控制;②相位控制;③幅值-相位控制。
生产中应用幅值控制的最多,下面只讨论幅值控制法。
下图所示为幅值控制的一种接线图,从图中看出,两相绕组接于同一单相电源,选择适当电容C,使Uf与Uc相角差90
,改变R的大小,即改变控制电压Uc的大小,可以得到图所示的不同控制电压下的机械特性曲线簇。
幅值控制原理图不同控制电压下的机械特性曲线
图1.4幅值控制原理、机械特性曲线图
由图可见,在一定负载转矩下,控制电压越高,转差率越小,电机的转速就越高,不同的控制电压对应着不同的转速。
1.3.3步进电机
步进电动机是将一种电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件、,每当输入一个点脉冲时,它便转过一个固定的角度称为步距角β,简称为步距。
脉冲一个一个输入,电动机便一步一步地转动,步进电动机便因之而命名。
步进电动机的位移量与脉冲数严格成比例,这就会引起步误差的积累,其转速与脉冲频率和步距角有关。
步进电机的基本特点
反应式步进电动机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数,而与电压、负载、温度等因素无关。
步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响(在允许的负载范围内),也不受环境条件(温度、压力、冲击、和振动等)变化的影响,只与控制脉冲同步,同时,它又能按照控制的要求进行启动、停止、反转或改变速度,这就是它被广泛的应用于各种数字控制系统中的原因。
下面的章节会有更详细的介绍。
1.3.4交流感应电机
自从19世纪90年代第一条三相输电线建成到20世纪60年代末将电能输送到世界各个角落,60%~70%的电能被电机转换为机械能,以代替人们完成繁重的体力活。
在电机用电中,交流电机占80%左右,其中大多数为交流感应电机。
在其余20%需要变速运行的高性能传动系统中,直流电机由于采用调压调速方法,控制简单、调速平滑、性能良好,一直占据主导地位。
然而,直流电机结构上存在机械换向器和电刷,使得它造价高昂、维护困难、寿命短,并且单机容量和最高电压都受到了一定的限制。
与直流电机不一样,交流感应电机不需要机械换向器和电刷来为电机转子提供直流电源,也不像交流同步电机一样需要滑环和电刷来为转子提供交流电源。
交流电机的转子电流完全由电磁感应产生,使得它制造简单、易维护,特别是鼠笼式感应电机,其转子完全由金属铸造而成,基本不会损坏。
所有的这些特征都证明感应电机是一种便宜可靠的选择,同时感应电机不产生火花,能够运行在恶劣的环境下,即使是在易燃易爆气体环境下也能安全运行。
第2章电机调速原理
2.1直流伺服电机调速原理
直流伺服电机的机械特性方程为:
式中,Uc——电枢控制电压;R——电枢回路电阻;—每极磁通;Ce、Ct——分别为电动机的结构常数。
由上式知,直流伺服电机的控制方式如下:
(1)调压调速(变电枢电压,恒转矩调速)
(2)调磁调速(变励磁电流,恒功率调速)
(3)改变电枢回路电阻调速
常用的是前面2种调速方式。
图2.1直流电机驱动的伺服系统
2.2交流伺服电机调速原理
由电机学基本原理可知,交流电机的同步转速为
n0=60ƒ1/P (r/min)(4-4)
异步电动机的转速为
n=60ƒ1/P(1-S)=n0(1-S)(r/min)(4-5)
式中:
ƒ1——定子供电频率(HZ);
P——电机定子绕组磁极对数;
S——转差率。
由上式可见,要改变电机转速可采用以下几种方法:
(1)改变磁极对数P。
这是一种有级的调速方法。
它是通过对定子绕组接线的切换以改变磁极对数调速的。
(2)改变转差率调速。
这实际上是对异步电动机转差率的处理而获得的调速方法。
常用的是降低定子电压调速,电磁转差离合器调速,线绕式异步电动机转子串电阻离速或串极调速等。
(3)变频调速。
变频调速是平滑改变定子供电电压频率f1而使转速平滑变化的调速方法。
这是交流电动机的一种理想调速方法。
电机从高速到低速其转差率都很小,因而变频调速的效率和功率因数都很高。
2.3步进电机调速原理
步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置,是一种特殊的电动机。
一般电动机都是连续转动的,而步进电动机则有定位和运转两种基本状态,当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动,每给它一个脉冲信号,它就转过一定的角度。
步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比,在时间上与输入脉冲同步,因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序,便可获得所需的转角、转速及转动方向。
在没有脉冲输入时,在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。
在电动机定子上有A、B、C三对磁极,磁极上绕有线圈,分别称之为A相、B相和C相,而转子则是一个带齿的铁心,这种步进电动机称之为三相步进电动机。
如果在线圈中通以直流电,就会产生磁场,当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电,则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。
1、可以用数字信号直接进行开环控制,整个系统简单廉价。
2、位移与输入脉冲信号数相对应,步距误差不长期积累,可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统,也可在要求更高精度的组成闭环控制系统。
3、无刷,电动机本体部件少,可靠性高。
4、易于起动,停止,正反转及速度响应性好。
5、停止时可有自锁能力。
6、步距角可在大范围内选择,在小步距情况下,通常可以在超低转速下高转距稳定运行,通常可以不经减速器直接驱动负载。
7、速度可在相当宽范围内平滑调节,同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。
8、步进电动机带惯性负载能力较差。
9、由于存在失步和共振,步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。
10、需要专用的伺服控制器控制,不能直接使用普通的交直流电源驱动。
第3章步进电机
3.1步进电机类型
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度;
反应式步进电机一般为三相,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。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机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,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
3.2步进电机工作原理
图3.1工作原理图
六拍通电方式的基本原理:
设A相首先通电,转子齿与定子A、A′对齐(图a)。
然后在A相继续通电的情况下接通B相。
这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力,使转子顺时针方向转动,但是A、A′极继续拉住齿1、3,因此,转子转到两个磁拉力平衡为止。
这时转子的位置如图b所示,即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。
接着A相断电,B相继续通电。
这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐(图c),转子又转过了15°。
然后在B相继续通电的情况下接通C相其位置如图d所示。
这样,如果按A→AB→B→BC→C→CA→A…的顺序轮流通电,则转子便顺时针方向一步一步地转动,步距角15°。
电流换接六次,磁场旋转一周,转子前进了一个齿距角。
如果按A→AC→C→CB→B→BA→A…的顺序通电,则电机转子逆时针方向转动。
这种通电方式称为六拍方式。
双三拍通电方式的基本原理:
如果每次都是两相通电,即按AB→BC→CA→AB→…的顺序通电,则称为双三拍方式,从图a和图b可见,步距角也是30°。
因此,采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角,每走一步前进了三分之一齿距角;采用六拍方式时,转子走六步前进了一个齿距角,每走一步前进了六分之一齿距角。
因此步距角θ可用下式计算:
θ=360°/Zr×m
式中Zr是转子齿数;
m是运行拍数。
3.3步进电机静动态特性
距角特性:
距角特性是反映步进电动机电磁转矩T随偏转角变化的关系。
这一特性反映了比较电动机带负载的能力,它是电动机的最主要的性能指标之一。
静态特性
所谓静态是指步进电动机不改变通电状态,转子不动时的状态。
步进电动机的静态特性主要指静态矩角特性和最大静转矩特性.。
静态矩角特性
描述步进电动机静态时电磁转矩T与失调角之间关系的特性曲线称为矩角特性。
步进电动机矩角特性步进电动机最大静转矩特性
图3.2步进电动机静态特性
最大静态转矩
矩角特性上电磁转矩的最大值称为最大静态转矩。
它与通电状态及绕组内电流的值有关。
在一定通电状态下,最大静转矩与绕组内电流的关系,称为最大静转矩特性。
当控制电流很小时,最大静转矩与电流的平方成正比地增大,当电流稍大时,受磁路饱和的影响,最大转矩Tmax上升变缓,电流很大时,曲线趋向饱和。
动态特性
步进电动机运行时总是在电气和机械过渡过程中进行的,因此对它的动特性有很高的要求,步进电动机的动特性将直接影响到系统的快速响应以及工作的可靠性。
它不仅与电动机的性能和负载性质有关,还和电源的特性及通电的方式有关,其中有些因素还是属于非线性的,要进行精确的分析较为困难,通常只能采用近似的方法来研究。
步进运行状态时的动特性
开始时,步进电动机的矩角特性为曲线①所示,若电动机空载,则转子稳定在Ol点处。
加一个脉冲,通电状态改变,矩角特性曲线变成曲线②,转子将稳定在新的稳定点O2。
若电动机带负载,先假设负载转矩为T1,则在初始状态时电动机的稳定位置是曲线①上的01'点。
在改变通电状态的瞬间,转子位置还未来得及改变,而其受到的电磁转矩已是矩角特性曲线②上的02',如果开始负载转矩相当大,如图中T2,则转子起点为曲线①的01''点。
当通电状态改变时,02''为新稳定点运动,Tmax为步进电动机的最大静转矩。
曲线①和曲线②的交点转矩Tq是步进电动机能带动的负载转矩极限值,有时称Tq为步进电动机的起动转矩。
在最大静转矩相同的条件下,相数增大时,因曲线的交点Tq较高,步进电动机带负载能力也相应增大。
用矩角特性分析单步运动状态步进电动机转子运动的过渡过程
图3.3步进动特性
连续运行状态时的动特性
当控制绕组的电脉冲频率增高,相应的时间间隔也减小,以至小于电动机机电过渡过程所需的时间。
若电脉冲的间隔小于图中的时间T1,当脉冲由绕组A相切换到B相,再切换到C相,这时转子从定子A极起动,移到定子B极,还来不及回转,C相已经通电,这样转子将继续按原方向转动,形成连续运行状态。
实际上,步进电动机大都是在连续运行状态下工作的。
在这样运行状态下电动机所产生的转矩称为动态转矩。
矩频特性
步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系,即Tdm=F(f),称为矩频特性,如图所示。
步进电动机矩频特性起动频率与负载的关系
图3.4最大动态转矩和脉冲频率的关系
在图中可以看出,步进电动机的最大动态转矩将小于最大静转矩,并随着脉冲频率的升高而降低.
最高工作频率
步进电动机的最高工作频率是指电动机按指令的要求进行正常工作时的最大脉冲频率。
所谓正常工作就是说步进电动机不失步地工作,即一个脉冲就移动一个步距角。
步进电动机的工作频率,通常分为启动频率、制动频率及连续工作频率。
—般步进电动机的技术参数中只给出起动频率和连续工作频率。
步进电动机的起动频率f0是指它在一定的负载转矩下能够不失步地起动的最高频率。
起动频率的大小是由许多因素决定的,绕组的时间常数越小,负载转矩和转动惯量越小,步矩角越小,则起动频率越高,如图所示。
步进电动机的连续工作频率,又称运行频率。
它是指步进电动机启动后,当控制脉冲连续发出时,能不失步运行的最高频率。
影响运行频率的因素与影响起动频率的因素基本上相同,但是转动惯量对运行频率的影响不像对起动频率的影响那么明显,它仅影响到频率连续上升的速度。
3.4步进电机的优缺点
步进电机优点:
1、电机旋转的角度正比于脉冲数;
2、电机停转的时候具有最大的转矩(当绕组激磁时);
3、由于每步的精度在3%-5%,而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性;
4、优秀的起停和反转响应;
5、由于没有电刷,可靠性较高,因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命;
6、电机的响应仅由数字输入脉冲确定,因而可以采用开环控制,这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本较低;
7、仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。
8、由于速度正比于脉冲频率,因而有比较宽的转速范围。
开环控制:
步进电机最有意义的一个优点就是在开环系统里可以实现精确的控制。
开环控制意味着不需要关于(转子)位置方面的反馈信息。
这种控制避免了使用昂贵的传感器以及像光学编码器这样的反馈设备,因为只需要跟踪输入的步进脉冲就可以知道你(转子)的位置。
步进电机缺点:
1、如果控制不当容易产生共振;
2、难以运转到较高的转速。
3.5步进电机的控制单元类型
3.5.1PLC
可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。
但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLC
3.5.2计算机
计算机是由早期的电动计算器发展而来的。
1946年,世界上出现了第一台电子数字计算机“ENIAC”,用于计算弹道。
是由美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学院制造的,但它的体积庞大,占地面积170多平方米,重量约30吨,消耗近100千瓦的电力。
显然,这样的计算机成本很高,使用不便。
1956年,晶体管电子计算机诞生了,这是第二代电子计算机。
只要几个大一点的柜子就可将它容下,运算速度也大大地提高了。
1959年出现的是第三代集成电路计算机。
最初的计算机由约翰·冯·诺依曼发明(那时电脑的计算能力相当于现在的计算器),有三间库房那么大,后逐步发展而成。
从20世纪70年代开始,这是电脑发展的最新阶段。
到1970年,由大规模集成电路和超大规模集成电路制成的“克雷一号”,使电脑进入了第四代。
超大规模集成电路的发明,使电子计算机不断向着小型化、微型化、低功耗、智能化、系统化的方向更新换代。
20世纪90年代,电脑向“智能”方向发展,制造出与人脑相似的电脑,可以进行思维、学习、记忆、网络通信等工作。
进入21世纪,电脑更是笔记本化、微型化和专业化,每秒运算速度超过100万次,不但操作简易、价格便宜,而且可以代替人们的部分脑力劳动,甚至在某些方面扩展了人的智能。
于是,今天的微型电子计算机就被形象地称作电脑了。
世界上第一台个人电脑由IBM于1981年推出。
3.5.3单片机
单片机又名微控制器,是将微型计算机中的中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)及I/O口电路等主要部件,结合连接它们的总线集成在一块芯片上,即它是一块智能芯片。
单片机系统:
单片机本身只是一块芯片,它并不能集成计算机的全部电路,因此需要加上时钟、复位电路等,才能构成单片机最小应用系统;若最小系统资源不足时,还需扩展外围电路和外围芯片等,从而构成能满足应用要求的单片机系统。
单片机应用系统:
它是为实际的
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