两相混合式步进电机的控制.docx
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两相混合式步进电机的控制
摘要
本课题是LPM驱动控制系统的子课题。
本设计以日本神钢电机株式会社生产的两相混合式直线脉冲电机SLPMU-025A为样机,对直线脉冲电机的驱动控制系统进行了研究,以AT89C51单片机作为控制器,采用专用的恒流细分驱动器,设计制作了驱动控制装置,具有对样机启停正反相调速定位等控制记录和显示等功能。
运行实验表明,该系统性能稳定,结构简单,调试方便,可作为对直线脉冲电机本体进一步研发的配套设备。
关键词:
步进电动机直线脉冲电机驱动器单片机
Abstract
TakingSLPMU-025A,atwo-phasehybridLPMmanufacturingbySHINKOMotorCompanyLtd,asanspecimen,thestudyonthedrivecontrolsystemiscarriedoutinthisthesis,IntroductiontoAT89C51singlechipmicrocomputerascontrollerandspecialmicro-stepconstantcurrentdriver,theapparatusofdrivercontrolisdesignedandmade,whichcanfunctionasthecontrol,therecord,thedisplaytostart-stop,forwardandreverse,speedregulation,allocationofthespecimen.Itisdemonstratedbyrunningtestthatthissystemischaracterizedbystableperformance,simplestructureandconvenniencesetting,soitcanbeusedasaauxiliaryequipmentofthefurtherdevelopmentontheLPMitself.
Keywords:
SteppingmotorLinearpulsemotorDriverSinglechipmicrocomputer
目录
第一篇绪论1
第一章步进电机的概述1
第一节步进电机的分类与特点1
第二节直线脉冲电机的优越性4
第三节直线脉冲电机的国内外发展概况及应用5
第二章步进电机驱动器的概述7
第一节步进电机驱动器的构成8
第二节国内外研究驱动器的概况及发展趋势10
第三章步进电机细分驱动的研究现状11
第四章LPM细分驱动研究的背景、意义14
第二篇直线脉冲电机的结构和运行工作原理15
第一章直线脉冲电机的分类15
第一节变磁阻式LPM16
第二节混合式LPM17
第三节两种类型直线脉冲电机的比较和应用20
第二章本文研究用样机SLPMU-025A简介21
第三篇步进电机驱动器的研究22
第一章步进电机驱动系统简介22
第二章LPM的驱动方法23
第一节LPM驱动的特点23
第二节步进电动机的各种驱动方法23
第三节LPM的驱动方法25
第四篇LPM的微步驱动34
第一章细分驱动必要性34
第一节细分驱动的特点35
第二节步进电机的细分驱动技术36
第二章LPM的微步驱动37
第一节LPM微步驱动的原理37
第二节LPM微步驱动的实现37
第三章用EPROM构成的环形分配器41
第五篇SLPMU-025A样机驱动控制系统的设计44
第一章AT89C51单片机简介44
第二章硬件电路的设计45
第三章软件设计47
结论49
致谢50
参考文献51
两相混合式步进电机的控制
第一篇绪论
第一章步进电机的概述
步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构,由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。
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(即步距角)。
脉冲输入越多,电机转子转过的角度就越多;同时,输入脉冲的频率越高,电机的转速就越快。
因此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;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度,从而达到调速的目的。
第一节步进电机的分类与特点
从广义上讲,步进电动机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。
从结构特点进行分类,一般常用的电磁式步进电动机主要有旋转电机和直线电机两种类型。
在小型电动机中,一般多段结构形式较少采用,绕组形式多为圆周分布型和轴向环行线圈型。
步进电机的种类,根据自身的结构不同,可分为常用的三大类:
(1)反应式步进电机(VariableReluctance,简称VR)
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,成本低,步距角可以做得很小,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(PermanentMagnet,简称PM)
永磁式步进电机的转子采用永磁材料制成,转子本身就是一个磁源。
转子的极数和定子的极数相同,所以一般步距角比较大。
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(Hybrid,简称HB)
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、噪音低、低频振动小。
混合式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。
但混合式步进电机结构复杂,成本较高。
步进电机具有自身的特点,归纳起来有:
(1)步进电机最大特征是能够简单的做到高精度的定位控制
以5相步进电机为例,其定位基本单位(分辨率或称步距角)为0.720(整步)/0.360(半步),是非常小的;停止定位精度误差皆在每步3-5%以内,且无累积误差,故可达到高精度的定位控制。
(2)位置及速度控制简便
步进电机在输入脉冲信号时,可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活的角度控制(位置控制)。
因为速度和输入脉冲的频率成正比,运转速度可在相当宽范围内平滑调节。
(3)可以直接进行开环控制
因为步距误差不长期累积,可以不需要速度传感器以及位置传感器,就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。
(4)高可靠性
不使用电刷,电机的寿命长,仅取决于轴承的寿命。
(5)具定位保持力矩
永磁式、混合式步进电机在停止状态下(无脉冲信号输入时),仍具有励磁保持力矩,故即使不靠机械式的刹车,也能做到停止位置的保持。
(6)中低速时具备高转矩
步进电机在中低速时具有较大的转矩,能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。
步进电机具有以下优点:
(1)步距值不受各种干扰因素的影响
它的速度主要取决于输入的脉冲频率,转子运动的总位移取决于输入的脉冲总数,相对来说,电压的大小、电流数值、波形和温度的变化等都不影响步距值。
(2)误差不积累
步进电动机每走一步的实际步距值与理论值总有一定的误差,走任意步数之后也总有一定的误差,但是因为每转过一转的累积误差为零,所以步距的误差不是积累的。
(3)控制性能好
改变通电顺序,就可以方便的控制电动机正转或反转,启动、转向、制动、转速及其他任何运动方式的改变都可以在少数脉冲内通过改变电脉冲输入达到控制的目的,在一定的频率范围内运行时,任何运行方式都不会丢失一步。
(4)步进电动机还有自锁能力
当步进电动机停止输入,而让最后一个脉冲控制的绕组继续保持通电时,则电动机可以保持在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上,能够实现停车时转子定位。
同时,步进电机也有自己的一些缺点:
(1)步进电机带惯性负载的能力较差。
(2)不能直接使用普通的交直流电驱动,而必须使用专用设备——步进电机驱动器。
(3)输出转矩随转速的升高而下降。
(4)从应用的角度来看,严重制约步进电机的两个问题是失步和振荡。
由于步进电机在大多数情况下采用开环运行的方式,它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电机本身。
有多种情况会产生失步,比如起动或停止频率超过了突跳频率,脉冲频率超过了连续运行频率,电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率,所带负载转矩超过了起动转矩以及步进电动机的振荡等。
通过改变驱动器的性能,可以减小运行中失步的可能。
步进电机的低频振荡是另一个需要解决的问题。
步进电机在极低频率下做连续步进运行,即每改变一次通电状态,转子转过一个步距角。
如果阻尼较小,这种运动是一个衰减的振荡过程,转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下来。
每来一个脉冲,转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充,这种能量越大,振荡越厉害。
当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振荡频率时电机会出现严重的振动,甚至失步导致无法工作,这就是步进电机的低频共振现象。
这种缺陷严重影响了步进电动机在性能要求较高的精密仪器控制系统中的应用。
为了改善步进电动机的运行品质,对振荡进行抑制,产生了各种阻尼方法,而细分驱动技术是一种可以显著改善步进电动机综合运行性能的方法,它可以有效的克服低频共振的危害。
第二节直线脉冲电机的优越性
过去,在各种工程技术中需要直线运动时,一般是用旋转电机通过曲柄连杆或蜗轮蜗杆等传动机构来获得的。
但是,这种传动形式往往会带来结构复杂,重量重,体积大,啮合精度差且工作不可靠等缺点。
而与旋转电机传动相比,直线脉冲电机则可克服这些缺点,它所具有的突出优势,己越来越引起人们的重视,由直线脉冲电机驱动的装置与系统所具有的优越性概括如下:
(1)整个系统得到简化
直线脉冲电机由于不需要任何中间转换装置,因而使整个系统得到简化,保证了运行的可靠性,减小了振动和噪音,提高了传递效率,降低了制造成本,并且易于维护。
(2)可实现快速响应
用直线脉冲电机驱动时,由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响,因而加速和减速时间短,可实现快速起动和正反向直线运动。
(3)减小机械损耗
由于直线脉冲电机是通过电能直接产生直线电磁推力的,其运动时可以无机械接触,使传动零部件无磨损,从而大大减少了机械损耗。
(4)某些特殊场合使用
由于直线脉冲电机结构简单,而且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密封成整体,所以可以在一些特殊场合中应用,例如可在潮湿甚至水中使用,可在有腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用,亦可在几千度的高温下或几XX的低温下使用。
(5)散热面积大,容易冷却
由于直线脉冲电机结构简单,其散热效果也较好,所以这一类直线脉冲电机的热负荷可以取得较高,并且不需要附加冷却装置。
(6)装配灵活性大,可将电机和其它机件合成一体
由上可见,由直线脉冲电机驱动的装置与系统在一些合适的场合上具有很大的优势。
不久的将来,它将像微电子技术和计算机技术一样,在人类的各个领域中得到广泛的应用。
当然,任何事物都不可能十全十美的,直线脉冲电机也不例外,它也存在着一些不足之处,主要表现在与同容量旋转电机相比,直线脉冲电机的效率和功率因素要低,尤其在低速时比较明显。
总体来说,直线脉冲电机在一些合适的直线运动装置或系统中,是很有发展前途的,也是能发挥很大作用的。
第三节直线脉冲电机的国内外发展概况及应用
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能,而不需要通过任何中间转换机构的特种电机。
它是20世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理、新理论的新技术。
它具有结构简单、传动效率高、运行可靠、直线速度可调、噪声小、热负荷高、耐腐蚀、耐高温等优点,用途十分广泛,是一种很有发展前途的电机新品种。
早在1840年,惠斯登(Wheatstone)就开始提出并试制了略具雏形的直线电动机,但没有成功。
从那时至今,直线电机一直在不断的发展和完善中,先后经历了探索试验、开发应用和实用商品化三个阶段。
近50年来,直线电机发展很快。
1945年美国的Westinghouse电气公司首先研制成功名为“Electrupult”的电力牵引飞机弹射器。
它以7400KW的直线电动机为动力,成功地用4.1s时间将一架重4500kg的喷气式飞机在102m行程内由静止加速到185km/h的速度。
它的试验成功,使直线电动机的优点受到重视。
继此又出现多项成果。
例如,1952年美国研制成核工业用的利用直线感应电动机原理抽取液态钠钾的电磁泵;1954年英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制造成了发射导弹的装置。
但是这个时期直线电机始终没有能够得到真正的应用。
1962年英国展示了用直线电动机传动的列车模型(轨道长914m);日本的宇佐美等着手研究无摩擦传动及无接触悬浮装置;1965年前苏联出版《液态金属电磁输送》一书;美国SkineerPreci公司出售了名为Polynoid的圆筒形直线电动机,直线电动机正式以商品的形式进入市场。
与此同时,直线电机理论也取得了很大的发展,有关的文献和书刊不断出版。
1966年英国出版Laithwaite的著作“特殊用途感应电动机”,为直线感应电动机理论奠定了基础。
此后,直线电动机进入了蓬勃发展阶段。
许多国家为了把直线电动机用作高速地面运输的推进装置,开展了大量研究工作。
速度为5OOkm/h左右的高速列车的技术问题相继获得解决。
与此同时,各类直线电动机的工业应用也得到迅速发展,制成了不少具有实用价值的装置,如直线电动机传动的电动门、电磁搅拌器、传送带、自动绘图仪、计算机磁盘定位机构等。
低速直线电动机在不少国家已有系列产品可供选用。
近年来,日本正在研究直线电动机传动的高速垂直运输装置,拟用于超高层建筑的高速电梯。
同时,直线电动机传动的三维空间运输系统获得成功,电动机能水平和垂直运动,并能转弯,已用于医院中安放药品、试样、材料的盒箱的空间运输。
使用直线步进电动机的人工心脏和使用直线直流电动机的电磁推进船的研究正在进行之中。
此外,直线电动机在传动小车、搬运钢管、搬运钢板、传送器件等方面己有成熟的应用。
直线脉冲电机,它的发展历史虽然比较短,但由于其自身的优越性,其应用的领域已很广泛。
绘图仪、打印机、软盘驱动器等计算机外围设备中的应用被认为是直线脉冲电机应用的主要领域,如美国惠普公司生产的X-Y绘图仪和IBM公司生产的高速打印机以及计算机磁盘的磁头驱动均采用直线脉冲电机;美国奥基电气公司在软盘驱动方面则采用圆柱型直线脉冲电机等。
在数据设备、情报设备中直线脉冲电机也有着广泛的应用。
另外,日本正在进行将直线脉冲电机作为人工心脏动力源的研究工作,从而将直线脉冲电机的应用拓展到一个全新的领域。
此外,集成电路制作、焊接封装等工业生产流水线上,智能机械手和智能机器人中都需要高定位精度、高可靠性的直线运动驱动器,而直线脉冲电机很容易与微型计算机相结合构成这种驱动器,所以在工业生产线上和机械制造加工领域直线脉冲电机有很好的发展前景。
我国自上世纪70年代以来,直线脉冲电机的研究发展很快。
中国科学院电工研究所和上海工业大学、西安交通大学、浙江大学、太原理工大学等高等学校以及一些科研单位和厂矿企业,在直线脉冲电机的理论研究和工业应用中取得了许多成果。
在直线脉冲电机应用方面成果丰富,如煤矿井口推车机、电动门、送料机械手、铁路栏道栅、调车场加减速器、电磁打箔锤、窗帘开闭器、浮法玻璃搅拌机等都获得推广应用。
由此可见,直线脉冲电机是一种很有发展前途的高科技直线运动驱动装置。
第二章步进电机驱动器的概述
由于步进电机系统具有开环控制精度高,控制形式较为简单,易于实现数字化控制等特点,从而在数控机床、自动化生产线、工业仪器仪表、计算机设备、医疗仪器、家电产品、舞台灯光等许多领域得到了广泛的应用,成为目前不可或缺的重要电机组件。
步进电机从原理及结构上可分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机以及特种步进电机等。
从绕组个数上又可分为二相、三相、四相、五相、六相,直到九相步进电机等。
我国的步进电机行业起步较早,并一度以反应式步进电机的生产与应用成为国际电机行业的一大特色,目前,仍有许多国内用户使用反应式步进电机。
混合式步进电机的特点是力矩大、运行平稳、高频矩频特性好,在欧美、日本等许多发达国家应用十分广泛。
与此同时,与其相适应的驱动技术的发展也十分迅速。
我国步进电机的应用虽起步较早,但其驱动技术的发展相对落后,成为制约步进电机应用与发展主要的因素。
从驱动技术应用的发展历程上看,先后经历了单电压串电阻驱动、双电压驱动、高低压驱动、升频升压驱动、恒流斩波驱动等阶段,目前已进入恒相电流与细分技术相结合的技术阶段。
众所周知,步进电机系统的主要性能,是由步进电机自身的性能以及与之配套的驱动器的性能两部分决定。
这是因为,步进电机自身的性能需要通过一个相应的驱动器将其驱动工作后,对其进行测试方知。
驱动器性能的优劣,会直接影响到步进电机性能的测试结果。
另一方面,衡量驱动器性能的优劣也离不开步进电机的配合,驱动器的性能也都体现在电机运转的性能上。
因而,在步进电机系统中,驱动器和步进电机是密不可分的。
不同驱动器引发的步进电机性能上的差异,不仅体现在输出力矩的大小及高频矩频特性上,还体现在电机反应速度、消除电机运转过程中的振动、电机在固有共振点附近运行平稳性等多方面。
总之,随着步进电机驱动技术的不断更新,以及用户要求的不断提高,步进电机驱动器产品必定会向着更小型化(模块化、单片IC化)、高效率、高可靠性、低价位的方向发展。
技术是产品发展的命脉,用户的要求是产品发展的原动力。
第一节步进电机驱动器的构成
直线步进电动机不能直接接到交直流电源上工作,而必须使用专用的直线步进电动机驱动器。
直线步进电动机驱动系统的性能,除与电动机自身的性能有关外,也在很大程度上取决于驱动器的性能。
直线步进电动机驱动器的主要构成一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成,用于功率步进电动机的驱动器还需要有多种保护电路。
环形分配器用来接收来自控制器的CP脉冲,并按直线步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。
每来一个CP脉冲,环形分配器的输出转换一次。
因此,直线步进电动机转速的高低、升降速、起动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率的高低。
同时,环形分配器还必须接收控制器的方向信号,从而决定其输出的状态转换是按正序或者反序转换,由此决定直线步进电动机的运行方向。
从环形分配器输出的各相导通或截止信号送入信号放大级与处理级。
信号放大的作用是将环分输出信号加以放大,并送入推动级,这中间一般既需要电压放大,也需要电流放大。
信号处理是实现某些转换、合成的功能,并产生斩波、抑制等特殊功能的信号,从而产生特殊功能的驱动。
本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组合在一起,形成较高性能的驱动输出。
推动级的作用是将较小的信号加以放大,变成足以推动驱动级的较大的信号。
有时推动级还有电平转换的作用。
保护级的作用是保护驱动级的安全。
一般可以根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。
有时还要对输入信号进行监控,发现输入异常并提供保护工作。
第二节国内外研究驱动器的概况及发展趋势
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移(或线位移)的机电元件,步进电动机不能直接接到普通的交直流电源上工作,必须使用专用设备——步进电动机驱动器。
步进电动机系统是由步进电动机及其驱动器两部分构成的。
步进电动机系统的性能,不仅取决于步进电动机本身的性能,而且在很大程度上取决于驱动器的性能。
采用电流控制技术及细分驱动技术,准确有效地控制电机绕组电流,进一步提高步进电动机系统的运行性能和控制要求的适应性,是步进电动机驱动器发展的主要趋势。
同时,集成化、模块化、低成本也是步进电动机驱动器发展的必然趋势。
集成化、模块化有利于提高驱动器的可靠性和电磁兼容性,减小驱动器的体积,进一步扩大其应用领域。
近年来,随着新材料、电机设计与制造技术、电力电子技术、控制技术、微电子技术、大功率电力电子器件及驱动技术的进步,步进电机在自动化领域的应用也越来越广泛。
我国的步进电机行业起步较早,并一度以反应式步进电机的生产与应用成为国际电机行业的一大特色,目前,仍有许多国内用户使用反应式步进电机。
混合式步进电机的特点是力矩大、运行平稳、高频矩频特性好,在发达国家中,越来越广泛的使用性能优越的五相和三相混合式步进电机。
步进电机驱动技术的发展也十分迅速。
我国步进电机的应用虽然起步较早,但其驱动技术的发展相对落后,成为制约步进电机应用与发展的主要因素。
国内仍有不少用户沿用已被国外淘汰的单电压串电阻等落后的驱动方式,驱动器电路中使用分立元件居多,可靠性差,且各厂家的驱动技术规范、技术等级、生产工艺参差不齐。
目前发达国家的驱动器已进入恒相电流与细分技术相结合的技术阶段,使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩维持不变。
在步进电机驱动技术上,一方面由于采用了斩波恒流控制、SPWM(正弦脉宽调制)和细分技术以及最佳升降频控制,大大提高了步进电机运行快速性和运动精度,使步进电机在中、小功率范围内向高速精密化领域渗透;另一方面在电路设计方面,驱动器电路普遍采用单片机加上外围电路,或用专用SPWM芯片甚至DSP来产生SPWM波来控制功放电路上开关管的通断,从而控制各相绕组细分电流的大小。
步进电动机系统在各种数字控制系统中的应用越来越广泛,各种数字控制系统对步进电动机系统的性能和使用条件的要求也越来越高。
这就要求不断地研制出高性能、高可靠性、高集成化、低价位的驱动器来满足要求。
第三章步进电机细分驱动的研究现状
步进电机细分驱动技术是上世纪70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。
1975年美国学者T.R.Fredriksen首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法。
在其后的二十多年里,步进电机细分驱动技术得到了很大的发展,并在实践中得到了广泛的应用。
实践证明,步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角,提高步进运行的平稳性,增加控制的灵活性等。
国内外研究步进电机细分驱动的文献很多,分别对细分数、均匀步距、恒转距、低噪音、低振动、抗干扰等方面进行研究。
总结分析这些研究的特点如下:
(l)细分电压波形的产生普遍采用可逆循环计数器、EPROM存储器和D/A转换器三者构成的结构,结合驱动线路按步进电机励磁状态转换表求出所需的环形分配器输出状态表,以二进制码的形式依次存入EPROM存储器中,在线路中只要按照地址的正向或者反向顺序依次取出地址的内容,经过D/A转换器输出所需的控制波形。
此模式实际上是一种软硬件结合的技术,通过对EPROM存储器的软件编程即可实现不同细分波形的输出。
(2)由于步进电机的电机绕组电流与电机转子转角之间的非线性关系,而且这种关系复杂,很难找到一种统一而简便的函数表达式,只能采用近似的方法。
获得近似均匀步距的细分波形的常用方法有以下三种:
数值插值法、近似波形法、曲线拟合法。
然后经过进一步实验修正,最终达到近似均匀步距。
(3)专用性是步进电动机细分驱动的又一特点,各研究单位基于不同的目标和机型开发不同的细分驱动电路。
一般都具有较强专用性,基于功率、微步距指标、噪音指标等参数的不同要求,驱动电路不能“兼容”。
一旦应用指标、电机型号改变,驱动系统必须重新设计。
通过以上
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