三相双三拍步进电机控制系统设计要点.pdf
《三相双三拍步进电机控制系统设计要点.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《三相双三拍步进电机控制系统设计要点.pdf(21页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 1 摘要 进步电机是几点数字控制系统中常用的控制元件之一。由于其精度高,体积小,控 制方便灵活,因此在智能仪表和位置中得到广泛的应用。 步进电机是机电控制中一种常见的执行机构。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
2、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。 他易于实现与计算机或其他数字元件接口,适用于数字控制系统。 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 2 1 课程设计任务和要求 课程设计任务 设计一个三相步进电机控制系统,设计一个计算机步进电机程序控制系统,可以对 步进电机的转速、转向以及位置进行控制。通过设计,掌握步进电机的工作原理、掌握 步进电机控制系统的设计原理、设计步骤,进一步提高综合运用知识的能力。 要求
3、完成的主要任务 : (1) 设计接口电路和驱动电路,对步进电机进行控制。 (2) 选择控制算法,编写控制程序,实现三相步进电机在双三拍工作方式下先正转 90度,然后再反转60度,要求其速度可调,转向可控。 (3)写出设计说明书。 课程任务要求 (1)查阅资料,确定设计方案 (2)选择器件,设计硬件电路,并画出原理图和PCB 图 (3)画出流程图,编写控制程序 (4)撰写课程设计说明书 2 步进电机的概述 2.1 步进电机的特点 1)一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。 2)步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁, 从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外
4、表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材 料的退磁点; 一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130 度以上,有的甚至高达摄氏 200 度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90 度完全正常。 3)步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时,电机各相绕组的电 感将形成一个反向电动势; 频率越高,反向电动势越大。 在它的作用下, 电机随频率(或 速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。 4)步进电机低速时可以正常运转, 但若高于一定速度就无法启动, 并伴有啸叫声。 步 进电机有一个技术参数: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
5、启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 3 情况下,启动频率应更低。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,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。 2.2 步进电机的工作原理 步进电机是一种用电脉冲进行控制 , 将电脉冲信号转换成相位移的电机, 其机械位 移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比, 每一个脉冲信号可使步进 电机旋转一个固定的角度. 脉冲的数量决定了旋转的总角度 , 脉冲的频率决定了电机运 转的速度 . 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
6、个 固定的角度 ( 称为“步距角” ),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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和加速度,从而达到调速的目的。 2.3 步进电机的技术参数 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
7、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 /1.8 、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
8、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( HOLDING TORQUE) 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 4 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 2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是 指保持转矩为 2N.m的步进电机。 2.4 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
9、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如图2.4.2 所示: 3 步进电机控制工作原理 3.1 步进电机的启停控制 步进电机由于其电气特性, 运转时会有步进感 , 即振动感。为了使电机转动平滑 , 减小振动 , 可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 , 可以减小步进 电机的步进角 , 提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时 , 为了防止因惯性而使电机 轴
10、产生顺滑 , 则需采用合适的锁定波形 , 产生锁定磁力矩 , 锁定步进电机的转轴 , 使步 进电机的转轴不能自由转动。 3.2 步进电机的转向控制 如果给定工作方式正序换相通电 , 步进电机正转。 若步进电机的励磁方式为三相六 拍 , 即 A-AB-B-BC-C-CA。 如果按反序通电换相 , 即则电机就反转。 其他方式情况类似。 3.3 系统设计思路 此次我们所设计的是一个步进电机控制系统,主要由单片机80C51 ,3 相步进电机, 7 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 5 段数码管,及一些其他相关元件设计而成。可以通过开关来控制系统的启/ 停工作,当系 统运转时,用开关来控
11、制方向,并使相应的指示灯亮起,同样由开关来选择工作模式。 运转时,用 4 位 7 段数码管来输出步数。最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应 的软件。 3.4 系统的整体框图 3.5 驱动方式的确定 并于步进电机的驱动一般有两种方法,一种是通过CPU直接来驱动,这种方法一般 不宜采用,因为CPU 的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动;别一种 是通过 CPU 来间接驱动,就是把从CPU输出的信号进行放大,然后直接驱动或是再通过 光电隔离间接来驱动步进电机,这种方法比较安全可靠。固本次设计应采用CPU 间接驱 动步进电机。 用编码器还的测速发电机作为转速测量工具, 因为选择了闭环控
12、制, 就必须 有反馈元件,反馈元件一般有两种,一种是采用同轴的测速发电机,把步进电机的转速 80c51 单 片机整体 控制 LED 显 示模块 开 关 选 择 电 机 工 作 模式 LED 显 示 灯 显 示 电 机 工 作 状 态 三 相 步 进 电 机 模块 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 6 反馈回来,然后通过显示器显示出来并对步进电机进行调节;别一种是通过光同轴的电 编码器把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调节;两者相比,后者的设计比较简 单,价格便宜,安全可靠,污染少。固一般采用后者,用光电骗码器作为反馈元件。 3.6 驱动电路的选择 步进电机的驱动电机有多种,
13、但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱 动、细分控制驱动等。单电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路,它在本 质上是一个单间的反相器。它的最大特点是结构简单,因它的工作效率低,特别是在高 频下更显的突出。它的外接电阻R要消耗相当一部分的热量,这样就会影响电路的稳定 性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。双电压驱动是电路一 般采用两种电源电压来驱动,因这两个电源分别是一个为高压一个为低压,因此也称为 高低压驱动电路。双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点,这样必然引 起力矩在谷点处下降。 不宜于电机的正常运行。 对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点,
14、并且还可以提高步进电机的效率。别一种是用单片机采用数子脉宽调制的方法获得阶梯 电流,这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。但因本次设计对步进电机的 精度要求比较高转速的调节范围比较广,固应选用驱动芯片8713 来驱动,并通过软件来 实现步进电机的调速。 4 硬件电路的设计 4.1 单片机的选择 本次设计以 CPU 选用 89C5l 作为步进电机的控制芯片 89C51的结构简单并可以在编 程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上. 使用方便等优点,而且完全兼容 MCS5l系列单 片机的所有功能。 AT89C51是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM FAlsh Progr
15、AmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory )的低电压,高性能CMOS8 位微 处理器,俗称单片机。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标 准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个 芯片中, ATMEL 的 AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵 活性高且价廉的方案。 4.1.1 单片机的引脚功能 1)VCC (40):电源 +5V。 中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计说明书 7 2)VSS (20):接地,也就是 GND 。 3)XTL1 (19
- 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:
- 三相 双三拍 步进 电机 控制系统 设计 要点
链接地址:https://www.31doc.com/p-5205293.html