伺服电机运行控制器的设计(编辑修改稿)

伺服电机运行控制器的设计(编辑修改稿)内容摘要：

高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。 第二节 设计目的及系统功能 本次毕业设计应用了一片 ATMEL公司的 AT89C52 单片机作为步进电机伺服控制器的核心运算器件 ，利用单片机强大的运算能力和可编程的特点，可以实现较为复杂的步进电机控制功能。 且适应能力强，能够在不改变硬件电路的情况下，只需对软件进行必要的修改就可以适应不同的步进电机和控制要求。 而且可以做到人机交换，使控制更加的直观和方便，各种运行状态也都有相应的指示，使操作者随时都能对电机的运行状况进行方便的了解。 一个利用单片机来构成的步迸电机控制系统的优点是十分明显的。 重庆邮电大学移通学院本科 毕业设计（论文） 5 根据 步进电机将电脉冲转化为角位移的 特点， 可以通过控制脉冲个数来控制角位移 量，从 而精确地控制转动角度。 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的角度和 加速度，从而达到调速的目的。 因此，本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的。 本次毕业设计选用 四相 步进电机，以 AT89C52 单片机为核心 ， L297 和 L298 作为驱动芯片，设计出一个由单片机控制步进电机的伺服控制器。 通过软件和硬件的结合实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速功能， 并将 并电机所处的状态 用数码管显示出来。 重庆邮电大学移通学院本科 毕业设计（论文） 6 第二章 系统硬件分析 硬件是整 个系统的平台，各种功能的实现和软件的运行都是以硬件为基础的，硬件设计的合理与否从根本上决定了整个系统的质量，所以要对整个系统用到的硬件进行认真的分析。 通过对整个系统的硬件分析 在学习上及实践中可以起一定的促进作用。 第一节 系统组成 步进电机控制系统是一个有机的完整的整体，由运动控制系统和操作控制系统组成。 由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号，运动控制系统随之作出反应，完成规定动作。 运动控制是一门有关如何对物体位置和速度进行控制的技术。 典型的运动控制系统应由三部份构成：控制部分、驱动部分、执行部分。 图 运动控制系统组成 在步进电机控制系统中运动执行部件为步进电机， 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。 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，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的正反转和电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。 步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速 ；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。 因此典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成：步进控制器、驱动器 (把控制器输出的脉冲加以放大，来驱动步进电机 )、步迸电机。 不同的控制方案，步进控制器、驱动器也有不同的类型。 步进电机是数控式电机，其最大特点是通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动运动控制部件 驱动部件 执行部件 运动控制部件 重庆邮电大学移通学院本科 毕业设计（论文） 7 角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 它具有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征，将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此本次 毕业设计选用单片机控制 步进电机 ， 其 总体设计框图如图。 图 总体设计框图 使用软件方法，用单片机对步进电机控制 (包括控制脉冲的产生和分配 )，这样既简化了电路，也降低了成本。 采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。 系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。 通过软件的控制，单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字 ——角度的转换。 转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。 电路接在驱动电路和单片机出口之间。 由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，和单片机端口连接，设置了步进电机 启动、 停止 、 正转、反转、 加 速 、 减速 等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。 环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。 待驱动、晶振、复位、键盘、 LED 显示各个电路的设计 完成 之后，进行硬件整合 ，就是一个完整的步进电机控制系统。 系统的软件设计通常采用模块化结构，软件系统总体框架一般包括三部分：主程序、中断服务子程序以及其他相应的辅助子程序 (包括正转子程序、反转子程序、 加 /减速子程序 键盘子程序、 LED 显示子程电源模块 AT89C52 驱动模块 显示模块 键盘模块 重庆邮电大学移通学院本科 毕业设计（论文） 8 序以及延时子程序 )。 第二节 步进电机 简介 步进电动机 (Stepping Motor， Step Motor 或 Steper Motor)是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机。 其作用是将脉冲电信号变换为相应的线位移或角位移 ，可以实现信号变换 ； 因此，步进电动机又称为脉冲电动机（ Pulse Motor）。 在自动控制系统和数字控制系统中是应用广泛的执行元件。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的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收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 一、 步进电动机的种类 步进电动机的分类方法较多。 按工作方式分类：可分为功率式和伺服式两种。 功率式：输出转矩较大，能直 接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电机）。 伺服式：输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电机）。 按励磁方式分类，可将步进电动机分为永磁式（ PM）、反应式（ VR）、混合式（ HB）三类。 目前应用最广泛的是反应式和混合式步进电动机。 ① 反应式步进电机 (Ⅵ lriable Reluctance，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 (PeaneIlt Maet，简称 PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，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，使其在运转过程重庆邮电大学移通学院本科 毕业设计（论文） 9 中比较平稳、噪声低、低频振动小。 二、 步进电机的结构及工作原理 步进电机主要是有定子和转子构成。 定子的主要结构是绕组，三相、四相、五相步进电机分别有 3 个、 4 个、 5 个绕组，其他依此类推。 绕组按一定的通电顺序工作，这个通电顺序称为 “相序 ”。 转子的主要结构是磁性转轴，当定子中的绕组在相序信号作用下有规律的通电、断电工作时，转子周围就会有一个按此规律变化的电磁场，因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上，转子总是力图转动到磁阻最小的位置，正是这样，使得转子按一定的步距角转动，使转子发生转动。 如图 所示的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 是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图 四相步进电机步进示意图 （一） 步进电机的工作方式 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 4 号齿就和 C、 D 相绕组磁极产生错齿， 5 号齿就和 D、 A 相绕组磁极产生错齿。 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 4 号齿之间磁力线的作用，使转子转动， 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， 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。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通重庆邮电大学移通学院本科 毕业设计（论文） 10 电时序与波形分别如图 所示。 图 步进电机工作时序波形图 （二） 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，如果按反序通电换相， 则电机就反转。 对步进电机四个绕组依次实现如下方式的循环通电控制， 单四拍运行：正转 ABCD，反转DCBA；双四拍运行：正转 ABBCCDDA，反转 DCCBBAAD；八拍运行：正转AABBBCCCDDDA，反转 DDCCCBBBAAAD。 （三） 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。 （四） 步进电机的速度控制 步进电动机运转的速度是由输入到 A、 B、 C、 D 四 相绕组的频率所决定的。 脉冲的频率越高，电动机运转的速度越快，否则，速度就越慢。 因而通过延时程序控制输出脉冲的频率，就可以实现对步进电机速度的控制。 速度控制中加 /减控制是最基本的控制。 电机由静止到达设定的最大的速度所需的时间是由调试决定的。 加速度太大，电机甚至不能克服惯性而失步，加速度太少，则完成指定的运动耗费时间太多。 加速度有两中方案：线性加 /减速度控制和等步距加 /减速度控制。 前者规定从加速度开始，每一加速度周期指令电机速度递增相同的增量 △ f；后者则是要求每一加速度周期电机走过相同的步数。 等步距加 /减速度控制的优点，在于加 /减过程中电机走的步数重庆邮电大学移通学院本科 毕业设计（论文） 11 可以非常精确的计算，这一点对于加 /减的位置控制非常重要，但从电机要克服惯性力来看，线性加速方案好些。 调试也方便。 线性加 控制曲线如 图。 图 线性加速控制曲线 f=(f2f1)/n， 其中 n 为加速过程的台阶数，减速控制也类似，只是 △ f 为负值。 步进电动机的最高起动频率（突跳频率）一般为 到 34KHz，而最高运行频率则可以达到 N*102 KHz。 以超过最高起动频率的频率直接起动，将出现 “失步 ”现象，甚至无法起动。 较为理想的起动曲线，应是按指数规律起动。 但实际应用对起动段的处理可采用直线拟合的方法，即 “阶梯升速法 ”。 可按两种情况处理 ： ① 已知突跳频率则按突跳频率分段起动，分段数 n=f/fq。 ② 未知突跳频率，则按段拟合至给定的起动频率，每段频率的递增量（后称阶梯频率）△ f=f/8， 即采用 8 段拟合。 在运行控制过程中，将起始的速度（频率）分为 n 分作为阶梯频率，采用 “阶梯升速法 ”将速度连续升到所需要的速度，然后锁定，按预置的曲线运行。 如 图 所示。 图 阶梯升速起动 重庆邮电大学移通学院本科 毕业设计（论文） 12 三、 步进电动机的驱动 步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备 ——步进电机驱动器 ，驱动器驱动电流流过电机内部线圈、依顺序切换激磁相序的方式才能够让电机运转。 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。