基于单片机步进电机调速控制系统设计论文

基于单片机步进电机调速控制系统设计论文内容摘要：

机步距角为。 图 混合式步进电动机的结构图 步进电机伺服控制的研究现状 国外步进电机伺服系统的发展现状 世界上第一个伺服系统是由美国麻省理工学院辐射实验室于 1944年研制成功的火炮自动跟踪目标伺服系统。 这种早期的伺服系统是采用交磁电机扩大机一直流电动机的驱动方式 ,由于交磁电机的频率响应差 ,电动机转动部分的转动惯量及电气时间常数都比较大 ,因此响应速度比较慢。 在 20世纪 60年代初期 ,步进电机主要采用液压伺服系统 ,运用在数控机床方面。 该伺服系统与直流伺服电机相比 ,响应时间短 ,输出相同扭矩时伺服部件的夕丨形尺寸小。 但由于液压伺服系统存在着发热量大、效率低、污染环境和不便于维修等缺 点 ,因此逐渐被步进电动机和新型伺服电机所代替。 20世纪 60年代中期 ,由小功率型伺服步进电机和液压扭矩放大器组成的开环伺服系统一度广泛应用于工业控制中 ,其中日本 FUNAC公司研制的电液脉冲马达伺服系统最具代表性。 但由于该系统的结构较复杂且可靠性差 ,经过很短时间后就被其它伺服系统所取代。 ` 20世纪 70年代 ,美国 GEHYS公司首先研制成功了大惯量直流电动机 ,即通常所指的宽调速直流电动机。 这种电动机的峰值扭矩可以达到额定扭矩的 10~15倍。 20世纪 80年代以来随着大规模集成电路、电力电子学的发展 ,特别是计算机 对交流电动机的磁场进行矢量控制技术的重大突破 ,使长期以来人们一直试图在调速和伺服控制中应用交流电动机取代直流电动机的设想得以实现。 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 5 20世纪 90年代 ,在经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域 ,有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服控制系统的执行元件。 因步进电机伺服系统的结构简单、便于制造 ,成本相对低廉 ,所以迄今为止 ,在运动速度较低、输出扭矩较小的经济型数控机床上仍然得到普遍应用。 因此 ,如何改善电机的控制方法以提高定位系统的定位精度 ,成为提高伺服系统性能的关键所在。 21世纪至今 ,主要以 DSP为核心的 步进电机伺服控制系统 ,实现了伺服控制系统的速度环、位置环和电流环的全数字化控制。 主要优势是运算速度快 ,系统的加速性能好 ,从静止加速到额定转速仅需几毫秒 ,适用于快速起停场合。 采用软件控制代替了硬件控制 ,简化了伺服系统硬件结构 ,降低硬件成本。 国内步进电机伺服系统的发展现状 与国外的伺服控制系统相比较 ,中国对伺服控制系统的研发较晚些 .,20世纪60年代之前 ,中国早期的伺服控制系统所使用的伺服控制系统产品均从国外进口而来 ,对于伺服控制技术方面 ,呈现一片空白的局面。 20世纪 70年代 ,迫于对国外伺服控制产 品的压力 ,中国的华中数控、广泰数控、时光科技等伺服厂家 ,开始开发自主知识产权的伺服控制产品 ,其中时光科技有限公司主要针对中大功率异步电机伺服控制器市场 ,其驱动技术、成本、等均有很明显的优势。 该公司自行研发生产的 132KW的大功率伺服控制器 ,国产品牌中遥遥领先。 在 20世纪 80年代 ,中国通过引进、消化、吸收国外伺服控制的先进技术 ,又在国家“七五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技项目攻关取得了很大成果。 但由于产品可靠性差等方面的原因 ,制约着中国伺服控制系统的应用 ,从而影响伺服控制系统的大量推广。 一些伺服厂家不得不选用国外的伺服系统。 20世纪 90年代至今 ,中国不断组织伺服控制技术的研讨会 ,一此民营高科技公司也为发展我国伺服控制技术注入了新的活力 ,其中以北京中宝伦自动化技术有限公司的 PDC系统直流伺服控制系统为代表产品 ,其采用了最新一代的功率器件IPM. PWM控制 ,调制频率达到 15kHz,伺服控制水平显著提高 ,有效地弥补了之前产品的一些缺陷与不足。 21世纪 ,国产伺服控制系统与国外相比仍存在一定的差距 ,尤其在驱动装置、定位速度、定位精度等方面 ,这些要求的满足主要与伺服系统的静态、动态特性存在直接 关系。 伺服产品未来将向着更高定位精度、驱动装置更高效的方向发展 ,以适应现代控制策略的发展方向。 步进电机伺服控制目前存在的主要问题 目前 ,我国的伺服控制系统已经实现产品化的发展规模 ,但也存在如下问题 : 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 6 ,多采用 PLC、 DSP等进行控制 ,系统 发成本高及控制复杂 ,制约着中小型企业的应用需求。 而选用单片机作为控制器 ,极大的降低了系统成本 ,且可靠性高 ,控制灵活。 ,以往的步进电机伺服控制产品 ,仅针对某一具体型号步进电机进行驱动 ,驱动方法相对死板 ,单一 ,而选 用 L297与 L298N芯片配合驱动步进电动机 ,可实现两相或四相步进电机的驱动工作。 此种驱动方法相对灵活许多 ,且驱动器成本低廉。 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 7 第二章 总体方案设计及步进电机的选择 步进电动机伺服控制器的技术路线包括以下六部分 ,技术路线图如图 示 : ,确定所选取的硬件器件 ,并设计符合要求的硬件电路。 Proteus软件环境下 ,绘制步进电机伺服控制器的硬件电路原理图。 Keil软件平台 ,实现 C语言程序的调试与编译工作。 Proteus及 Keil软件进行联合仿真 ,并调试及验证程序的正确性。 Protel软件生成系统 PCB图 ,制作硬件电路板实物 ,加载软件程序。 ,完成硬件实物的制作。 图 研究路线图 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 8 2. 1 两相混合式步进电动机的工作过程 步进电动机的主要技术指标 步进电动机的主要技术指标包括步距角、精度、转矩、响应频率、运行频率等。 步距角即为步进电动机通入电信号后 ,电动机转子所转过的角度值。 国产步进 电动机步距角为 、 、 、 度等。 用最大步距误差或最大累积误 差来说明精度的准确程度最大步距误差即当电 动机转动一圈完成后 ,每相邻两步之间产生的最大步距角度与理想步距的差值。 最 大累积误差即是电动机从某一不确定的位置运转 ,经过无数步工作之间 ,角位移量 误差的最大数值。 作为步进电动机的主要技术指标 ,转矩分为定位转矩、静转矩等。 定位转矩即 是在绕组未通入电信号时 ,电磁转矩的最大数值。 一般状态下 ,反应式步进电动机 定位转矩为 0,混合式步进电动机具有一定的定位转矩值。 在步进电动机正常的运行状态下 ,全速运行而未产生失步现象 ,则此过程的最 大频率值为 响应频率。 响应频率也可以用启动频率来进行表示。 在步进电动机的工作状态下 ,首先是从启动频率 始运转 ,随着电动机转动的频率越来越高 ,电动机在某一频率上有可能会产生失步现象 ,而电动机未产生失步前的那个极限频率值即为运行频率。 两相混合式步进电机的结构 两相混合式步进电动机剖面图如图 所示。 步进电动机由定子及转子组成。 两相混合式步进电动机有 A 和 B 两相控制绕组 ,在电动机上 ,转子分为两段 ,即 N极转子和 S 极转子 ,在磁场的作用下 ,通过轴向上的永久磁铁 ,转子与定子进行相互作用 ,实现电动机的 JH 常 运转。 该电动机具有动态性能好 ,输出力矩值较大 ,稳定性高的优点 ,其缺点是结构相对复杂。 两相混合式步进电动机的步距角为 度。 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 9 图 两相混合式步进电机的剖面图 两相混合式步进电机的工作原理 两相混合式步进电动机的工作原理 :当给步进电动机通入电信号时 ,控制绕组就会产生相应的磁动势 ,通过与永久磁铁产生的磁动势相互影响下 ,促使电磁转矩的产生 ,从而步进电动机的转子会进行相应的步进动作。 两相混合式步进电动机有 A和 B两相控制绕组 ,用 A与 B表示两相绕组通入正向电流 ,用 A39。 和 B39。 表示两相绕组通入反向电 流。 而两相混合式步进电动机常见的工作方式包括两相单四拍 (A — B — A39。 一 B39。 一 A),两相双四拍 (AB — BA39。 一 A39。 B39。 一 B39。 A 一 AB)和两相八拍工作方式等。 当定子各相控制绕组按照 A — B — A39。 一 B39。 一 A 顺序通电 ,每改变一次通电状态 ,转子沿方向转过四分之一齿距 ,即 360/(50X4)= 度。 当定子绕组按四拍和八拍通电时 ,转子分别转过 度和 度。 两相混合式步进电机的样机简介 本研究选用 42BYGH101 型号的两相永磁感应子式步进电动机作为系统 的主要执行元件。 永磁感应子式步进电动机又称为混合式步进电动机。 此种步进电动机由定子及转子组成。 定子由娃钢片堆叠制成 ,转子铁心由娃钢片制成 ,转子永磁体由铅镍钻制成 ,转子轴由不诱钢材料制成。 两相永磁感应子式步进电动机的参数信息如表 所示。 其外观图如图 所示。 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 10 图 42BYGH101 型步进电机外观图 表 42BYGm01 型步进电机参数 步距角 相数 电压 /V 电流 /A 功率 /V 静转矩 / 定位转矩 控制 原理及控制系统分类 控制原理及应用 伺服控制系 ?统是以位置、速度等为控制参数的系统 ,是一种能够跟踪输入给定信号并产生动作 ,从而获得准确的位置、速度等输出的自动控制系统。 伺服控制系统的发展历程按时间先后大致可分为液压伺服系统、电气伺服系统、气动伺服系统三个阶段。 液压伺服系统是以液压伺服阀作为核心元件 ,实现以小功率的电信号输入 ,控制大功率的液压能输出的过程。 随着伺服控制技术的不断发展 ,在二十世纪六十年代的时候 ,液压伺服系统己无法满足现有的伺服控制系统的发展要求 ,电气伺服系统的出现 ,弥补了液压伺服系统的 不足之处。 电气伺服系统是以伺服电机、反馈装置和控制器组成的控制系统。 电气伺服系统具有精度高、易于控 .制等优点。 直到八十年代的时候 ,伺服控制系统掀 了薪新的一页 ,技术方面有了较大的突破 ,气动伺服系统已经替代了以往的伺服控制系统 ,成为时代发展的主流控制系统。 气动伺服系统是采用压缩空气作为动力的伺服系统。 随着大量用户需求的逐渐增多 ,伺服控制系统也在不断更新控制方法 ,这产生了许多各式的配置方式。 目前 ,伺服系统正朝着数字化、智能化、模块化、网络化的方向发展随着伺服控制技术的突飞猛进 ,伺服控制系统已经涵盖许多控制领域。 伺服控制系统主要应用于半导体、数控机床、电子及通信设备制造业、数字化装备制造业等方面。 它具有许多学科相互交叉的性质 ,已形成了综合性的技术体系 ,是未来极具潜力的控制理论常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 11 之一。 控制系统的分类 伺服系统的类型较多 ,按其系统的控制方式可作如下分类 :开环式伺服系统、闭环式伺服系统、半闭环式伺服系统。 环伺服系统以步进电动机或电液脉冲马达为驱动执行元件 ,其被控对象的输出对控制器的输入没有影响。 环伺服系统如图 所示。 系统每发出一个脉冲信号 ,经驱动电路放大后 ,送给执行元件 ,使其转动一个固定 的角度 ,实现对负载的控制。 开环系统控制简单 ,维护方便 ,但系统控制精度相对较低。 图 开环伺服系统原理图 闭环伺服系统以伺服电机为驱动执行元件 ,此种伺服系统的输入与输出量之间是顺向与反向作用两者兼有的伺服系统。 闭环伺服系统如图 所示。 这种伺服系统的定位 ft 度由测量元件的精度所决定。 位移测量元件实时检测机床移动部件的位移情况 ,通过反馈相关信息 ,实现闭环伺服系统的控制。 闭环伺服系统具有定位准确 ,控制精度高 ,但系统结构复杂 ,成本较高。 图 闭环伺服系统原理图 服系统 半闭环伺服系统通过安装在齿轮轴上的角位移测量器件测量齿轮轴的转动来间接测量工作台的位移。 测量器件测量出的位移量经反馈电路返回 ,与输入指令进行比较 ,之后校正齿轮轴的实际转动位移情况。 半闭环伺服系统的性能介于开环伺服与闭环伺服系统之间。 此种伺服系统的稳定性较好 ,成本低廉 ,但精度相对不高。 第三章 步进电动机伺服控制器的设计 3. 1 步进电动机伺服控制器的硬件组成 步进电动机伺服控制器由主控制模块、驱动控制模块、键盘显示模块、硬件抗干扰模块、步进电动机、电源等组成。 系统组成框图如图。 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 12 图 系统组成框图 主控制模块 主控制模块采用 Atmel公司生产的八了 AT89S51型号的单片机。 AT89S51作为步进电机伺服控制器的核心控制器 ,主要进行脉冲信号及方向电平的发送工作。 主控制模块的作用是控制驱动电路内部的脉冲分配器 (也称环形分配器 )将单路脉冲转换成多相循环变化的脉冲 ,即有一路输入 ,多路输出。 脉冲分配器输出驱动电压经功率放大器进行放大 ,向步进电机的两相绕组提供所需的驱动相序。 当键盘按下时 ,低电平有效 ,通过与。