基于arm的步进电动机控制系统的设计

基于arm的步进电动机控制系统的设计内容摘要：

用。 步进电动机今后的发展，依赖于新材料的应用，设计手段的完善，以及与驱动技术的最佳配合。 首先，精确的分析和设计，模型的建立和完善，是一项重要的基础研究，至今还有很多工作要做，它可以为各类问题的深入分析提供基础，为优化设计指出方向。 其次，电力电子技术、微电子技术的发展，高性能永磁材料的应用及优化设计技术起到明显的作用自不待说，驱动技 术改进的作用也不容忽视，特别是微步驱动技术的应用和成熟，使步进电动机的分辨率和特性与相数的关系不大，对步进电动机的设计，今后的发展会产生很大的影响，也提出了一系列新的课题和研究方向 [2]。 课题研究的意义 随着步进电动机系统在各种数字控制系统中的广泛应用，各种数字控制系统随步进电机性能和使用条件的要求也越来越高。 这就要求不断研制出高性能高可靠性高集成化低价位的驱动器满足要求。 众所周知，国内这方面的研究一直很活跃，但是可供选用的高性能的步进电动机驱动器却很少，而且国内的驱动器方面基本都存在着体积 大、外形 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页 尺寸不规则、性能指标不稳定及远没有达到系列 化 等问题，这就给驱动器的选用和安装带来了极大的不便，国外 虽然 有通用的各种类型的步进电动机驱动器，但大都存在价格昂贵，与我国的系统连接不匹配等问题。 步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，步进电动机系统的性能，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。 步进电动机在运行时，一般有以下问题： 各相绕组都是开关工作，多数电动机绕组都是连续的交流或直流，而步进电动机各项绕组都是脉冲式供电所以绕组电流不是连续的。 电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以都有较大的电感。 绕组通电时，电流不能迅速上升至额定值，电流上升率 受 到限制，绕组断电时，应该电流截止的相不能立即截止。 绕组导通和截止都会产生较大的反电势，而截止时反电势将对驱动器器件的安全产生有害的影响。 电动机运转时在各相绕组中产生旋转电势，这些电势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。 由于旋转电势基本上与电动机转速成正比，转速越高， 电势 越大，绕组电流越小，从而使电机输出转矩也随着转速升高而下降。 步进电机的固有分辨率不高，不能精密位移。 以使用最广的 8 极 50 齿两 相 混 合式步进电动机为例，其步距角为 176。 /176。 ，需配合机械减速机构以达到所需要的脉冲当量精度，但是，机械系统的增加也同样带来了一个误差源。 步进电动机在低频运行时的振荡及过冲问题，严重限制了步进电动机的应用范围。 对这个问题的解决办法，除了改善负载特性及附加机械阻尼外，还可以在驱动电源方面加以改善，如引入电磁阻尼、采用细分驱动等办法来解决。 近代驱动技术的发展，使得电动机每转步数的设计可以不受相数的限制，本课题以四相混合式步进电动机为代表作为研究对象，以先进的驱动技术为研究目的，开发高性能，高可靠性的驱动器 ，与四相混合式步进电动机合理搭配使用。 其技术指标如下： 额定电压： 10～ 45V 额定电流： 工作方式：连续 转矩输出：在一定频率范围内恒定 细分档位： 0， 2， 4， 8， 16 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 4 页 鉴于上述原因，本课题对步进电动机的驱动电 路 及其驱动控制方式进行应用性研究，做出适合步进电动机运行特性的驱动控制方式及电路，对提高四相混合式步进电动机系统的性能，推动步进电动机的广泛应用，发展新一代高性能混合式步进电动机驱动系统，不仅具有较高的现实意义，而且具有一定的经济价值。 步进电动机驱动技术 研究现状 随着科学技术的发 展，步进电机的驱动电路也不断改进，发展了好几种驱动方式。 一般而言，步进电机的驱动方式有以下几种： (1)单电压串电阻驱动 单电压串电阻驱动器是最早的驱动器，是实现驱动器的基本功能的最简单的电路实现形式。 单电压串电阻驱动主电路采用单管单端结构，串电阻是为了使绕组导通电流上升的前端变陡，改善高频的特性。 这种驱动器的主要优点是电路简单，成本低；缺点是运行效率低，电阻能量消耗大，电阻发热还会影响整个系统的工作条件。 (2)双电压驱动 双电压驱动的基本思想是在较低的频率段用较低的电压驱动，而在高频段时用较高的电压驱 动，其主电路采用的是双管双端驱动结构。 绕组中串联电阻 必 不可少，驱动器存在较严重的发热问题。 转换频率将整个频域分成两段，特性不连续，在低于 或 接近转换频率时输出特性下降较大。 (3)高低压驱动 基本思想是在导通相的前沿用高电压驱动提高绕组导通电流的前沿，而在沿过后用低压驱动维持绕组电流。 主电路采用双管双端结构。 绕组中不需限流电阻，不存在电阻的发热问题。 优点是电机相绕组在很宽的频域都保持很大的平均电流，截止时泻放迅速，扩大了步进电机的运行频域；缺点是低频运行时，绕组的上冲电流比较大，电机的低频域运行不平稳，噪声较大。 (4)斩波恒流驱动 主回路由高压晶体管、电机绕组和低压晶体管串联组成，逆变桥可以是多相 H 半桥结构，也可以是 H 桥。 这类驱动器的优点是单步响应冲量小，能够抑制低频振荡，运行频域宽；缺点是惯 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页 性滤波环节影响了系统的动态特性。 (5)细分驱动 细分驱动也称为微步驱动。 即：将一个步距角细分成若干个步的驱动方法。 细分驱动是美国学者在七十年代中期首次提出，它是建立在步进电机的各相绕组理想对称和距角特性严格 正弦 的基础上的，通过控制电动机各相绕组中电流的大小和比例，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。 细分驱 动的基本思想是在每次输入脉冲时，不是将相绕组电流全部通入或者切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一部分，这样，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行角度也只有步距角的一部分。 利用电流控制技术可以有效的实现步进电机的细分驱动。 细分驱动器有效抑制了步进电机低频运行震荡，控制精度很高，是步进电机驱动器的发展方向 [3]。 步进电动机细分驱动技术研究现状 步进电动机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是提高电机运转性能，实现步进电机步距角的高精度细分。 步进电机细分技术首先由美国学 者 在美国增量运动控制系统及器件年会上提出。 20 世纪 70 年代中期步进电动机细分驱动技术开始发展起来，它在改善步进电机综合使用性能上有广泛的应用，国内步进电机细分驱动技术在 20 世纪 90 年代中期得到较大的发展，广泛地应用于运动控制领域，如数控机床、机器人等。 目前国内外步进电机细分技术的最高微步距细分水平为 ,而随着科学和工业技术的发展，这一细分水平对于目前很多要求 5 以下的微步距来说，仍不能满足要求。 主要的原因是由于电机“电流 转角”特性的非线性，使得细分控制函数的数学模型很难统一确定，所以获得均匀步距细分电流的数据比较难，这样限制了步进驱动的高精度发展。 目前获得细分电流数据常用方法有： (1)线性函数法 各步电流值以成线性函数关系来确定，优点是简单，但步距角不均匀，容易引起振动和失步，并产生滞后角，限制了细分数的增加。 (2)正弦函数法 以恒幅均匀旋转为目的，同时改变两 相 电流的大小按正余弦规律变化而建立的数学模型。 它是一种基于交流同步电机概念的特殊细分技术，实质是 对运行于交流同步状态 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页 的步进电机所受的交流模拟信号在一个周期内细分，当细分数相当大时，电机绕组的电流信号就逼近模拟连续信号。 这种细分技术理论上实现了恒幅均匀旋转，但事实上由于电机运行的非线性而并非真正实现恒幅均匀的目的。 (3)实验逼近法 用实验的方法，在某一相通入一定电流而使电机转过一细分角，获得数据，通过多次测试，修正数据，得到细分的阶梯波。 这种方法原理上可行，但测量手段复杂，精度难以保证。 (4)模型函数法 结合上面几种方法，先通过试验获得特定系统的细分波形数据，再通过数学处理找到此系统的细分控制模型函 数，最后通过此函数确定细分流。 (5)控制函数自动修正法 通过对固化在 EPROM中的控制函数值反复测定比较而进行指令修正以获得最佳细分电流。 细分控制函数自动修正法控制精度最高，但需用角编码器等等组成一定功能的线路，而角编码器造价很高，对于一般控制系统会使自动修正系统失去应有的意义 [4]。 在 步进电动机驱动器控制 芯片的选择上，目前国内工业控制场合中用的嵌入式工控设备大多采用的是以 8 位单片机 (如 MCS51)为内核，有价格低廉、设计较容易、能达到一般要求的 优点 ，但也存在着存储容量小，独立工作 时 功能较弱，较强 功能要与 PC 机联机才能实现，实时性能不强，人机交互复杂，操作不方便等问题。 如选用功能强大的32 位嵌入式微处理器来代替 8 位单片机，再把控制器与电源、步进电动机和被控设备集成与一体，将形成嵌入式一体化工业控制机。 ARM 对步进电动机控制有高的实时性、可靠性；能满足人机界面友好，开发环境友善，可操作性高，成本低等特别要求。 在步进电机控制系统中，在工件需做往返运动或需要精确定位等场合，将会使这种嵌入式系统得到广泛应用。 如可用作为气动加工、激光加工、自动焊接设备的控制系统等。 论文主要研究内容 针对以上问题及 步进电动机细分技术的现状， 本课题 提出了一种 以 4 相混合式步进电机为控制对象，采用集成电路驱动技术，基于 CORTEXM3 内核的 LM3S1138 处理 器 为控制 器 设计出高性能的最大细分数为 1/16 的步进电机驱动 系统。 目的是实现一个高转、低振动水平、低噪音、快速响应和高效驱动的步进电动机控制系统。 主要研究内容有 : 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页 (1) 步进电机工作原理和多种控制方法； (2) 4 相步进电机正弦波驱动器 STK672080 的细分应用； (3) 步进电动机细分控制系统的软、硬件设计。 主要完成的工作有 : (1) 系统总体方案设计 阅 读并比较文献资料中已有的控制方案，确定出系统总体方案； (2) 系统硬件电路的设计 在硬件设计方面，完成硬件电路的设计，绘制出该系统的硬件电路原理图。 (3) 系统控制部分软件的设计 按照系统功能的要求，对系统进行合理的分析与规划，确定软件流程、系统软件整体结构设计、系统各部分功能的软件实现。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页 2 混合式步进电机的工作原理及其驱动系统 步进电动机 是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊电机。 每输入一个电脉冲信号，电 机就转动一个角度，它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机。 又由于它输入的是脉冲信号，所以也叫脉冲电动机 [5]。 混合式步进电机的结构组成特点 混合式步进电机是一种十分流行的步进电机。 混合式步进电动机具有完全对称的结构，对提高它的整体性能很重要。 结构上，它的定转子上开有很多齿槽，这与反应式步进电动机相似，磁路内含有永久磁钢，这与永磁式步进电动机相似；性能上，既具有反应式步进电机的高分辨率，每转步数比较多的特点，又具有永磁式步进电机的高效率，绕组电感比较小的特点，故称混合式 [6]。 混合式步进电机也 称为永磁感应子式步进电动机，既可用作同步电动机进行速度控制，也可用作步进电机进行位置开环控制。 混合式步进电机的轴视图和截面图如图 所示 [7]，它主要由定子和转子两部分组成。 定子被分成若干个磁极，每个磁极上绕有励磁线圈，磁极末端有均匀的小齿。 极上线圈能以两个方向通电。 转子由两段铁心及环形永久磁钢组成，两段铁心装在环形永久磁钢的两端，并且每段铁心的圆周上都均匀分布有一定数量的小齿，两段铁心上的小齿相互错开半个齿距，且小齿的齿距与定子上小齿的齿距相同。 环形永久磁钢轴向充磁，使得同一段铁心上的小齿都具有相同极 性，而两块不同段铁心上的齿的极性相反。 图 混合式步进电机的轴视图和截面图 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页 混合式步进电动机的工作原理 不同相数的混合式步进电动机如二相、三相、五相、九相和十五相等，它们的工作原理都基本相同。 混合式步进电动机作用在气隙上的磁动势有两个，一个是由永久磁钢产生的磁动势，另一个是由控制绕组电流产生的磁动势。 这两个磁动势有时是相加的，有时是相减的，视控制绕组中电流方向而定。 如图 所示的是一台四相混合式步进电动机的结构示意图。 定子是四相八极，每个定子磁极上有 5 个小齿，转子上有 50 个小齿。 从电动 机的某一端看，当定子的一个极上的小齿与转子的小齿轴线重合时，相邻极上定转子的齿就错开 1/4 齿距。 在图 中从 I 端看，磁极“ 1”和“ 5”下定转子齿轴线重合，“ 2”极下错开 1/4 齿距，“ 3”极和“ 7” 极下则定子齿与转子槽的轴线相重合。 定子为。