基于单片机步进电机调速控制系统设计论文003 - 图文

常州信息职业技术学院机电工程学院 毕业设计

Abstract

Stepper motor with strong ability of rapid start-up accuracy, high speed characteristic such as easy to control, in industrial process control and instrumentation, and other fields has been more and more widely used. But in actual operation process, because the reason such as improper control of start and stop, step electric opportunity starts shaking and stops the phenomenon of overshoot, influence the control accuracy, especially in the stepper motor work frequent start and stop, this kind of phenomenon is more obvious. Therefore motor speed control is a very important in the motion control system control link, its performance and performance of motion control system plays an important role. In this paper, the design with the single chip processor as the core of stepping motor controller, and gives the detailed design process, including hardware design and software design. In order to verify the correctness and effectiveness of the designed controller, this paper gives the experimental results, and experimental results are in conformity with the expected effect.

Keywords: Single chip microcomputer; Stepping motor; Speed control

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第一章 前言

步进电动机作为一种机电一体化执行元件,在诸多领域中得到广泛应用,如机器人、数控机床、激光加工、大规模集成电路制造、办公自动化设备等等。步进电动机的调速过程是通过调整驱动脉冲频率来实现的,而步进电动机的位移量的多少由输入脉冲数来决定,两者呈正比例关系。步进电动机的运行特性,不仅与步进电动机本身的特性和负载有关,而且与配套使用的驱动电源(即驱动电路)有着十分密切的关系。选择性能优良的驱动电源对于充分发挥步进电动机的性能是十分重要的。

步进电机伺服系统,是指用来精确地跟随或复现某个过程的控制系统。而电机本体、驱动器和控制器是构成步进电机伺服系统不可分割的三大组成部分。当步进电机的本体确定后,系统的性能主要取决于驱动器及控制器的优劣。随着电子技术、自动控制技术的不断发展,以单片机为控制器的步进电机伺服控制系统因其性价比高、使用灵活、稳定性好等优点得到广泛应用。

1.1步进电动机的简介

步进电动机作为一种控制用的特种类型的电机,可以将电脉冲信号转换为相应的线位移量或角位移量来实现相应的运转。步进电机按照励磁方式来分,主要有永磁式步进电动机(PM)、反应式步进电动机(VR)、混合式步进电动机(HB)三类。 1.永磁式步进电动机

图 1.1 永磁式步进电动机结构图

如图1.1所示,永磁式步进电动机由N极、S极相间的永磁体构成。其工作过程为定子绕组电流产生的磁场与转子永磁体产生的磁场进行相互作用,产生相应电磁转矩,实现电动机的有效转动。永磁式步进电动机的步距角范围相对较宽泛,在7. 5度~18度之间。 2.反应式步进电动机

此电动机又叫做磁阻式步进电动机,这种步进电动机的工作过程:定子的多相励磁绕组与转子通过磁导的变化情况来产生转矩,实现反应式步进电动机的工作过程。反应式步进电动机一般具有很大的噪声。其步距角一般为1.5度。 3.混合式步进电动机

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混合式步进电动机结构图如图1.2所示,混合式步进电动机既具有反应式步进电动机的优点,又具有永磁式步进电动机的优点,因而功能十分强大,应用相当广泛。混合式步进电动机又叫做感应子式步进电动机,主要由定子、转子、机壳、端盖构成。其中,两相式及五相式步进电动机应用较多,而两相混合式步进电动机具有零电流定位转矩的特性,更是倍受大家的青睐。两相混合式步进电动机步距角为1.8度,五相混合式步进电动机步距角为0.72度。

图 1.2 混合式步进电动机的结构图

1.2步进电机伺服控制的研究现状

1.2.1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

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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。

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。 1.2.2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。

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