步进电机驱动控制技术与其应用.doc

南京信息职业技术学院南京信息职业技术学院 毕业设计论文毕业设计论文 作者 邓天培 学号 20812P13 系部 机电学院 专业 机电一体化技术 题目 步进电机驱动控制技术及应用 指导教师 段向军 李雪俊 评阅教师 完成时间 2011 年 4 月 30 日 2 毕业设计毕业设计 论文论文 中文摘要中文摘要 题目 步进电机驱动控制技术及应用 摘要 摘要 步进电机是一种将脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的控制电机 它能够在不涉及复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度 并由于具有价格低 廉 易于控制 无积累误差等优点 在民用 工业用的经济型数控定位系统中获得 了广泛的应用 具有较高的实用价值 为了强调本论文的实用性及可行性 本文综 述了步进电机的各种特性 说明了步进电机的构造 工作原理及驱动 回顾了步 进电机在国内外发展及应用的概况 分析了步进电机的调速方法 给出控制系统 的具体实现方案 关键词关键词 步进电机 控制系统 调速方法 3 毕业设计毕业设计 论文论文 外文摘要外文摘要 TitleTitle Stepping motor driver control technology and application Abstract Stepping motor is a pulse signal into mechanical angular displacement control motor or line It can not involving complex feedback loop in realize good positioning accuracy And because of its low prices and easy control no error accumulation etc In civil and industrial use in the economical nc positioning system has been widely used has high practical value To emphasize the practicability and feasibility this essay This chapter reviews the stepper motor various characteristics Explains the step motor structure working principle and drive Reviewed the stepping motor in the domestic and foreign development and application of the situation Analyzed the stepping motor speed control methods of the control system gives a concrete realization scheme keywords Stepping motor Control system control method 4 目录目录 第一章第一章 引言引言 5 5 1 1 步进电机的优点 5 1 2 步进电机的缺点 6 第二章第二章 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 7 7 2 1 磁阻式步进电机 7 2 2 永磁式步进电机 8 2 3 混合式步进电机 9 2 4 关键技术问题 10 第三章第三章 PLCPLC 的步进电机控制系统的步进电机控制系统 1111 3 1 PLC 直接控制步进电机 11 3 2 采用西门子 S7 300PLC 控制三相步进电机的过程 11 3 3 PLC 直接控制步进电机的编程方法 13 第四章第四章 步进电机的调速方法步进电机的调速方法 1515 4 1 步进脉冲的调频方法 15 4 2 升降频方法及其实现 17 4 2 1 升降频方法 17 4 2 2 软件实现 19 结论结论 2323 致谢致谢 2424 参考文献参考文献 2525 第一章第一章 引言引言 在我国 步进电动机的研究始于 1958 年 当时只有清华大学 华中理工大学 等少数高等院校在从事这项工作 60 年代受苏联的影响 主要以三相磁阻式步 进电机为主 70 年代我国研制快走丝数控线切割机 数控机床等数控设备的需 求对步进电机的发展起了很大的促进作用 当时受到苏联 日本等工业较发达 国家的影响 国内开始自行研制磁阻式步进电机的系列产品 1 11 1 步进电机的优点步进电机的优点 基于电机的运动控制技术作为自动化领域的关键部分 在国民经济当中起 着重要的作用 随着现代科学技术的进步 尤其是集成电路 电力电子器件 自动化控制理论等方面的进展 电机在其实际应用中已由过去简单地控制转动 停止 以提供动力为目的应用上升到对速度 加速度 位移与转矩等进行精确 控制阶段 以便使被驱动的机械运动准确符合预想的要求 步进电机正好能够很好地符合这种需求 它是一种将数字脉冲信号转化为 机械角位移或者线位移的数模转换控制电机 通常所说的步进电机一般是指机 电一体化设备包括步进电机及其驱动器 当步进电机驱动器接受到一个脉冲之 后就驱动步进电机转动一个固定的角度即步距角 步进电机不像其它电机那样 连续旋转而是以一定的步距角一步一步做增量运动因此而得名 所以通过控制 脉冲个数来控制步进电机转动的角位移 达到精确定位的目的 同时也可以通 过控制脉冲的频率来控制步进电机转动速度与加速度 达到调速的目的 除此 之外步进电机还具有以下一些优点 1 6 1 无刷 步进电机是无刷结构电机 与带有换向器与电刷等易损部件的 传统有刷电机相比而言可靠性更高 2 与负载无关 不超载时步进电机能够按照设定的速度运行 3 动态响应快 易于启动 停止与反转 4 保持转矩 停止时能够自锁 6 5 无累积误差 虽然步进电机每转动一步的角位移与标称的步距角具有 一定的误差 3 5 但是转动一周后累积的误差与为零 6 步距角与环境无关 步进电机的固有步距角是由本身构造决定的 与 温度 电压 电流等使用环境无关 7 易于控制 只需控制脉冲的频率与个数 即可达到定位 调速目的 8 价格低廉 步进电机相对于同样用于定位领域交 直流伺服电机而言 具有较高的性价比 1 21 2 步进电机的缺点步进电机的缺点 正是由于这些优点 使得由步进电机及其驱动控制器构成的开环数控定位 系统 既具有较高的控制精度 良好的控制性能 又能稳定可靠地工作 与同 样应用于定位领域的交 直流伺服电机构成闭环伺服系统相比较而言 主要优 势在于性价比高与驱动控制简单 但是性能上却具有以下明显的不足之处 1 6 1 低速转动时振动与噪声都比较大 2 输出力矩随着转动速度的升高而降低 3 启动频率不能太高 否则会堵转并伴随有呼啸声 4 速度突变较大时存在丢步与过冲现象 5 最高运动速度较低 且高速运转时输出力矩小 6 开环控制 不能保证实际转动的角度与设想的完全一致 虽然步进电机有这些缺点 但是并不影响其在经济型的数控装置上的使用 现在比较常用的步进电机主要有反应式步进电机 永磁式步进电机与混合式步 进电机 永磁式步进电机一般为两相 转矩与体积较小 步进角一般为 7 5 度 或 15 度 振动与噪音小 反应式步进电机一般为三相 可实现大转矩输出 步 进角一般为 1 5 度 但噪声与振动都很大 混合式步进电机混合了永磁式与反 应式的优点 步距角小 转矩大且振动 噪音小 它主要又分为两相与五相 两相步距角一般为 1 8 度而五相步进角一般为 0 72 度 7 第二章第二章 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 目前步进电机的种类繁多 性能特点也各有差异 但按照基本构造与工作 原理可分为三种类型 磁阻式 亦称反应式 即VR型 Variable Reluctance 永磁式 亦称爪极式 即PM Permanent Magnet 混合式 即HB Hybrid 以 下将就这三种类型步进电机的构造以及基本驱动原理做简要的描述 2 12 1 磁阻式步进电机磁阻式步进电机 磁阻式步进电机通常也可称为反应式步进电机 其定转子均采用齿状结构 定子每个极上都绕有线圈 转子则是由软铁材料制成的 其基本原理是绕组通 电励磁之后会产生一个转矩迫使转子转动到磁通路径磁阻最小的位置 为了更 好的说明磁阻式步进电机的工作原理 图2展示了简化的三相反应式步进电机 其定子上有八个极 转子只有四个小齿 步距角为30 当绕组1通电时 为了 保持其磁通路径磁阻最小 将产生一个转矩迫使X与之对齐 接着若绕组1断电 绕组2通电 则转子将顺时针转动使得Y与绕组2对齐保持磁通路径磁阻最小 实 际上的步进电机可通过增加定子极数或者转子的齿数来减少步距角 例如图1所 示的是四相反应式步进电机的横截面示意图 其定子上有八个极 每个极上分 布有5个小齿 转子有50个小齿 步距角为1 8 图1 四相反应式步进电机横截面示意图 图2 三相反应式步进电机示意图 5 8 2 22 2 永磁式步进电机永磁式步进电机 图3 永磁式步进电机结构示意图 7 如图3所示 永磁式步进电机转子为N极 S极相间的永磁体 由于定子极冲 制成爪型因而又名爪极式步进电机 其基本工作原理是转子上的永磁体建立的 磁场与定子绕组电流激励的磁场相互作用 形成的同性相斥 异性相吸的电磁 转矩 当绕组励磁产生的合磁场发生旋转时 转子也会跟着同步转动起来 如 图4所示 图4 两相永磁式步进电机实物解剖图 永磁式步进电机的定子是由绕满漆包线的注塑骨架套在爪极板上构成的 当绕组通电励磁后定子上爪极就会被磁化为N极或者S极 从而与转子的N极与S 极相互作用形成电磁转矩 永磁式步进电机相对于反应式步进电机来说 具有 9 控制功率小 振动与噪音小的优点 但是由于其定子极数与转子极数相同 且 转子永磁体要制成NS密集相间的多对磁极比较困难 因而其步距角一般比较大 2 32 3 混合式步进电机混合式步进电机 混合式步进电机定子 转子铁芯均为齿状结构同反应式步进电动机结构非 常相似 但是其转子带有永久磁钢具备永磁体的特性 所以混合式步进电动机 可看作VR与PM两种步进电动机的组合 图6所示的混合式步进电机的详细的结构 示意题图 图5则是两相混合式步进电机的实物解剖图 从这两个图中可以看出 混合式步进电机的定子是多个带有小齿且绕有线圈的极子构成的 这个可以说 与反 应式步进电机是相同的 而转子则是由左右两边带有小齿的铁芯以及中间 的永久磁钢构成 左右两个铁芯一边呈现S极另一呈现N极且相互错开1 2个小齿 齿距以 图5 两相混合式步进电机实物解剖图 9 图6 混合式步进电机结构示意图 8 便形成跟永磁式步进电机类似的 N S 相间磁极 混合式步进电机的基本工作原 理与永磁式步进电机一样 是靠绕组通电之后激励的磁场与转子固有的磁场进 行同性相斥 异性相吸的相互作用 形成电磁转矩促使转子转动 当定子绕组 10 激励的合磁场发生旋转时定子也同步旋转 目前步进电机主要以定子 8 极 转 子 50 齿的两相混合式步进电机与定子 10 极转子 50 齿的五相混合步进电机为主 图 7 与图 8 为各自的横截面示意图 图 7 五相混合式步进电机横截面示意图 8 图 8 两相混合式步进电机横截面示意图 10 2 42 4 关键技术问题关键技术问题 步进电机由于的驱动控制简单 无累积误差等优点 被广泛应用于经济型 的高分辨率数控定位系统当中 但是它存在着两个明显的固有缺点 一个是低 速转动时振动与噪音相对较大 另一个是当频率突变过大时容易堵转 丢步或 者过冲 这两个缺点对定位系统的精度会产生较大的影响 步进电机作为一种 机电一体化设备 电机本身固有的问题可通过驱动器或者控制器来弥补 采用 细分驱动技术可以大大减少低速转动时的振动与噪音 还可以起到减小步距角 提高分辨率 增大输出力矩的效果 采用升降频控制技术 则可以克服步进电机 高速起停时存在的堵转 丢步或者过冲等问题 使步进电机转动得更加平稳 定位更加精确 11 第三章第三章 基于基于 PLCPLC 的步进电机控制系统的步进电机控制系统 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 家电产品中 例如打印机 磁盘驱动器 玩具 雨刷 震动寻呼机 机械手臂 与录像机等 另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中 由于通过控 制脉冲个数可以很方便的控制步进电机转过的角位移 且步进电机的误差不积 累 可以达到准确定位的目的 还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的 转速与加速度 达到任意调速的目的 因此步进电机可以广泛的应用于各种开 环控制系统中 3 13 1 PLCPLC 直接控制步进电机直接控制步进电机 使用 PLC 直接控制步进电机时 可使用 PLC 产生控制步进电机所需要的各 种时序的脉冲 例如三相步进电机可采用三种工作方式 三相单三拍 三相双三拍 三相单六拍 可根据步进电机的工作方式 以及所要求的频率 步进电机的速度 画出 A B C 各相的时序图 并使用 PLC 产生各种时序的脉冲例如 采用西门子 S7 300PLC 控制三相步进电机的过程 要求通过 PLC 可实现三相步进电机的起停 控制 正反转控制 以及三种工作方式的切换 每相通电时间为 1 秒钟 12 3 23 2 采用西门子采用西门子 S7 300PLCS7 300PLC 控制三相步进电机的过程控制三相步进电机的过程 变量约定如下 输入 启动按钮 SB1 I0 0 方向选择开关 SA1 I0 1 停止按钮 SB2 I0 2 三相单三拍方式选择 SA2 I0 3 三相双三拍方式选择 SA3 I0 4 三相单六拍方式选择 SA4 I0 5 输出 A 相加电压 Q0 0 B 相加电压 Q0 1 C 相加电压 Q0 2 启动指示灯 Q0 3 三相单三拍运行方式 Q0 4 三相双三拍运行方式 Q0 5 三相单六拍运行方式 Q0 6 输出脉冲显示灯 Q0 7 三相单三拍正向的时序图如下图所示 三相双三拍正向的时序图如下图所示 三相单六拍正向时序图如下图所示 13 3 33 3 PLCPLC 直接控制步进电机的编程方法直接控制步进电机的编程方法 1 使用定时器指令实现各种时序脉冲的要求 使用定器产生不同工作方式 下的工作脉冲 然后按照控制开关状态输出到各相对应的输出点控制步进电机 例如 使用图所示的程序可以产生所需要的脉冲 M0 0 作为总控制状态位 控制脉冲发生指令是否启动 一旦启动 采用 T0 T1 T2 以及它们的组合可以得到三相单三拍与三相双三拍的两种工作方式 下 各相的脉冲信号 如 T0 的状态为三相单三拍工作状态下 A 相的脉冲 同理 可使用类似程序得到三相单六拍时各相所需的脉冲信号 14 2 使用移位指令实现各相所需的脉冲信号 例如在 MW10 中进行移位 每 次移位的时间为 1 秒钟 如图为三相单六拍正向时序流程图 三相单三拍可利 用相同的流程图 从 M11 1 开始移位 每次移两位 而三相双三拍从 M11 2 开 始 每次移两位 在程序段 1 中 先产生周期为 1 秒钟的脉冲信号 如图所示 15 第四章第四章 步进电机的调速方法步进电机的调速方法 本章节提出了步进电机的几种速度调节方法 脉冲频率的调节采用软件延 时或硬件定时 升降频采用直线升降法 指数曲线升降法或抛物线升降法 给 出了脉冲频率调节的实用程序 通过对步进电机矩频特性曲线的分析 得出了 步进电机的升频表格 并提供了一个完整的软件升降频流程图 几种调速方法 应用在多种数控机床上 提高了步进电机的定位精度 改善了电机转动的平稳 性 加速了电机的升降过程 4 14 1 步进脉冲的调频方法步进脉冲的调频方法 1 软件延时 通过调用标准的延时子程序来实现 假定控制器基 AT89S52 单片机 晶振频率为 12 MHz 那么可以编制一个标准的延时 子程序如下 该子程序的入口为 0E 0D 两个字节 若需要 20000 us 的延时 则给 0E 0D 两个字节赋值 4E20H 即执行下面程序 16 MOV 0EH 4EH 20 000 的十六进制码为 4E20 MOV 0DH 20H CALL DELAY 调用标准延时子程序 DELAY 若要控制步进电机走 100 步 每两步之间延时 20 000 s 则汇编程序为 MOV 0FH 100D 准备走 100 步 CONTI CALL I STEP 电机走一步 调用电机的脉冲分配子程序 MOV 0EH 4EH 20 000 的十六进制码为 4E20 MOV 0DH 20H CALL DELAY 相邻步之间的延时 决定电机的转速 DJNZ 0FH CONTI 循环次数减 1 后 若不为 0 则继续 循环 100 次 可以看出 采用软件延时方法实现速度调节的优点是程序简单 思路清晰 不占用硬件资源 缺点是浪费 CPU 的宝贵时间 在控制电机转动的过程中 CPU 不能做其它事 硬件定时 假定控制器仍为 AT89S52 单片机 晶振频率为 12 MHz 将 AT89S52 的 TD 作为定时器使用 设定 T0 工作在模式 1 16 位定时 计数器 今要求它能定时地发出步进脉冲 其定时中断产生的脉冲序列的周期 即步进电 机的脉冲间隔 假定为 20 000 s 则可算出 TD 所对应的定时常数为 B1E0H CPU 相应的程序如下 主程序 MOV TMOD 01H 设 T0 取工作模式 1 MOV TH0 0B1H 装入定时常数高 8 位 MOV TLO 0E0H 装入定时常数低 8 位 SETB TR0 启动 T0 定时 SETB ET0 允许 T0 中断 SETB EA 允许 CPU 中断 CPU 等待 T0 的定时到 中断服务程序 CLR ET0 关 T0 中断 CALL I STEP 控制电机走一步 调用电机的脉冲分配子程序 17 RETI T0 中断返回 本例中 只要改变 T0 的定时常数 就可实现步进电机的调速 这种方法 既需要硬件 T0 定时器 又需要软件来确定脉冲序列的频率 所以是 一种软硬件相结合的方法 它的缺点是占用了一个定时器 在比较复杂的 控制系统中常采用定时中断的方法 这样可以提高 CPU 的利用率 4 24 2 升降频方法及其实现升降频方法及其实现 4 2 1 升降频方法 当步进电机的运行频率低于它本身的起动频率时 步进电机可以用运行频 率直接起动 并以该频率连续运行 需要停止的时候 可以从运行频率直接降 到零速 此时 电机运行于恒速状态 无需升降频控制 当步进电机的运行频 率 fb fa fa 为步进电机有载起动时的起动频率 时 若直接用 fb 起动 由于 频率太高 步进电机会丢步 甚至产生堵转 同样 在 fb 频率下突然停止 步 进电机会超程 因此 当要求步进电机在运行频率 fb 下正常工作时 就需要 采用升降频控制 以使步进电机从启动频率 fa 开始 逐渐加速升到运行频率 fb 然后进入匀速运行 最后的降频可以看作是升频的逆过程 步进电机常用的升降频控制方法有 3 种 1 直线升降频 如图 1 所示 这种方法是以恒定的加速度进行升降 平稳 性好 适用于速度变化较大的快速定位方式 加速时间虽然长 但 软件实现比较简单 18 fb f Hz fa t t s 图 1 直线升降频 指数曲线升降频 如图 2 所示 这种方法是从步进电机的矩频特性出发 根据转矩随频率的变化规律推导出来的 它符合步进电机加减速过程的运动规 律 能充分利用步进电机的有效转矩 快速响应性能较好 升降时间短 指数 升降控制具有较强的跟踪能力 但当速度变化较大时平衡性较差 一般适用于 跟踪响应要求较高的切削加工中 f Hz fb fa t s 图 2 指数曲线升降频 19 1 抛物线升降频 如图 3 所示 抛物线升降频将直线升降频与指数曲 线升降频融为一体 充分利用步进电机低速时的有效转矩 使升降速的时间 大大缩短 同时又具有较强的跟踪能力 这是一种比较好的方法 f hz fb fa t s 图 3 抛物线升降频 4 2 2 软件实现 步进电机在升降频过程中 脉冲序列的产生 即两个脉冲时间间隔的软件 确定 有 2 种方法 1 递增 递减一定值 如线性升降频 两脉冲频率的差值 f fi fi 1 是相等的 其对应的时间增量 f 也是相等 时间的计算若采用软件延时的方 法 可先设置一个基本的延时单元 Te 不同频率的脉冲序列可由 Te 的不同倍 数产生 设起动时所用频率对应的时间常数为 tNe 以后逐次递减 t 设 t tM 直到等于运行频率所对应的时间 tRe 为止 这种方法编程简单 节省内存 时 间计算也可采用定时中断的方法 可将定时常数逐次递增 递减一定值 实现 升降频控制 因其定时不是连续的 所以升降速曲线不是一条直线 而是折线 但可近似看成直线 2 查表法 为了对步进电机实现最佳升降频控制 缩短电机的升降频时间 可从步进电机矩频特性出发进行分析 由步进电机的矩频特性 见图 4 130BC3100A 电机 可知 转矩 M 是频率 f 的函数 即角加速度 d dt M f J J 为电机的转动惯量 它随着 f 的上升而下降 所以它呈软的特性 当 20 频率较低时 转矩 M 较大 对应的角加速度 d dt 也较大 所以升频的脉冲频 率增加率 df dt 应取得大一些 当频率较高时 较小 d dt 也较小 此时 升频的脉冲频率增加率 df dt 应取小一些 否则 会由于无足够的转矩而失步 因此 根据步进电机的矩频特性 可以看出 在步进电机的升频过程中 应遵 循 先快后慢 的原则 按此要求 从开始升频到升至 fb 之间 按最佳升频要 求的频率取出 f1 f2 f3 fn 并将它们所对应的脉冲间隔时间 t1 t2 tn 依次存于内存的一个数据区 如表 1 所示 称阶梯频率表 30 20 10 0 M N m 4 8 12 16 f Hz 图 4 步进电机的矩频特性曲线 表 1 阶梯频率表 序号频率 时间 备注 K1Fa ta 最低频率 K1 1F1 t2 K1 2F2 t2 升 降 频 频 21 K1 nFn tn 最高频率 考虑到步进电机的惯性作用 在升速过程中 如果速率变化太大 电机响 应将跟不上频率的变化 出现失步现象 因此 每改变一次频率 要求电机持 续运行一定步数 称阶梯步长 使步进电机慢慢适应变化的频率 从而进入稳 定的运行状态 根据最佳升降频控制规律 可推出步进电机的 频率 步长 关 系曲线如图 5 所示 f Hz fb fi fa Lj L 步数 图 5 频率 步长曲线 这样 升频时除需将阶梯频率表存于内存的一个数据区内外 还需建立 另一个数据区 用来存放阶梯步长 如表 2 所示 在升频过程中 可用查表的 方法 分别得到 fi ti 与所对应的 Li 实现升降频控制 软件上的具体做 法是 将 fi ti 与 Li 在 EPROM 中交替存放 如表 3 所示 程 序执行时按顺序取数 每次取出一个频率与该频率对应的步长 表 2 阶梯步长表 22 序号步长 脉冲 K2 La K2 1 L1 K2 2 L2 K2 n Ln 表 3 频率 步长表 Kfn ta K 1 La K 2f1 t1 K 3 L1 K 4f2 t2 K 5 L2 结论结论 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的数字电机 在经济型数控机床及 自动化设备中应用广泛 控制步进电机的转动需要 3 个要素 方向