电机驱动系统设计

1、华夏学院课 程 设 计 报 告 书 题 目： 智能仪器设计 系 名： 信息工程系 专业班级： 自动化1082班 姓 名： 童仁 学 号： 指导教师： 刘红丽 2011 年 12 月 24 日课程设计基本要求课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。1. 课程设计教学一般可分为设

2、计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确

3、性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。6. 答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出23个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对

4、问题的理解、分析和判断能力。答辩考核成绩占25%左右。7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩（百分制），最后将百分制评分成绩转换为五级分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）总评成绩。8. 课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。目录1. 步进电机的基本原理.41.1步进电机基本原理.41.2步进电机型号的选择.51.3步进电机驱动器原理 . 52. 编码器实现对步进

5、电机的测速.72.1速度检测基本原理.72.2常用的测速方法M法. 82.3常用的测速方法T法. 82.4常用的测速方法MT法.83 步进电机的测速调试及误差分析.93.1步进电机测速调试.93.2步进电机测速误差分析.103.3程序编写流程.10总结.11参考文献.12附录.131. 步进电机的基本原理、分类和选择1.1步进电机基本原理1.1.1 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(称为“步距角”)，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

6、时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR ）、永磁式步进电机（PM ）、混合式 步进电机（HB ）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度；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，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应

7、式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角 一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 1.1.2 步进电机的一些基本参数： 电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为 1.8°），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 步进电机的相数： 是指电机内部的线圈组数，

8、目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9°/1.8°、三相的为 0.75°/1.5°、五相的为 0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来 满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 1.1.3 步进电机的一些特点： 1.一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2.步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至

9、于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90度完全正常。 3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4.步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，

10、可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。1.2步进电机型号的选择本次实验选用的电机具有一套伺服化控制，动态补偿的步进系统，上电时能纠正电机不是停在整步位置造成的偏位。此套件包含带编码器步进电机，步进闭环器，驱动器。电机是42X48长，高速型，4线，相电流:1.68A，力矩:0.55N/m，带400线或500线编码器，经过闭环器4倍频后能到每圈1600或2000个脉冲。带2米专用屏蔽线和专用信号放大电路板。电压：DC24-32V， 电流:0.5A-3A(可调

11、)，高速性好，低振动。有1,2,8,16四种细分可调1.3步进电机驱动器原理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。 典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成： 1. 步进控制器，由单片机实现。 2 驱动器，把单片机输出的脉冲加以放大，以驱动步进电机。 3 步进电机。典型的步进电机驱动控制电路图如下：图中单片机的I/O 口一位控制一相绕组，根据所选定的步进及控制方式可写出相应的控 制方式的

12、数学模型，如三相单三拍、三相双三拍、三相六拍。 现以三相六拍为例：以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型。因此，步进驱动控制器实际上就是按上述的控制方式所规定的顺序送脉冲序列，即可实现驱动步进电机三相六拍方式的转动。输入顺序脉冲序列的速率就是步进电机的速率。 这种典型的步进电机驱动控制方法及其电路，只能实现步进电机步距角为原来固定步距角的一半。当要求实现步距角细分时，该方法就不能达到要求了，所以在这里就要引入步进电机细分技术方案的探讨。驱动器细分后的主要优点为：1.完全消除了电机的低频振荡；2.提高了电机的输出转矩，尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约30-40%；3.提高了电机的

13、分辨率，由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，提高电机的分辨率是不言而喻的2. 编码器实现对步进电机的测速2.1速度检测基本原理及方法利用测T 法进行速度检测的原理是以一个高频信号作为基准, 在一个采样周期T 内分别对脉冲编码器发出的脉冲信号和基准脉冲信号进行采样计数, 设该周期内编码器脉冲数的理论值为M , 基准脉冲数为N , 则有 式中: n0 为编码器计算转速( röm in) ; Z 为编码器每圈发出的脉冲数; K 为脉冲信号的倍频数; f 1 为基准脉冲频率; f 2 为编码器输出脉冲频率. 由式(1) 可得编码器四线：红正黑负，黄绿为编码器输出脉冲，两脉冲相隔90

14、6;，输出波形：转速测量是控制系统的重要组成部分。迄今为止，测速可以分为两大类：模拟电路测速和数字电路测速。因为模拟测速方法存在非线性，且存在纹波，同时空气间隙和温度变化以及电刷的磨损会引起测速发电机输出斜率改变问题等；另一方面，数字测速技术取得很大进步，数字测速性能得到很大的提高，测速范围宽，工作方式灵活，适应面广，以及数字测速系统配置比较方便等原因，所以，近年来，数字测速方法受到人们的重视。本文在进行测速过程中基于实际系统的需要，在测速的实时性和速度精度之间采用了一种新方法进行折中，并取得了非常好的效果。2.2常用的测速方法M法M法测速(又叫定时测角法)：在一定时间Tc内测取旋转编码器输出

15、脉冲个数 M1 ，用以计算这段时间内平均转速，称作M法测速。电动机每转一圈共产生Z个脉冲，而编码器输出脉冲的频率为f1 = M1 /Tc，电机的转速可以表示为f1 /Z，换算为r/min单位表示的公式如下： M法的测速测量过程会产生±1个编码器脉冲的误差，同时其误差会随着速度的增加而减小，所以，M法适用于高速测速。2.3常用的测速方法T法在编码器两个相邻输出脉冲的时间间隔内，用一个计数器对已知频率f0的高频时钟脉冲进行计数，并由此来计算转速，称为T法测速。在T法测速中，准确的测速时间Tt是用所测得的高频脉冲的个数M2计算出来的，即 Tt = M2 /f0，则电机的转速如式： 低速时，

16、编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数M2多，所以误差率小，测速精度高，故T法适用于低速测速。2.4常用的测速方法MT法 把M法和T法结合起来，既测单位时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1 ，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M2 ，用来计算转速，称作MT法测速。高频脉冲的频率为f0 ，则准确的电机的转速如式 ：MT法能适应的转速范围大于M法和T法，可在较宽的转速范围内进行速度计算，且具有很高的测速精度。3. 步进电机的测速调试及误差分析3.1 步进电机的测速调试在平时学习中有关电路连接的练习与实习较少，在实际操作中会有各种错误和失误出现，导致系统不能正常工作。因此，在系统上电前 和

17、系统不能正常工作的时候，必须对系统进行相应的调试。调试步骤如下： 上电前使用万用表检查： 1. 按照原理图检查线路是否存在短路，短路。 2. 按照原理图检查极性电容等记性元件的正负极是否反接。 3. 按照原理图检查按键开关是否有错误。 如果上电前排除错误，上电后系统仍然不能正常工作，则测试单片机是否能正常工作。步进电机驱动执行机构从A点到B点移动的时，要经历升速，恒速，减速过程，如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率，步进电机就有失步现象，因此会造成不能正常启动，如果到终点时突然停下来，由于惯性作用，步进电机会发生过冲现象，会造成位置精度降低。最简单的是匀加速和匀减速曲

18、线，如图所示：3.2步进电机测速误差分析误差来源 抖动实际上就是光电编码器来回摆动，它的一个显著的特征就是编码器旋转方向的改变，造成输出波形有干扰，计数不准确。将编码器的A相与B相引脚通过光电隔离之后再给相应控制器。波形失真原因 1）同时使用几个电源，电源之间没有共地。 2）用导线延长了编码器输出脉冲线，输出线一般都有屏蔽作用 ，而用一般导线延长只会增加干扰。 3）步进电机运行速度太慢，电机抖动输出失真。 3.3程序编写流程程序见附录1总结为期4周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同

19、学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础通过这次模具设计，本人在多方面都有所提高。通过这次智能仪器设计，综合运用本专业所学课程的理论和实际认知，从而培养和提高了独立工作能力，巩固与扩充了课程所学的内容，掌握了智能仪器设计的方法和步骤，了解了智能仪器的基

20、本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。参考文献梁军等编 单片机原理及应用东南大学出版社何立民编著 单片机高级教程 北京航空航天大学出版社雨宫好文 主编 松井信行 著 控制用电机入门科学出版社王建校等编著 51 系列及 C51 程序设计 科学出版社 吕国雄、郑永驹编著 MCS51 系列单片机微型计算机原理与应用基础教程 广东高等教育出版社 李群芳 张士军 黄建 编著 单片微型计算机电子工业出版社附录附录1/头文件#include <reg52.h>#include <User.h>#include

21、 <Usart.h>/自定义变量bit M_flag=0,DS_Flag=0;unsigned char TIM=0;unsigned int ExINT0_Num=0,Count_Time=0;/外部定义变量extern bit RecFinishFlag; extern unsigned char RecData10;extern unsigned char Redata8;extern unsigned char KeyValue;/自定义函数void System_Init(void);void Timer0_Interrupt(void);void ExINT0_Inte

22、rrupt(void);/外部定义函数extern void Menu3(void);extern void HorizonStepSpeed(unsigned long totalstep);/* 程序描述：系统主程序*/void main(void) System_Init();while(1) if (RecFinishFlag=1) RecFinishFlag=0; RedDataFrame(Redata) ; RecComand(RecData); switch(KeyValue) case 0x02: Menu3(); break;default: break; /* 程序描述：系统初始化程序*/void System_Init(void) /串口参数初始化 SCON=0x50; /串口工作方式1，8位UART，波特率可变 TH2=0xFF; TL2=0xFD; /波特率:115200 晶振=11.0592MHz RCAP2H=0xFF; RCAP2L=0xFD; /16位自动再装入值 TCLK=1; RCLK=1; C_T2=0; EXEN2=0; /波特率发生器工作方式 TR2=1 ; /定时器2开始 ES =