计算机测控系统设计与实现

1、计算机测控系统设计与实现12013113 段军合1. 参考书目：书名：步进电机控制技术入门 王鸿钰 编著2. 主要内容：2.1 步进电机介绍步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得步进电机在速度、位置等控制领域的控制操作非常简单。虽然步进电机应用广泛，但它并不像普通的直流和交流电机那样在常规状态下使用，它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用.因此.用

2、好步进电机也非易事，它涉及机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。2.2步进电机的结构 步进电机主要由两部分构成定子和转子。它们均由磁性材料构成。 以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极。 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。步进电机剖视图2.3 步进电机的工作原理 步进电机有三线式、五线式和六线式，但其控制方式均相同，都要以脉 冲信号电流来驱动.假设每旋转一圈需要200个脉冲信号来励磁，可以计算出每个励磁信号能使步进电机前进1.8°。其旋转角度与脉冲的个数成正比。步进电动机的正、反转由励磁脉冲产生的顺序来控制。六线式四相步进电机是比较常见的，它的控制等效电路如

3、下图所示。它有4条励磁信号引线A,/A，B,/B 通过控制这4条引线上励磁脉冲产生的时刻，即可控制步进电机的转动.每出现一个脉冲信号，步进电机只走一步。因此，只要依序不断送出脉冲信号，步进电机就能实现连续转动。2.4 励磁方式步进电机的励磁方式分为全步励磁和半步励磁两种。其中全步励磁又有一相励磁和二相励磁之分;半步励磁又称一二相励磁。假设每旋转一圈需要200个脉冲信号来励磁，可以计算出每个励磁信号能使步进电动机前进1.8°。简要介绍如下。一相励磁在每一瞬间，步进电机只有一个线圈导通.每送一个励磁信号，步进电机旋转1.8，这是三种励磁方式中最简单的一种。其特点是:精确度好、消耗电力小，

4、但输出转矩最小，振动较大。如果以该方式控制步进电机正转，对应的励磁顺序如下表所示。若励磁信号反向传送，则步进电机反转。表中的1和0表示送给电机的高电平和低电平。二相励磁在每一瞬间，步进电动机有两个线圈同时导通。每送一个励磁信号，步进电机旋转1.8。其特点是:输出转矩大，振动小，因而成为目前使用最多的励磁方式。如果以该方式控制步进电机正转，对应的励磁顺序见下表。若励磁信号反向传送，则步进电机反转。一二相励磁为一相励磁与二相励磁交替导通的方式。每送一个励磁信号，步进电机旋转0.9。其特点是:分辨率高，运转平滑，故应用也很广泛。如果以该方式控制步进电机正转，对应的励磁顺序见下表。若励磁信号反向传送，

5、则步进电机反转。微处理机驱动电路电机负载运用微处理机的开环系统 2.5 步进电机的控制要点 开环控制 上图是典型的开环控制系统的方框团。控制信号可以由微处理机产生， 也可以用某种形式的时序电路产生。不管这种信号怎样产生，设计者都需要 知道它在定时上有些什么限制。例如：特定负载转矩的最高步进频率；又 如：电机加速负载惯量的时间等。 开环控制方案中，负载位置对控制电路没有反馈，因此，步进电机必须 正确地响应每次激磁变化。如果激磁变化太快，电机不能够移动到新的要求 的位置，那么，实际的负载位置相对控制器所期待的位置将出现永久误差。 如果负载参数基本上不随时间变化，则相控制信号的定时比较简单。但是，

6、在负载可能变化的应用场合中，定时必须以最坏(即始大负载)情况进行设 定。当然，这样确定的控制方案对所有共他负载并非站住。 优点：简单，成本低。 闭环控制 在闭环控制的步进电机系统里，不断检测转子的瞬时位置，并把它反 馈到控制单元上。每一步命令都在电机令人满意地响应了前面的命令后才 发出， 因此，电机不可能失步。启动控制单元相序发生器电机负载位置检测器步进命令减法计数器制动停止启动时送数步进电机的闭环控制系统 第一步快定到时，位置检测器产生一个送到减法计数器和控制单元去 的脉冲。减法计数器减一，即负载相对目标的位置减一。注意：开环控 制时，减法计数器只记录需要送给电机的步进命令数，并不保证这些步

7、数 是否已经执行。而闭环控制小，减法计数器记录的是实际的负载位置。 送到控制单元的位置检测脉冲用来产生下一步命令。负载越重，达到 第一步位置所花的时间越氏，相继的步进命令之间的时间间隔也越长，自 动适应了比较慢的加速速率。与外环控制一样，电机最终能达到的最高工 作频率由电机和负载特性决定。 电机开始减速的时刻出减法计数器决定。减速期间，执行的步数取决 于负载条件。惯量大、转矩小的负载比惯量小、转矩大的负载需要更多步 数减速。不过，通常以最坏的负载条件来设定减速期间执行的步数。如果 实际的负载条件没有最坏条件那么严重，那末，系统在达到目标位置前的 步进速率将低下启停频率，故能可靠停止。当减法计数

8、器为零时，表示要 求的步数已经执行完。这时，减法计数器发一个停止信号给控制单元，禁 止以后的步进命令，系统工作告一段落。 由此可见，闭环控制的激磁定时随负载条件而改变，它能够产生接近 最佳的速度曲线和快速对负载定位。对许多用户来讲，直接监视负载位置 是这种控制方式的最有吸引力的特性。这种特性使步进命令和转子位置之 间不可能失步，即使在最坏的负载条件下也如此。 闭环系统中，位置检测器常用光学传感器咙波形检测电路实现。光学 检测是传统的检测方法，但成本高，特别对小步距角的电机而言。波形检 测法是新的检测方案之一。它利用动生电压对相电流的调制来检测转子的 位置。3. 重点内容3.1 齿距角、步距角和

9、转速大小与什么有关？ 步距角：指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。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。以表示。它不受电压波动和负载变化的 影响，也不受温度、振动等环环境因素的干扰。 计算：步距角的大小由转子的齿数、运行相数m所决定。他们之间 可表示为： 齿距角t: 步距角: 意义：步距角越小，精确度越高。 增加相数和增加转子齿数都可以减少步距角，目前多用增加齿数 方法减小步距角。 步进电机的转速 (r/min)3.2 3相步进电机的三种工作方式下定子绕组的通电顺序?三相单三拍 其

10、通电顺序为 ABCA。“三相”是指三相步进电机,“单”是指每次只有一盯绕组通电,“三拍”是指三种通电状态为一具循环。这种方式每次只有一相通电,容易使转子在平衡位置上发生振荡,稳定性不好.而且在转换时,由于一相断电时,另一相刚开始通电,易失步（指不能严格地对应一个脉冲转一步）,因而不常采用这种通电方式。双相双三拍 其通电顺序为ABBCCACB。这种通电方式由于两相同时通电,转子受到的感应力矩大,静态误差小,定位精度高,而且转换时始终有一相通电,可以工作稳定,不易失步.三相六拍 其通电顺序为AABBBCCCAA。这是单、双相轮流通电的方式,它具有双一拍的特点,且由于通电状态数增加一倍,而使步距角减

11、少一倍。 3.3 步进电机的技术指标(1)步进电机的静态指标 相数电机内部的线圈组数。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°，三相为0.75°/1.5°、五相为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。 步距角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86BYG250

12、A型电机的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°)，这个步距角可称为“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。 拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态.或指电机转过一个步距角所需脉冲数。以四相电机为例，有四相四拍运行方式，即AB-BC-CD-DA-AB:四相八拍运行方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 定位转矩电机在不通电状态下，转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成). 保持转矩步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的

13、参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成了衡量步进电机最重要参数之一。比如，当人们说2N·m的步进电机时，在没有特殊说明的情况下，是指保持转矩为2N·m的步进电机。(2)步进电机的动态指标步距角精度步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差，用百分比表示:误差/步距角X100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。失步电机运转时运转的步数不等于理论上的步数，称为失步。失调角转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度.电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。最大空载起动频率电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。最大空载运行频率电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。运行矩频特性电机在某种测试条件下，测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性。它是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据，如图所示。电机一但选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然.电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态电流)，平均电流越大，电机输出力矩越大.即电机的频率特性越硬。 力矩与频率关系曲线 其中:曲线3电流最大或电压最