第05讲 步进驱动系统设计

第05讲步进驱动系统设计一、概述二、伺服系统的类型及要求三、步进电动机及其控制四、步进电机的控制与驱动五、开环控制的伺服系统设计主要内容1.概念伺服系统—在控制指令的指挥下,控制驱动元件,使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动的系统。伺服系统有闭环伺服系统与开环伺服系统之分。闭环伺服系统是一种反馈控制系统，其工作过程是偏差不断产生又不断消除的过程。举例：步进电机滚珠丝杠伺服驱动系统（开环位置控制伺服系统）。一、概述二、伺服系统的类型及要求类型（1）按被控量分:有位置、速度、加速度、力、力矩等伺服系统（2）按控制方式分:有开环、闭环、半闭环等伺服系统（3）按驱动元件性质分:有电动、液压、气动等伺服系统2.基本要求（1）稳定性要求稳定的系统在受到外界干扰时,其输出响应的过度过程随时间的增加而衰减;不稳定的系统其输出响应的过度过程随时间的增加而增加，或表现为等幅振。稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及参数（如贯性´刚度´阻尼´增益等），与外界作用信号的性质或形式无关。

（2）精度要求伺服系统的精度是指输出量跟输入量的近似程度。

（3）快速响应性要求快速响应—输出跟随输入信号的变化程度以及动态响应过程结束的迅速程度。3.执行器件类型：1、电气式：步进电机´直流伺服电机´交流伺服电机等。2、液压式：液压缸´液压马达等，控制性能不如伺服电机。3、气压式：气缸´气马达等，较难伺服控制。4.对执行器件的要求：惯性小，动力大；体积小，质量轻；好控制，成本低；可靠性好等。1.工作原理如下图所示：定子上有6个齿，三对磁极，转子上分布有4个齿。定子上三相绕组（三对磁极）轮流通电，吸引转子一步一步旋转。每通断电一次，步进电机转过的角度称为步距角，图为30°。

三、步进电动机及其控制2.通电方式及步距角计算（一）通电方式定子绕组每通断电操作一次称为一拍。三相单三拍通电方式：A→B→C→A→……

三相双三拍通电方式：AB→BC→CA→AB→……三相六拍（单双轮流）通电方式：A→AB→B→BC→C→CA→A→……改变各相绕组的通断电顺序可实现逆转。一般对于m相步进电机有：1、m相单m拍通电方式。2、m相双m拍通电方式。3、m相2倍m拍通电方式。m相单m拍通电方式为单相通电方式，由于矩频特性差,容易失步,实际较少采用。

（二）步距角计算

θ=360°/(cmz)

θ——步距角；z——转子的齿数；m——步进电机的相数；c—通电方式系数，单拍或双拍通电时取1，单双轮流通电时取2。

三、步进电机的主要性能指标及特性1、最大静转矩Tmax步进电机运行频率为零（转速为零）时的输出转矩。步进电机运行频率——步进电机绕组每秒钟通断电次数。步进电机工作时的负载转矩一般取最大静转矩的30%～50%。2、步距角及其精度（误差）空载时实测步距角与理论步距角之差.反应了步进电机的制造精度。步进电机步距角精度较低的一般为±10´~±30´,精度高的可达±2´~±5´

3、步进电机矩角特性——静态时转矩与失调角的关系。什么是失调角？保持一相（单拍）或两相（双拍）绕组通电，此时定子与转子的齿对齐，当转子加一负载转矩时，转子将转θ角，θ角称为失调角。转矩与θ关系见下图：

4、启动矩频特性——启动频率与负载转矩的关系。启动频率——电机在有外加负载转矩时，不失步启动的最高脉冲频率。失步——转子前进的步数不等于输入的脉冲数。启动矩频特性曲线见下图。由图可知，负载转矩越大所允许的最大启动频率就越小。

5、启动惯频特性启动惯频特性——启动频率与转动惯量（纯惯性负载）之间的关系。如图下所示，负载转动惯量越大，允许最大启动频率就越低。

6、连续运行矩频特性——电机启动后不失步运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系。如下图所示，电机输出转矩随运行频率的增加而减小。

7、步进运行和低频振荡

步进运行——当输入脉冲频率很低时，脉冲周期大于电机的过渡过程时间，电机处于一步一停的状态。

低频振荡——步进电机运行的频率（较低时）与电机的固有频率相等或接近时，会发生共振，使电机产生振荡不前的现象。避免低频振荡方法：（1）避开固有频率运行；（2）调节电机上阻尼器改变固有频率。

要使步进电机正确运转，必须按一定顺序对定子各相绕组励磁，以产生旋转磁场，即按一定规律将控制脉冲分配给步进电机各绕组。步进电机每接收一个脉冲将相应转过一定的角度。

按一定规律将指令脉冲分配给步进电机各绕组的器件称脉冲分配器。脉冲分配器有硬件与软件之分。

四、步进电机的控制与驱动步进电机的驱动系统（一）软件脉冲分配器与控制编程

软件脉冲分配器——用计算机程序实现脉冲分配。应用举例：已知数控机床某方向进给系统脉冲当量δ=0.01mm（脉冲当量：一个脉冲（一个步距角）前进的距离。δ=(α·p)/(360°·i)，其中α——步距角，P——导程，i——传动比），计算机晶振频率为6M，选用四相电机，四相八拍工作方式，要求工作台以V=1000mm/min的速度前进2mm，设计步进电机驱动硬件及软件（采用软件脉冲分配器）。

单片机与步进电机接口电路步进电机的驱动系统1、硬件（接口）设计

当P1.0置低电平时，对应的A向为高电平，步进电机相应绕组带电。2、四相八拍脉冲分配表每个控制数据高4位值为F（理论上可为任意值）。按1到8的序号送控制数据为正转；按8到1的序号送控制数据为反转。

3、脉冲分配软件任务：按一定顺序及时间间隔将控制脉冲分配给步进电机各绕组，以产生旋转磁场。编程思路：movR1,#19H;共走200步LP:movP1,#0FEHLCALLYS;调用延时子程序，延时0.6ms。0.6×200=120msmovP1,#0FCHLCALLYS;调用延时子程序..DJNZR1,LP

脉冲分配控制程序：（1）按序号查表求控制数据，结果存放在55H单元内存使用安排：02H中存正反转标志，0正转，1反转52H中存节拍序号，01H~08H55H中存控制数据（程序运行结果）MCFP：MOVR1，#52H；用R1间接寻址，52H中存节拍序号MOVC，02H；正反转标志送C寄存器JCPPD2；若C=1（反转)跳转到PPD2，否则往下执行正转程序INC@R1;节拍序号加1,正转CJNE@R1,#09H,PPD3;@R1与#09H比较不相等(序号<9)转PPD3(求控制数据)MOV@R1,#01H;若序号=9则序号单元置1,即52H=1AJMPPPD3;无条件跳转到PPD3(求控制数据)PPD2:DEC@R1;节拍序号减1,反转CJNE@R1,#00H,PPD3;@R1与#00H比较不相等(序号>0)转PPD3(求控制数据)MOV@R1,#08H若序号=0则序号单元置8,即52H=8PPD3:MOVA,@R1;序号送累加器AADDA,#03H;A的内容加查表偏移量(3字节),结果在A中MOVCA,@A+PC;根据序号查表得控制数据,结果在A中MOV55H,A;控制数据送55H单元(2字节)RET;返回(1字节)DB:0FEH,0FCH,0FDH,0F9H,0FBH,0F3H,0F7H,0F6H（2）以一定的时间间隔将55H中数据送P1口(应满足要求:V=1000mm/min的速度前进2mm)思路:利用定时中断计数器发出中断信号,准时地、等间隔地将55H中数据送P1口。1)、计算定时中断时间常数(采用T0定时中断计数器)如果采用定时模式1，即通过16位计数器TH0（高8位）TL0（低8位）计数，计数满产生中断。中断快慢取决于：①晶振频率（晶振振荡12次计一个数）。②开始计数时TH0TL0已存有的数(时间常数)大小。时间常数大则计满数快，数小则慢。时间常数：Tx=216–(5fOSCδ)/v式中，fOSC为晶振频率，δ为脉冲当量，v为工作台移动速度。Tx=216–(5fOSCδ)/v=65536–5×6×106×0.01/1000=65236=15×163+14×162+13×16+4=0FED4H2）、计算进给步数步数=进给距离/脉冲当量=2/0.01=200=0C8H3)程序清单JGkZ：MOVR4，#0C8H；进给步数送R4。MOV52H，#01H；节拍序号1送内存52H。MOVTL0，#0D4H；送时间常数低4位到定时计数器。MOVTH0，#0FEH；送时间常数高4位到定时计数器。LOP0：MOV02H，#00H；正转标志#00送内存02H。LOP1：LCALLMCFP；调用“求脉冲分配控制数据”子程序，结果在55H中.MOVR3，#01H；R3中存放中断与否标志，R3=1未中断，R3=0已中断.SETBTR0；启动定时器T0。SETBET0；T0开放中断。LOP2：CJNER3，#00H，LOP2；R3与#00比较不相等则等待，中断完成R3=#00H。DJNZR4，LOP1；R4减1（步数减1），不为零转LOP1继续。RETT0中断程序（定时向电机输出进给脉冲）T0入口：000BHAJMP200HORG200HMOVTL0，#0D4H；重装时间常数，为什么要重装？MOVTH0，#0FEHMOVP1，55H；将控制数据送P1口输出，控制数据由“MCFP”求得MOVR3，#00H；将中断完成标志“#00H”送R3RETI；中断返回（3）如何调速？改变时间常数即可改变电机进运行速度。时间常数增大——计数器溢出所用的时间短——每次中断所用的时间就少——电机运行频率加快——电机运行速度变快。反之，时间常数减小——电机运行速度减慢。

（二）硬件脉冲分配器及其接口1、概念硬件脉冲分配器大多作成集成芯片，由硬件（芯片）本身实现脉冲分配。

国内外有多种芯片型号，现以国产芯片YB013为例说明硬件脉冲分配器的使用。

右图是YB013脉冲分配器管脚图。E0：输出选通A1A0：见表5-3E1E2：输入选通

2、硬件脉冲分配器接口A0=1，A1=0，三相六拍通电方式。P1.0置高电平（SETBP1.0）电机正转，置低电平（CLRP1.0）电机反转。P1.1输出的脉冲数量（高低各置一次）决定电机旋转角度。

（三）驱动电路由于光电隔离输出的控制信号其功率有限，一般不能直接驱动步进电机，需要功率放大，即驱动。驱动电路种类很多，下图示出了一种驱动电路。图中，来自脉冲分配器的工作脉冲，经电流放大后加到功率三极管T的基极，使T导通；电容C的作用是在导通起始时刻使电机绕组电流迅速上升；T稳态时电阻R起限流作用，T截止时二极管起释放绕组中能量的作用。由于电阻R的功耗大，效率低，此电路只适用于小型步进电机。市场上有商品驱动模块供应，可根据用途选购。什么是开环控制的伺服系统？

无检测反馈元件的伺服系统称开环控制的伺服系统。开环伺服系统结构简单，不存在稳定性问题，但精度低。

五、开环控制的伺服系统设计一.系统方案设计一般来说，各种开环伺服系统在结构原理上常有类似之处，其原理框图见图5-31。1.执行元件选择执行元件可以是步进电机，也可以是交流电机或直流伺服电机，还可以是电液脉冲马达或伺服液压缸等。不同的执行元件，接口及功放电路有所不同。2.传动机构方案选择传动机构实质上是执行元件与执行机构之间的一个接口。图5-32的传动机构为减速器和丝杠螺母副。丝杠螺母副用于将旋转运动变为直线运动，减速器的作用主要是增大转矩，匹配惯量，配凑脉冲当量。3.执行机构方案选择根据实际需要及要求选择。4.控制系统控制系统包括微机（工控机PLC单片机）接口电路及驱动电路等，这些在前面已作介绍。二.机械系统设计计算以图5-32所示的开环位置伺服控制系统的机械传动原理图为例，说明设计计算方法。（一）确定脉冲当量，选步进电机步距角根据系统精度要求定脉冲当量，一般δp=0.005~0.01mm。在综合考虑转矩运动精度及价格的前提下选定电机，步距角随电机的选定而确定，一般为零点几度到十几度。（二）计算减速器传动比i=（αP）／（360δp）α——步距角P——导程δp——脉冲当量传动比步距角脉冲当量导程四者之间可互相调配，互相兼顾。当传动比较大时（一级传动不可能实现时），如何确定传动级数？如何分配传动比？

1.按图5-33确定传动级数原则：JG／JP尽量小，级数也应尽量小。举例：当i=2时，选1级传动；当i=3时，选2级传动；

当i=4时，选2级传动；当i=15时，选3级传动。2.按图5-34分配传动比举例：（1）i=4，2级传动时，i1=1.8

i2=2.2（2）i=15，3级传动时，i1=1.7

i2=2.3

i3=3.8（三）计算系统转动惯量步进电机轴上的转动惯量直接影响电机负载转矩的大小，所有传动件的转动惯量都应折算到电机轴上，以获得当量负载转动惯量Jd（单位：Kg·m2）。圆柱体转动惯量计算：J=（πρd4L）／32电机轴上当量转动惯量：Jd=JZ1+（JZ2+JS）／i2+（P／（2πi））2mJZ1——电机轴上齿轮的转动惯量

JZ2——丝杠轴上齿轮的转动惯量

JS——丝杠转动惯量

P——丝杠导程

（四）步进电机动力参数的确定1.步进电机的最大静转矩TS（TS是选择电机的主要参数）TS≥max{TS1，TS2}TS1——启动时（空载或有载）电机所需最大静转矩；TS2——最大外载工作时，电机所需最大静转矩。TS1=Tq／KTq——启动时负载转矩，由下式求得：Tq=（Jm+Jd）ε+[p（Fμ+Fw）]／（2πηi）+[PF0（1-η02）]／（2πηi）K——系数（K=Tq／Ts1），由有关表查得（与电机相数及运行拍数有关）。TS2=T1／（0.3~0.5）T1——最大外载下工作时电机轴上负载转矩，由Tq减去惯量项求得。T1=[p（Fμ+Fw）]／（2πηi）+[PF0（1-η02）]／（2πηi）2.步进电机最大启动频率及最大运行频率根据启动转矩Tq及负载转矩T1，由电机启动矩频特性曲线及连续运行矩频特性曲线（电机不同，曲线也会有所不同）可查出最大启动频率及最大运行频率，实际启动及运行时应低于这一频率。（五）验算惯量匹配电机轴的当量负载转动惯量Jd与电机轴自身转动惯量Jm（与电机有关的已知参数）的比值应控制在一定的范围内：1／4≤Jd／Jm≤1Jd／Jm太大时系统的动态特性取决于负载特性，使系统的综合性能变差；Jd／Jm太小经济性差。

（六）计算传动系统刚度传动系统刚度主要由KL

`KN`KB三部分组成。KL——丝杠本身的拉压刚度，由表5-8中有关公式计算；

KN——丝杠螺母间的接触刚度，由有关表格查得（常为已知条件）；

KB——轴承及轴承座的支承刚度，由有关表格查得（常为已知条件）。

丝杠传动的综合刚度K0根据KL`KN`KB由表5-9中有关公式计算。三.机械系统动态特性分析什么是机械系统动态特性？机械系统动态特性包括快速响应性，系统的稳定性，共振频率等。影响动态特性的参数主要有两个：系统无阻尼固有频率ωn

及系统阻尼比ζ。1.系统无阻尼固有频率ωn纵向振动：ωn=(K0／m)½K0——丝杠螺母综合拉压刚度；m——丝杠和工作台的等效集中质量。m=m1+1／(3m2)

；m1为工作台质量，m2为丝杠质量。扭转振动：ωn=(KS／

JS)½KS——折算到丝杠上当量扭转刚度；JS——折算到丝杠上当量扭转惯量。ωn影响系统响应速度。增大ωn可加快系统的响应速度，还有利于避开输入信号频率范围，防止共振。

可提高刚度,减小惯量或工作台质量来增大ωn,设计时一般取ωn≥300rad/S(f=ωn/2π)2、系统阻尼比ζ

纵向振动：ζ=f/[2(mk0)½]