步进电机细分驱动器的软件设计

毕业设计开题报告电气工程及其自动化步进电机细分驱动器的软件设计1选题的背景、意义步进电机最早在1920年由英国人开发，50年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上。步进电动机的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关，产品按结构划分有磁阻式、永磁式和混合型等多种形式［1］。步进电动机多用于数控车床和机器人系统中。在现代工业，特别是航空、航天、电子等领域中，要求完成的工作量大，任务复杂，精度高，利用人工操作不仅劳动强度大，生产效率低，且难以达到所要求的精度，还有一些工作环境是对人体健康有害的或人类无法到达的，这就需要数控机床和机器人来完成这些工作。另外，在计算机外设和办公室自动化设备中也大量运用步进电机，如磁盘驱动、打印机、绘图仪和复印机等。步进电机作为数字式执行元件，具有成本低、易控制、定位方便和步距误差不长、期累计等优点，被广泛应用在数控装置、绘图机、机械手、印刷和包装设备等工业、军事和医疗自动化领域中。在多种步进电机中，混合式步进电机集反应式和永磁式步进电机的优点于一身，应用更加普遍。但是步进电机在应用中存在一些制约性的因素，步进电机及其系统表现出诸如低速平稳性差、高速快速响应能力差、效率低和能耗大等。步进电机多应用于开环控制的场合，对转子位置和角速度不做检测，较容易在运行过程中产生失步和振荡。另外，步进电机不能简单地直接接到普通的交直流电源上运转，它需要专门的驱动控制器，步进电机和与之配套的驱动控制器密不可分，在电机本体选定的情况下，驱动控制器的好坏很大程度上影响着整个系统的运行性能。通过研制高性能的步进电机驱动控制器可以大大改善步进电机的运行性能，这对提高我国在这方面的科学技术水平起到了一定的促进作用，拓宽了步进电机的应用领域。因此，步进电机细分驱动的软件开发不仅有着重大的现实意义，而且具有极大的经济价值。2相关研究的最新成果及动态近年来，伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步，发达国家已普遍使用性能优越的混合式步进电机。驱动技术采用恒相电流与细分驱动相结合，使步进电机在中、小功率控制系统内的精度提高，并逐步向高速大功率应用领域渗透.步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等［2］。细分驱动的典型应用有数控机床的四轴联动改造。由于现有的机床只能进行三轴联动，而在生产中需要在圆锥面上加工凸轮运动曲线槽，通过工艺分析需要四轴联动的加工中心才能实现。而现有立式加工中心只能实现x、y、z三轴联动，配置高精度四轴联动系统机床的价格超出现有机床数倍，为此通过对现有机床的改造，利用回转工作台实现第四轴，采用步进电机的细分技术实现高精度控制，可满足用户精度的要求。近年来，对于不同类型和相数的步进电机采取不同的细分电流控制策略是研究的一大热点。如有关资料指出，对于两相双极型混合式步进电机，采用正余弦形的驱动电流较为理想，而对于反应式步进电机一般采用谐波较少的阶梯型驱动电流较为理想。细分驱动在喷膜机中也有应用，采用8052微处理机，具有8K字节的ROM,256字节的RAM°8位DA转换器AD7524通过锁存器与单片机的数据线相连,构成步进电机的脉冲信号发生器，用来驱动步进电机。我们采用软件的方法实现脉冲分配器。将电机四细分驱动脉冲数据存储在内存中。当电机逆时针方向运转时，自上而下走表索取控制量；当电机顺时针方向运转时，自下而上走表索取控制量，这样就可以控制电机上的电流的大小。其中控制量的最高位是方向控制信号，低7位存储电机脉冲信号的大小［3］。3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标步进电机的细分控制是由驱动器精确控制其相电流来实现的。以四相电机为例，假如电机的相电流为2A，使用常规驱动方式（如常用的恒六载波方式）驱动电机的话，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0突然变为2A或由2A突然变为0,相电流的巨大变化必然会引起电机运行的振荡和噪声。如果使用细分驱动器，在10细分相状态下进行驱动，电机每走一微步，其绕组内的电流变化只有0.2A而不是2A，这样就大大减少了电机的振荡和噪声，而提高步进电机的性能才是细分的真正优点。步进电机细分器是将驱动电流设计成可变的恒流源，通过控制绕组中的电流数值可以调整步进电机步距的大小，从而把原步距角细分成若干步来完成。即原来对应于一个电压脉冲，转子转动一步为-B\经10细分后则每走一步为口-8。一般情况下，电机的定子若为m相绕组，如每次仅一相通电，那么一个循环电机转子转过一个齿距角E，因此，步进电机的步距角二,，为：ar 盘■:=m=360iilZ （1）其中：m为定子的绕组数，Z为转子齿牙数。对同一台步进电机通过改变通电方式可以减小步距角m，实现步进电机步距角的细分，这有利于实现控制系统的精确控制。但这种方法作用有限，不能满足更高的精度要求。根据式（1）进一步减小步距n的途径是增加定子相数和转子的齿数，相应的电机成本和难度都会增加。为了达到较大的细分，就要在控制电路上采取措施。典型的方法是控制步进电机各相绕组的电流，使其按阶梯上升、下降。这样，电机绕组中的电流不是由0跃升到额定值，而是经过若干小步的变化达到额定值，所以绕组中的电流变化比较均匀。要实现细分驱动，就是要使电机各相绕组中的电流按一定的规律阶梯上升或下降，针对这种电流波形的实现方法，国内外都有研究，从脉冲分配电路上看，有采用硬件细分及软件细分的区别，硬件细分可由EPROM或GAL来实现，构成所谓的E+P或G+P细分驱动：从功率放大器上看，即从功率管的工作状态来分，有放大型的也要采用开关式的；软件细分也有多种；从阶梯电流形成的角度分，有采用叠加法的，有采用PWM控制的，也有采用脉频调制（删）的，随着微胡技术的发展。目前大多采用与微机相结合的方法，而叠加法目前则较少采用，下面仅从绕组中阶梯型电流形成的角度来分析，以往的步进电机的细分驱动较多采用这种方法。其基本思路是把等幅等宽的方波合成丽得到阶梯波。在电流的实现E，一般采用数字逻辑元件来构成细分脉冲分配电路，驱动回路每相设有N个支路（即设为N细分），阶梯波电流的形成由这N个支路的等幅等宽的方波电流叠加得到，各支路的开闭则由细分控制器的脉冲来控制囹。由于细分驱动是要得到阶梯变化的电流波形，所以利用PWM技术（脉宽调制）来代替放大状态的功放电路，可以实现灵活的电流波形控制，提高系统的稳定性和可靠性。目前随着微机的发展，借助于微处理机较强的数字信号处理功能，结合PWM控制技术，已是步进电机细分驱动的主要发展方向之一。脉宽调制细分驱动的基本思路是：细分驱动电流的变化受控于PWM脉冲的脉宽变化，只要给驱动功率管的基极上施加一定脉宽和频率的脉冲序列，就可在相应电机绕组上得到相应的阶梯变化的电流波形。在实际系统中，有许多专用集成模块可用于这种它激式电流追踪型PWM控制，如TIA94,SG3525等。由这些模块构成的电流控制器结构简单、实用。在实际的步进电机驱动电路中可根据需要选择合适的电流跟踪型PWM控制方式。本课题使用89C51单片机进行PWM脉宽控制，由PWM产生及逻辑合成电路完成对步进脉冲的细分并且发向出驱动电路发出驱动信号从而完成对步进电机的控制。步进电机细分驱动系统的软件主要由主控程序、细分驱动程序、键处理程序、显示数据处理及显示驱动程序、通信监控程序等部分组成。其结构框图见图［5］：细分驱动主控制程序控制整个程序的流程，主要完成程序的初始化、中断方式的设置、计数器工作方式的设置及相关子程序的调用等。细分驱动技术提高了步进电机各方面的综合性能。实现细分驱动技术实质上就相当于增大了步进电机的运行拍数，下面就其与其它的驱动方式相比具有的优点总结如下[6]提高步进电机的步距分辨率和步进精度。减弱低频振荡和噪声。提高步进电机起动时的矩频特性和运行的稳定性。4研究工作详细进度和安排2010年12月一2011年1月上旬毕业设计文献综述、外文翻译；2011年1月中旬一2011年2月中旬毕业设计开题报告；2011年2月下旬一2011年5月上旬毕业设计，撰写毕业论文初稿；2011年5月中旬一2011年5月下旬修改初稿、准备毕业答辩。5参考文献谢辉唐勇，步进电机发展回顾与前景展望重庆三峡学院学报[J]2010,26(3)科雷德斯(香港)精密技研,步进电动机发展趋势[EB/OL]./learn/lear—detail/asp?learn—idffi7401,2008-10-16李翠敏高有行，步进电机细分驱动