第3章步进电动机的控制2

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1、1,第3章 步进电动机的控制,第1节 步进电动机的工作原理及驱动方法 第2节 步进电动机的开、闭环控制 第3节 步进电动机的最佳点-位控制 第4节 步进电动机控制的程序设计,2,步进电动机开环系统结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低。适用于经济型数控机床和现有机床的数控化改造，且在中、小型机床和速度、精度要求不是很高的场合得到了广泛的应用。 步进电机开环控制系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。 步进控制器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。 典型步进电机控制系统如图3-19所示。这种控制方式中，由于步进控制器线路复杂、成本高，因而限制了它的使用。,一

2、、步进电动机的开环控制,步进控制器,功率放大器,步进电机,负载,图3-19 步进电机控制系统的组成,方向控制,脉冲,3,随着电子技术的发展，除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软件实现。采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器，不仅简化了线路，降低了成本而且可靠性也大为提高，同时，根据系统的需要可灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。典型的微型机控制步进电机系统原理图如图3-20所示。 使用微型机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。,4,（一）串行控制,具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间，具有较少的连线，所以在这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器。这种控制方式

3、的示意图如图3-21所示。,驱动电源,5,用微型计算机系统的多个端口直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。 系统实现脉冲分配功能的方法有两种：一种是纯软件方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号；另一种是软、硬件相结合的方法，有专门设计的一种编程器接口，计算机向接口输入简单形式的代码数据，而接口输出的是步进电动机各相导通或截止的信号。并行控制方案的示意图如图3-22所示。,（二）并行控制,6,步进电动机的速度控制是通过控制单片机发出的步进脉冲频率（或周期）来实现： 软脉冲分配方式：可以采用调整两个步进控制字之间的时间间隔来实现调速； 硬脉冲分配方式：可以控

4、制步进脉冲的频率来实现调速。 系统可用两种方法来确定步进脉冲的周期： 一种是软件延时:软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法来实现的，它占用大量CPU时间，因此没有实用价值。 另一种是通过定时器中断的方法:定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现的。当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变P1.0电平状态的操作，改变定时常数，就可改变方波的频率，得到一个给定频率的方波输出，从而实现调速。,（三）步进电动机的开环变速控制,例：p64,7,在开环步进电动机系统中，电动机的输出转矩在很大程度上取决于驱动电源和控制方式。对于不同的步进电动机或同一种步进电动机而不同负载，励

5、磁电流和失调角发生改变，输出转矩都会随之发生改变，很难找到通用的控速规律，因此，也很难提高步进电机的技术指标。 闭环系统是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当处理自动给出驱动脉冲串。因此采用闭环控制可以获得更精确的位置控制和更高、更平稳的转速，从而提高步进电动机的性能指标。 步进电动机的输出转矩是励磁电流和失调角的函数。为了获得较高的输出转矩，必须考虑到电流的变化和失调角的大小，这对于开环控制来说是很难实现的。,二、步进电动机的闭环控制,8,步进电动机的闭环控制有不同的方案，主要有核步法，延迟时间法，用位置传感器的闭环系统等； 例如采用光电脉冲编码器作为位置检测元件，闭环控制原

6、理框图如图所示。其中编码器的分辨力必须与步进电动机的步矩角相匹配。 开始工作，先把目标位置送入减法计数器；然后，“起动”脉冲信号加到控制单元上，控制单元在“起动”脉冲的作用下，立即把步进命令送入环形分配器，使励磁变化一次，后续的脉冲则由编码器装置产生。编码器每产生一个脉冲，就对法计数器减1，因而，减法计数器记录的是实际的转子位置。当减法计数器的计数减至零时，发出一个停止信号到控制单元，禁止以后的步进命令，系统停止工作。,9,第3章 步进电动机的控制,第1节 步进电动机的工作原理及驱动方法 第2节 步进电动机的开、闭环控制 第3节 步进电动机的最佳点-位控制 第4节 步进电动机控制的程序设计,1

7、0,一、步进电动机的最佳点-位控制,对于点、位控制系统，从起点至终点的运行速度都有一定要求。 如果要求运行频率（速度）小于系统的极限启动频率，则系统可以按要求的频率（速度）直接起动，运行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。系统在这样的运行方式下其速度可认为是恒定的。 但在一般情况下，系统的极限启动频率是比较低的，而要求的运行速度往往较高。如果系统以要求的速度直接起动，因为该频率已超过极限启动频率而不能正常起动，可能发生丢步或不能起动的情况。,图3-24 点、位控制中的加减速控制,11,系统运行起来之后，如果到达终点时突然停发脉冲串令其立即停止，则因为系统的惯性原因，发生冲过终点的现象，使点-位

8、控制精度发生偏差。因此在点-位控制过程中，运行速度都需要有一个加速-恒速-减速-（低恒速）-停止的过程，如图3-24所示。 升速规律一般可有两种选择：一是按直线规律升速，二是按指数规律升速。按直线规律升速时加速度为恒值，因此要求步进电动机产生的转矩为恒值。,12,用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出步进脉冲的时间间隔。升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。微机常用定时器中断的方式来控制电动机变速。 一般用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载计数值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的计数值固化在系统的EPROM中，系统运行中用查表方法查出所需的装载

9、值，从而大大减少占用CPU时间，提高系统响应速度。 系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数据：,加减速的斜率； 升速过程的总步数； 恒速运行总步数； 减速运行总步数。,要想使步进电机按一定的速率精确地到达指定的位置（角度或线位移），步进电机的步数N和延时时间t是两个重要的参数。前者用来控制步进电机的精度，后者用来控制步进电机的速率。如何确定这两个参数是步进电机控制程序设计中十分重要的问题。,13,（一）步进电机步数的确定 步进电机常用来控制角度和位移。,若用步进电动机带动一个10圈的多圈定位器来调整电压，假定其调节范围为010V，现在需要把电压从2V升到2.1V，步进电机的

10、行程角度为：,10V:3600=(2.1V-2V):X X=36,如果用三相三拍控制方式，由步距角公式可定出步距角为3，由此可计算出步数N=36/3=12步。如果用三相六拍控制方式，由步距角公式可定出步距角为1.5，由此可计算出步数N=36/1.5=24步。,可见，改变步进电机的控制方式，可以提高精度，但在同样的脉冲周期下，步进电机的速率将减慢。同理，可求出任意位移量与步数之间的关系。,14,（二）步进电机控制速率的确定 步进电机的步数是精确定位的重要参数之一。在某些场合，不但要求能精确定位，而且还要求在一定的时间内到达预定的位置，这就要求控制步进电机的速率。 步进电机速率控制的方法就是改变每

11、个脉冲的时间间隔，亦即改变速度控制程序中的延时时间。例如，若步进电机转动10圈需要2000毫秒，则每转动一圈需要的时间为t=2000ms/10=200ms，每走一步距角需要的时间为：,所以，只要在输出一个脉冲后，延时833s，即可达到上述之要求。,15,一般步进电机对空载最高启动频率有所限制。所谓空载最高启动频率是指电动机空载时，转子从静止状态不失步的启动的最大控制脉冲频率。当步进电机带有负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电机矩频特性可知，启动频率越高启动转矩越小。 变速控制的基本思想是：启动时，以低于响应频率的速度慢慢加速，到一定速率后恒速运行，快要到达终点时慢慢减速，以低

12、于响应速率的速度运行，直到走完规定的步数后停机。这样，步进电机便可以最快的速度走完所规定的步数，而又不出现失步。变速控制过程如图3-24所示。,（三）步进电机的变速控制,16,改变控制方式的变速控制：最简单的变速控制可利用改变步进电机的控制方式实现。例如：对于三相步进电机系统，启动或停止时用三相六拍，大约0.1s以后，改用三相三拍，快到达终点时再采用三相六拍，以达到减速控制的目的。 均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制：步进电机的加速（或减速）控制，可以用均匀地改变脉冲时间间隔来实现。 采用定时器的变速控制：单片机控制系统中，用单片机内部的定时器来提供延时时间。方法是将定时器初始化后，每隔一定的时

13、间，由定时器向CPU申请一次中断，CPU响应中断后，便发出一次控制脉冲。此时只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加速（或减速）的目的。这种方法可以提高控制系统的效率。,变速控制的方法有：,17,步进电机的速度控制曲线如图3-25所示。此图是按匀加速原理画出来的，对于某些场合也可采用变加速原理来实现速度控制。,18,第3章 步进电动机的控制,第1节 步进电动机的工作原理及驱动方法 第2节 步进电动机的开、闭环控制 第3节 步进电动机的最佳点-位控制 第4节 步进电动机控制的程序设计,19,步进电动机控制的程序设计一般分为如下几个步骤： 根据总体设计，确定程序设计的功能要求（如速度控制：加速

14、、匀速、减速；方向控制等）；设计程序的算法流程图；程序的设计、调试和测试；系统的联调。 在步进电动机的微机控制系统中，微机代替了步进控制器。用微机控制步进电机。主要解决如下几个问题：,(1) 用软件的方法产生脉冲序列； (2) 步进电机的方向控制； (3) 步进电机控制程序设计。,20,一、步进电机控制信号的产生 在步进电机控制软件中必须解决一个重要问题，就是产生一个如图3-26所示的周期性脉冲序列： 由软件实现脉冲波的方法是先输出一高电平，然后再利用软件延时一段时间，然后输出低电平，再延时。延时时间的长短由步进电机的工作频率来决定。,21,从步进电动机的工作原理知，步进电机旋转方向由内部绕组

15、的通电相序决定（方向控制），转速与脉冲频率成正比（速度控制），转角大小与脉冲个数有关（位置控制）。 步进电机程序设计的主要任务是： （1） 判断旋转方向； （2） 按顺序传送控制脉冲； （3） 判断所要求的控制步进数是否传送完毕。 下面主要介绍位置控制和加、减速控制程序。,二、步进电机的运行控制及程序设计,22,步进电机控制程序就是完成环形分配器的任务，控制步进电动机的转动，以达到控制转动角度和相位的目的。 首先要进行旋转方向的判别，然后转到相应的控制程序。正反向控制程序分别按要求的控制顺序输出相应的控制脉冲，再加上脉冲延时程序即可。脉冲序列的个数可以用寄存器CL进行计数。控制模型可以以立即数

16、的形式给出。 例：所有的操作都发生在定时中断程序，每中断一次，P1.0翻转一次，两次中断步进电机走一步。 30H、31H存放定时常数，低位在前； 32H34H存放绝对位置参数，低位在前； 35H、36H存放步数，低位在前；,（一）步进电机的位置控制程序设计,23,图3-27 位置控制程序流程图,24,步进电动机驱动执行机构从起点到终点时，要经历升速-恒速-减速的过程。如图3-24、3-25所示。速度离散后并不是一直上升的，而是每升一级都要在该级上保持一段时间，因此实际加速轨迹呈阶梯状。如果速度是等间距分布，那么在该速度级上保持的时间不一样长。为了简化，我们用速度级数与一个常数的乘积来模拟，并且保持的时间用步数代替。因此速度每升一级，步进电机都要在该级上走步（其中为速度级数）。如图3-28所示。减速过程是加速时的逆过程。,（二）步进电机的加、减速控制程序设计,25,主要参数有： 速度级数：R1=N； 级步数：R2=NC； 加速过程的总步数：35H、36H 恒速过程的总步数:37H-39H 减速过程的总步数:3AH