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1、 步进控制实验报告姓 名：健学 号：200707201133专业班级：B07072011 其他组员：林杉、卢维 指导教师： 章红2010年7月5日目录第一章 步进电机工作原理简介1.1、步进电机工作原理简介1.2、四相步进电机的工作原理简介第二章 步进电机系统具体设计过程与实现2.1系统设计2.1.1步进电机运动规律及速度控制方法2.1.2步进电机的速度特性2.1.3 步进电机控制系统构造2.1.4 步进电机起动及加/减速控制方案2.1.5 步进电机的换向2.1.6定时器初值确实定2.1.7步进电机升降速数学模型2.2完成方式2.3实验过程第三章 课程设计体会第四章 参考资料第一章 步进电机工
2、作原理简介1.1、步进电机工作原理简介：步进电机是一种能将电脉冲信号转换成机械角位移或线位移的执行元件，它实际上是一种单相或多一样步电机。电脉冲信号通过环形脉冲分配器，励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子转过一定角度(称为步距角)，在正常运行情况下，电机转过的总角度与输入的脉冲数成正比；电机的转速与输入脉冲频率保持严格的对应关系, 步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关；电机的运动方向由脉冲相序控制。因为步进电机不需要A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理
3、想的数控执行元件。广泛应用于数控机床、打印绘图仪等数控设备中。1.2、四相步进电机的工作原理简介：该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按适宜的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反响式步进电机工作原理示意图。图1 四相步进电机步进示意图开场时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、
4、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，那么转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：图2.步进电机工作时序波形图第二章 步进电机系统具体设计过程与实现2.1系统设计21.1步进电机运动规律及速度控制方法步进电机和普通电机的区别主要
5、就在于其脉冲驱动的形式，必须使用专用的步进电机驱动控制器。正是这个特点步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。如图3所示，它一般有脉冲发生单元、脉冲分配单元、功率驱动单元保护和反响单元组成。除功率驱动单元以外，其他局部越来越趋向用软件实现。图32.1.2步进电机的速度特性 软件控制方法并行控制步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步转矩而启动的，为了不发生失步，启动频率是不高的。特别是随着功率的增加，转子直径增大，惯量增大，启动频率和最高运行
6、频率可能相差10倍之多。为了充分发挥电机的快速性能，通常使电机在低于启动频率下启动，然后逐步增加脉冲频率直到所希望的速度，所选择的变化速率要保证电机不发生失步，并尽量缩短启动加速时间。为了保证电机的定位精度，在停顿以前必须使电机从最高速度逐步减小脉冲率降到能够停顿的速度(等于或稍大于启动速度)。因此，步进电机拖动负载高速移动一定距离并准确定位时，一般来说都应包括“启动-加速-高速运行(匀速)-减速-停顿五个阶段，速度特性通常为梯形，如果移动的距离很短那么为三角形速度特性，如图4所示。该实验系统中的脉冲分配器由软件实现的，由数据采集卡中的DO1DO4作为并行驱动驱动，驱动四相反响式步进电机。如电
7、机以四相八拍方式工作，正转时相状态是：A ABB BC C CD D DA A。图4 步进电机的速度曲线2.1.3 步进电机控制系统构造PC机在适当的时刻通过对硬件控制电路上的8253计数器0赋初值，设置好加减速过程的频率变化(即速度、加速度变化)，以防止失步。例如，在点位控制中设置好速度曲线图，在起动和升速时，使步进电机产生足够的转矩驱动负载，跟上规定的速度和加速度;在减速时，下降特性使负载不产生过冲，停顿在规定的位置。硬件控制电路板上的8253产生脉冲方波作为中断信号源，启动细分驱动电路中的固化程序以产生一定频率的脉冲，经功率放大后驱动步进电机运动。步进电机运动方向的改变及启动和停顿均由计
8、算机控制硬件控制电路实现。图5 步进电机控制系统软件和硬件结合起来一起进展控制，具有电路简单、控制方便等优点。在这种控制中，微机软件占用的存储单元少，程序开发不受定时限制。只要外部中断允许，微机就能在电机的每一步之间自由地执行其他任务，以实现多台步进电机的运动控制。2.1.4 步进电机起动及加/减速控制方案步进电动机的最高起动频率突跳频率一般为0.1KHz到3-4KHz，而最高运行频率那么可以到达N*102 KHz。以超过最高起动频率的频率直接起动，将出现失步现象，甚至无法起动。较为理想的起动曲线，应是按指数规律起动。但实际应用对起动段的处理可采用按直线拟合的方法，即阶梯升速法。可按两种情况处
9、理，突跳频率那么按突跳频率分段起动，分段数n=f/fq。未知突跳频率，那么按段拟合至给定的起动频率，每段频率的递增量后称阶梯频率f=f/8,即采用8段拟合。在运行控制过程中，将起始的速度频率分为n分作为阶梯频率，采用阶梯升速法将速度连续升到所需要的速度，然后锁定，按预置的曲线运行。如图6所示：图6 阶梯升速起动用单片机实现步进电机的加/减速控制，实际上就是控制发脉冲的频率，升速时，使脉冲频率增高，减速时相反。如果使用定时中断来控制电机的速度，加减速控制就是不断改变定时器的初值。速度从V1V2如果是线性增加，那么按给定的斜率升/降速；如果是突变，那么按阶梯升速法处理。在此过程中要处理好两个问题：
10、速度转换时间应尽量短；为了缩短速度转换的时间，可以采用建立数据表的方法。，结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率便可以建立一个连续的数据表，并通过转换程序将其转换为定时初值表。通过在不同的阶段调用相应的定时初值，控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的，并不占用中断时间，保证电机的高速运行。保证控制速度的准确性；要从一个速度准确到达另外一个速度，就要建立一个校验机制，以防超过或未到达所需速度。2.1.5 步进电机的换向问题步进电机换向时，一定要在电机降速停顿或降到突跳频率围之再换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲完毕后以及下一个方向的第一个C
11、P脉冲前发出。如图7所示。对于CP脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度一般不小于5s、脉冲序列的均匀度及上下电平方式。 图7在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速换向升速三个过程。2.1.6定时器初值确实定步进电机的实时控制运用PC机，脉冲方波的产生采用8253定时器，其计数器0工作于方式0以产生脉冲方波，计数器1工作于方式1起记数作用，8253计数器0的钟频由2MHz晶振提供。设计算机赋给8253计数器0的初值为D1，那么产生的脉冲方波频率为f1=f0/D1，周期为T1=1/f1=D1/f0，D1=f0T1=f0/f1。其中，f1为启动频率，f0为晶振频率。单片机控制步进电机时也可以运用类
12、似方式。2.1.7步进电机升降速数学模型为使步进电机在运行中不出现失步现象，一般要求其最高运行频率应小于(或等于)步进响应频率fs。在该频率下，步进电机可以任意启动、停顿或反转而不发生失步现象。 步进电机升降速有两种驱动方式，即三角形与梯形驱动方式(见图1)，而三角形驱动方式是梯形驱动的特例，因而我们只要研究梯形方式。电机的加速和减速是通过计算机不断地修改定时器初值来实现的。在电机加速阶段，从启动瞬时开场，每产生一个脉冲，定时器初值减小某一定值，那么相应的脉冲周期减小，即脉冲频率增加;在减速阶段，定时器初值不断增加，那么相应的脉冲周期增大，脉冲频率减小，对应梯形脉冲频率特性的减速阶段。该设计的
13、关键是确定脉冲定时tn，脉冲时间间隔即脉冲周期Tn和脉冲频率fn。假设从启动瞬时开场计算脉冲数，加速阶段的脉冲数为n，并设启动瞬时为计时起点，定时器初值为D1，定时器初值的减量为。从加速阶段的物理过程可知，第一个脉冲周期，即启动时的脉冲周期T1=D1/f0，t1=0。由于定时器初值的修改，第2个脉冲周期T2=(D1-)/f0=T1-/f0，脉冲定时t2=T1，那么第n个脉冲的周期为：Tn=T1-(n-1)/f0 (1)脉冲定时为：(2) 脉冲频率为：1/fn=Tn=T1-(n-1)/f0 (3)上式分别显示了脉冲数n与脉冲频率fn和时间tn的关系。令/f0=，即加速阶段相邻两脉冲周期的减量，那
14、么上述公式简化为：tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)/2 (4)1/fn=T1-(n-1) (5)联立(4)、(5)，并简化fn与tn的关系，得出加速阶段的数学模型为：(6) 其中，是常数，其值与定时器初值及定时器变化量有关，A=-, B=(2T1+)2,C=8。加速阶段脉冲频率的变化为：(7) 从(6)、(7)式可以看出，在加速阶段，脉冲频率不断升高，且加速度以二次函数增加。这种加速方法对步进电机运行十分有利，因为启动时，加速度平缓，一旦步进电机具有一定的速度，加速度增加很快。这样一方面使加速度平稳过渡，有利于提高机器的定位精度，另一方面可以缩短加速过程，提高快速性能。对于减速阶段，
15、按照与上述类似的分析方法，可以得出脉冲频率特性的表达方式为：(8) (9) 其中，A=-, B=(2T1-)2,C=8，T1为减速开场时脉冲周期，为减速阶段相邻两个脉冲周期的增量。由于T1，那么B=4T12，由(8)、(9)式可以看出，脉冲频率在减速阶段不断下降，且加速度为负，绝对值以二次函数减小。这种减速性能对步进电机同样有利，它使步进电机在减速时能够平稳地停顿而没有冲击，提高了机器的定位精度。综上所述，可以得出本设计的脉冲频率特性(见图6)。图6 脉冲频率特性2.2 实验完成方式实验实现的方式主要是程序的编写。按语言方式可分为：VB，汇编，C。具体实现如下：2.2.1 四相八拍脚本程序 / dim nsub Initialize(arg)SetDO FALSE ,1SetDO FALSE ,2SetDO FALSE,3SetDO FALSE ,4end subsub TakeOneStep (arg)n
