計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)12013113 段軍合1. 參考書(shū)目：書(shū)名：步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)入門 王鴻鈺 編著2. 主要內(nèi)容：2.1 步進(jìn)電機(jī)介紹步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得步進(jìn)電機(jī)在速度、位置等控制領(lǐng)域的控制操作非常簡(jiǎn)單。雖然步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用廣泛，但它并不像普通的直流和交流電機(jī)那樣在常規(guī)狀態(tài)下使用，它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用.因此.用

2、好步進(jìn)電機(jī)也非易事，它涉及機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。2.2步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)主要由兩部分構(gòu)成定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成。 以三相為例其定子和轉(zhuǎn)子上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極。 定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相。步進(jìn)電機(jī)剖視圖2.3 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)有三線式、五線式和六線式，但其控制方式均相同，都要以脈 沖信號(hào)電流來(lái)驅(qū)動(dòng).假設(shè)每旋轉(zhuǎn)一圈需要200個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)勵(lì)磁，可以計(jì)算出每個(gè)勵(lì)磁信號(hào)能使步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)1.8°。其旋轉(zhuǎn)角度與脈沖的個(gè)數(shù)成正比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)由勵(lì)磁脈沖產(chǎn)生的順序來(lái)控制。六線式四相步進(jìn)電機(jī)是比較常見(jiàn)的，它的控制等效電路如

3、下圖所示。它有4條勵(lì)磁信號(hào)引線A,/A，B,/B 通過(guò)控制這4條引線上勵(lì)磁脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻，即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng).每出現(xiàn)一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)只走一步。因此，只要依序不斷送出脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就能實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。2.4 勵(lì)磁方式步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式分為全步勵(lì)磁和半步勵(lì)磁兩種。其中全步勵(lì)磁又有一相勵(lì)磁和二相勵(lì)磁之分;半步勵(lì)磁又稱一二相勵(lì)磁。假設(shè)每旋轉(zhuǎn)一圈需要200個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)勵(lì)磁，可以計(jì)算出每個(gè)勵(lì)磁信號(hào)能使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前進(jìn)1.8°。簡(jiǎn)要介紹如下。一相勵(lì)磁在每一瞬間，步進(jìn)電機(jī)只有一個(gè)線圈導(dǎo)通.每送一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1.8，這是三種勵(lì)磁方式中最簡(jiǎn)單的一種。其特點(diǎn)是:精確度好、消耗電力小，

4、但輸出轉(zhuǎn)矩最小，振動(dòng)較大。如果以該方式控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁順序如下表所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。表中的1和0表示送給電機(jī)的高電平和低電平。二相勵(lì)磁在每一瞬間，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通。每送一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1.8。其特點(diǎn)是:輸出轉(zhuǎn)矩大，振動(dòng)小，因而成為目前使用最多的勵(lì)磁方式。如果以該方式控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁順序見(jiàn)下表。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。一二相勵(lì)磁為一相勵(lì)磁與二相勵(lì)磁交替導(dǎo)通的方式。每送一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)0.9。其特點(diǎn)是:分辨率高，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，故應(yīng)用也很廣泛。如果以該方式控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁順序見(jiàn)下表。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，

5、則步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。微處理機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)負(fù)載運(yùn)用微處理機(jī)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng) 2.5 步進(jìn)電機(jī)的控制要點(diǎn) 開(kāi)環(huán)控制 上圖是典型的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的方框團(tuán)?？刂菩盘?hào)可以由微處理機(jī)產(chǎn)生， 也可以用某種形式的時(shí)序電路產(chǎn)生。不管這種信號(hào)怎樣產(chǎn)生，設(shè)計(jì)者都需要 知道它在定時(shí)上有些什么限制。例如：特定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的最高步進(jìn)頻率；又 如：電機(jī)加速負(fù)載慣量的時(shí)間等。 開(kāi)環(huán)控制方案中，負(fù)載位置對(duì)控制電路沒(méi)有反饋，因此，步進(jìn)電機(jī)必須 正確地響應(yīng)每次激磁變化。如果激磁變化太快，電機(jī)不能夠移動(dòng)到新的要求 的位置，那么，實(shí)際的負(fù)載位置相對(duì)控制器所期待的位置將出現(xiàn)永久誤差。 如果負(fù)載參數(shù)基本上不隨時(shí)間變化，則相控制信號(hào)的定時(shí)比較簡(jiǎn)單。但是，

6、在負(fù)載可能變化的應(yīng)用場(chǎng)合中，定時(shí)必須以最壞(即始大負(fù)載)情況進(jìn)行設(shè) 定。當(dāng)然，這樣確定的控制方案對(duì)所有共他負(fù)載并非站住。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，成本低。 閉環(huán)控制 在閉環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)里，不斷檢測(cè)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置，并把它反 饋到控制單元上。每一步命令都在電機(jī)令人滿意地響應(yīng)了前面的命令后才 發(fā)出， 因此，電機(jī)不可能失步。啟動(dòng)控制單元相序發(fā)生器電機(jī)負(fù)載位置檢測(cè)器步進(jìn)命令減法計(jì)數(shù)器制動(dòng)停止啟動(dòng)時(shí)送數(shù)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng) 第一步快定到時(shí)，位置檢測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)送到減法計(jì)數(shù)器和控制單元去 的脈沖。減法計(jì)數(shù)器減一，即負(fù)載相對(duì)目標(biāo)的位置減一。注意：開(kāi)環(huán)控 制時(shí)，減法計(jì)數(shù)器只記錄需要送給電機(jī)的步進(jìn)命令數(shù)，并不保證這些步

7、數(shù) 是否已經(jīng)執(zhí)行。而閉環(huán)控制小，減法計(jì)數(shù)器記錄的是實(shí)際的負(fù)載位置。 送到控制單元的位置檢測(cè)脈沖用來(lái)產(chǎn)生下一步命令。負(fù)載越重，達(dá)到 第一步位置所花的時(shí)間越氏，相繼的步進(jìn)命令之間的時(shí)間間隔也越長(zhǎng)，自 動(dòng)適應(yīng)了比較慢的加速速率。與外環(huán)控制一樣，電機(jī)最終能達(dá)到的最高工 作頻率由電機(jī)和負(fù)載特性決定。 電機(jī)開(kāi)始減速的時(shí)刻出減法計(jì)數(shù)器決定。減速期間，執(zhí)行的步數(shù)取決 于負(fù)載條件。慣量大、轉(zhuǎn)矩小的負(fù)載比慣量小、轉(zhuǎn)矩大的負(fù)載需要更多步 數(shù)減速。不過(guò)，通常以最壞的負(fù)載條件來(lái)設(shè)定減速期間執(zhí)行的步數(shù)。如果 實(shí)際的負(fù)載條件沒(méi)有最壞條件那么嚴(yán)重，那末，系統(tǒng)在達(dá)到目標(biāo)位置前的 步進(jìn)速率將低下啟停頻率，故能可靠停止。當(dāng)減法計(jì)數(shù)

8、器為零時(shí)，表示要 求的步數(shù)已經(jīng)執(zhí)行完。這時(shí)，減法計(jì)數(shù)器發(fā)一個(gè)停止信號(hào)給控制單元，禁 止以后的步進(jìn)命令，系統(tǒng)工作告一段落。 由此可見(jiàn)，閉環(huán)控制的激磁定時(shí)隨負(fù)載條件而改變，它能夠產(chǎn)生接近 最佳的速度曲線和快速對(duì)負(fù)載定位。對(duì)許多用戶來(lái)講，直接監(jiān)視負(fù)載位置 是這種控制方式的最有吸引力的特性。這種特性使步進(jìn)命令和轉(zhuǎn)子位置之 間不可能失步，即使在最壞的負(fù)載條件下也如此。 閉環(huán)系統(tǒng)中，位置檢測(cè)器常用光學(xué)傳感器嚨波形檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)。光學(xué) 檢測(cè)是傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，但成本高，特別對(duì)小步距角的電機(jī)而言。波形檢 測(cè)法是新的檢測(cè)方案之一。它利用動(dòng)生電壓對(duì)相電流的調(diào)制來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的 位置。3. 重點(diǎn)內(nèi)容3.1 齒距角、步距角和

9、轉(zhuǎn)速大小與什么有關(guān)？ 步距角：指當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按 設(shè) 定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步 一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá) 到準(zhǔn)確定位的目的。以表示。它不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的 影響，也不受溫度、振動(dòng)等環(huán)環(huán)境因素的干擾。 計(jì)算：步距角的大小由轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、運(yùn)行相數(shù)m所決定。他們之間 可表示為： 齒距角t: 步距角: 意義：步距角越小，精確度越高。 增加相數(shù)和增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)都可以減少步距角，目前多用增加齒數(shù) 方法減小步距角。 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 (r/min)3.2 3相步進(jìn)電機(jī)的三種工作方式下定子繞組的通電順序?三相單三拍 其

10、通電順序?yàn)?ABCA。“三相”是指三相步進(jìn)電機(jī),“單”是指每次只有一盯繞組通電,“三拍”是指三種通電狀態(tài)為一具循環(huán)。這種方式每次只有一相通電,容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置上發(fā)生振蕩,穩(wěn)定性不好.而且在轉(zhuǎn)換時(shí),由于一相斷電時(shí),另一相剛開(kāi)始通電,易失步（指不能嚴(yán)格地對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一步）,因而不常采用這種通電方式。雙相雙三拍 其通電順序?yàn)锳BBCCACB。這種通電方式由于兩相同時(shí)通電,轉(zhuǎn)子受到的感應(yīng)力矩大,靜態(tài)誤差小,定位精度高,而且轉(zhuǎn)換時(shí)始終有一相通電,可以工作穩(wěn)定,不易失步.三相六拍 其通電順序?yàn)锳ABBBCCCAA。這是單、雙相輪流通電的方式,它具有雙一拍的特點(diǎn),且由于通電狀態(tài)數(shù)增加一倍,而使步距角減

11、少一倍。 3.3 步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)(1)步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo) 相數(shù)電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)。目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同。一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°，三相為0.75°/1.5°、五相為0.36°/0.72°。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求.如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則“相數(shù)”將變得沒(méi)有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 步距角表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86BYG250

12、A型電機(jī)的值為0.9°/1.8°(表示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°)，這個(gè)步距角可稱為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 拍數(shù)完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài).或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角所需脈沖數(shù)。以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式，即AB-BC-CD-DA-AB:四相八拍運(yùn)行方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 定位轉(zhuǎn)矩電機(jī)在不通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成). 保持轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的

13、參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō)2N·m的步進(jìn)電機(jī)時(shí)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下，是指保持轉(zhuǎn)矩為2N·m的步進(jìn)電機(jī)。(2)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)步距角精度步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差，用百分比表示:誤差/步距角X100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。失步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)，稱為失步。失調(diào)角轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度.電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。最大空載起動(dòng)頻率電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。最大空載運(yùn)行頻率電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。運(yùn)行矩頻特性電機(jī)在某種測(cè)試條件下，測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性。它是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)，如圖所示。電機(jī)一但選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然.電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流(而非靜態(tài)電流)，平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大.即電機(jī)的頻率特性越硬。 力矩與頻率關(guān)系曲線 其中:曲線3電流最大或電壓最