計算機控制系統(tǒng)步進電機實驗報告 曹健

步進控制實驗報告姓名：曹健學號：200707201133專業(yè)班級：B07072011其他組員：林杉、盧維指導老師：章紅2010年7月5日目錄步進電機工作原理簡介1.1、步進電機工作原理簡介1.2、四相步進電機的工作原理簡介第二章步進電機系統(tǒng)具體設(shè)計過程與實現(xiàn)2.1系統(tǒng)設(shè)計2.1.1步進電機運動規(guī)律及速度控制方法2.1.2步進電機的速度特性2.1.3步進電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1.4步進電機起動及加/減速控制方案2.1.5步進電機的換向2.1.6定時器初值的確定2.1.7步進電機升降速數(shù)學模型2.2完成方式2.3實驗過程課程設(shè)計體會第四章參考資料第一章步進電機工作原理簡介1.1、步進電機工作原理簡介：步進電機是一種能將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移或線位移的執(zhí)行元件，它實際上是一種單相或多相同步電機。電脈沖信號通過環(huán)形脈沖分配器，勵磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流和直流電源接通后，就會在空間形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度(稱為步距角)，在正常運行情況下，電機轉(zhuǎn)過的總角度與輸入的脈沖數(shù)成正比；電機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率保持嚴格的對應(yīng)關(guān)系,步進電機的旋轉(zhuǎn)同時與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)；電機的運動方向由脈沖相序控制。因為步進電機不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認為是理想的數(shù)控執(zhí)行元件。廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、打印繪圖儀等數(shù)控設(shè)備中。1.2、四相步進電機的工作原理簡介：該步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖。圖1四相步進電機步進示意圖開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b、c所示：圖2.步進電機工作時序波形圖步進電機系統(tǒng)具體設(shè)計過程與實現(xiàn)2.1系統(tǒng)設(shè)計2．1.1步進電機運動規(guī)律及速度控制方法步進電機和普通電機的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動的形式，必須使用專用的步進電機驅(qū)動控制器。正是這個特點步進電機可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。如圖3所示，它一般有脈沖發(fā)生單元、脈沖分配單元、功率驅(qū)動單元保護和反饋單元組成。除功率驅(qū)動單元以外，其他部分越來越趨向用軟件實現(xiàn)。圖32.1.2步進電機的速度特性軟件控制方法（并行控制）步進電機的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。其角速度與脈沖頻率成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運行拍數(shù)一定的情況下，只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進電機是借助它的同步轉(zhuǎn)矩而啟動的，為了不發(fā)生失步，啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加，轉(zhuǎn)子直徑增大，慣量增大，啟動頻率和最高運行頻率可能相差10倍之多。為了充分發(fā)揮電機的快速性能，通常使電機在低于啟動頻率下啟動，然后逐步增加脈沖頻率直到所希望的速度，所選擇的變化速率要保證電機不發(fā)生失步，并盡量縮短啟動加速時間。為了保證電機的定位精度，在停止以前必須使電機從最高速度逐步減小脈沖率降到能夠停止的速度(等于或稍大于啟動速度)。因此，步進電機拖動負載高速移動一定距離并精確定位時，一般來說都應(yīng)包括“啟動-加速-高速運行(勻速)-減速-停止”五個階段，速度特性通常為梯形，如果移動的距離很短則為三角形速度特性，如圖4所示。該實驗系統(tǒng)中的脈沖分配器由軟件實現(xiàn)的，由數(shù)據(jù)采集卡中的DO1～DO4作為并行驅(qū)動驅(qū)動，驅(qū)動四相反應(yīng)式步進電機。如電機以四相八拍方式工作，正轉(zhuǎn)時相狀態(tài)是：AABBBCCCDDDAA。圖4步進電機的速度曲線2.1.3步進電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PC機在適當?shù)臅r刻通過對硬件控制電路上的8253計數(shù)器0賦初值，設(shè)置好加減速過程的頻率變化(即速度、加速度變化)，以防止失步。例如，在點位控制中設(shè)置好速度曲線圖，在起動和升速時，使步進電機產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動負載，跟上規(guī)定的速度和加速度;在減速時，下降特性使負載不產(chǎn)生過沖，停止在規(guī)定的位置。硬件控制電路板上的8253產(chǎn)生脈沖方波作為中斷信號源，啟動細分驅(qū)動電路中的固化程序以產(chǎn)生一定頻率的脈沖，經(jīng)功率放大后驅(qū)動步進電機運動。步進電機運動方向的改變及啟動和停止均由計算機控制硬件控制電路實現(xiàn)。圖5步進電機控制系統(tǒng)軟件和硬件結(jié)合起來一起進行控制，具有電路簡單、控制方便等優(yōu)點。在這種控制中，微機軟件占用的存儲單元少，程序開發(fā)不受定時限制。只要外部中斷允許，微機就能在電機的每一步之間自由地執(zhí)行其他任務(wù)，以實現(xiàn)多臺步進電機的運動控制。2.1.4步進電機起動及加/減速控制方案步進電動機的最高起動頻率（突跳頻率）一般為0.1KHz到3-4KHz，而最高運行頻率則可以達到N*102KHz。以超過最高起動頻率的頻率直接起動，將出現(xiàn)"失步"現(xiàn)象，甚至無法起動。較為理想的起動曲線，應(yīng)是按指數(shù)規(guī)律起動。但實際應(yīng)用對起動段的處理可采用按直線擬合的方法，即"階梯升速法"?？砂磧煞N情況處理，①已知突跳頻率則按突跳頻率分段起動，分段數(shù)n=f/fq。②未知突跳頻率，則按段擬合至給定的起動頻率，每段頻率的遞增量（后稱階梯頻率）△f=f/8,即采用8段擬合。在運行控制過程中，將起始的速度（頻率）分為n分作為階梯頻率，采用"階梯升速法"將速度連續(xù)升到所需要的速度，然后鎖定，按預(yù)置的曲線運行。如圖6所示：圖6階梯升速起動用單片機實現(xiàn)步進電機的加/減速控制，實際上就是控制發(fā)脈沖的頻率，升速時，使脈沖頻率增高，減速時相反。如果使用定時中斷來控制電機的速度，加減速控制就是不斷改變定時器的初值。速度從V1→V2如果是線性增加，則按給定的斜率升/降速；如果是突變，則按"階梯升速法"處理。在此過程中要處理好兩個問題：①速度轉(zhuǎn)換時間應(yīng)盡量短；為了縮短速度轉(zhuǎn)換的時間，可以采用建立數(shù)據(jù)表的方法。，結(jié)合各曲線段的頻率和各段間的階梯頻率便可以建立一個連續(xù)的數(shù)據(jù)表，并通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為定時初值表。通過在不同的階段調(diào)用相應(yīng)的定時初值，控制電機的運行。定時初值的計算是在定時中斷外實現(xiàn)的，并不占用中斷時間，保證電機的高速運行。②保證控制速度的精確性；要從一個速度準確達到另外一個速度，就要建立一個校驗機制，以防超過或未達到所需速度。2.1.5步進電機的換向問題步進電機換向時，一定要在電機降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)再換向，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機。換向信號一定要在前一個方向的最后一個CP脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第一個CP脈沖前發(fā)出。如圖7所示。對于CP脈沖的設(shè)計主要要求其有一定的脈沖寬度（一般不小于5μs）、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。圖7在某一高速下的正、反向切換實質(zhì)包含了降速→換向→升速三個過程。2.1.6定時器初值的確定步進電機的實時控制運用PC機，脈沖方波的產(chǎn)生采用8253定時器，其計數(shù)器0工作于方式0以產(chǎn)生脈沖方波，計數(shù)器1工作于方式1起記數(shù)作用，8253計數(shù)器0的鐘頻由2MHz晶振提供。設(shè)計算機賦給8253計數(shù)器0的初值為D1，則產(chǎn)生的脈沖方波頻率為f1=f0/D1，周期為T1=1/f1=D1/f0，D1=f0T1=f0/f1。其中，f1為啟動頻率，f0為晶振頻率。單片機控制步進電機時也可以運用類似方式。2.1.7步進電機升降速數(shù)學模型為使步進電機在運行中不出現(xiàn)失步現(xiàn)象，一般要求其最高運行頻率應(yīng)小于(或等于)步進響應(yīng)頻率fs。在該頻率下，步進電機可以任意啟動、停止或反轉(zhuǎn)而不發(fā)生失步現(xiàn)象。步進電機升降速有兩種驅(qū)動方式，即三角形與梯形驅(qū)動方式(見圖1)，而三角形驅(qū)動方式是梯形驅(qū)動的特例，因而我們只要研究梯形方式。電機的加速和減速是通過計算機不斷地修改定時器初值來實現(xiàn)的。在電機加速階段，從啟動瞬時開始，每產(chǎn)生一個脈沖，定時器初值減小某一定值，則相應(yīng)的脈沖周期減小，即脈沖頻率增加;在減速階段，定時器初值不斷增加，則相應(yīng)的脈沖周期增大，脈沖頻率減小，對應(yīng)梯形脈沖頻率特性的減速階段。該設(shè)計的關(guān)鍵是確定脈沖定時tn，脈沖時間間隔即脈沖周期Tn和脈沖頻率fn。假設(shè)從啟動瞬時開始計算脈沖數(shù)，加速階段的脈沖數(shù)為n，并設(shè)啟動瞬時為計時起點，定時器初值為D1，定時器初值的減量為△。從加速階段的物理過程可知，第一個脈沖周期，即啟動時的脈沖周期T1=D1/f0，t1=0。由于定時器初值的修改，第2個脈沖周期T2=(D1-△)/f0=T1-△/f0，脈沖定時t2=T1，則第n個脈沖的周期為：Tn=T1-(n-1)△/f0(1)脈沖定時為：(2)脈沖頻率為：1/fn=Tn=T1-(n-1)△/f0(3)上式分別顯示了脈沖數(shù)n與脈沖頻率fn和時間tn的關(guān)系。令△/f0=δ，即加速階段相鄰兩脈沖周期的減量，則上述公式簡化為：tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)δ/2(4)1/fn=T1-(n-1)δ(5)聯(lián)立(4)、(5)，并簡化fn與tn的關(guān)系，得出加速階段的數(shù)學模型為：(6)其中，是常數(shù)，其值與定時器初值及定時器變化量有關(guān)，A=-δ,B=(2T1+δ)2,C=8δ。加速階段脈沖頻率的變化為：(7)從(6)、(7)式可以看出，在加速階段，脈沖頻率不斷升高，且加速度以二次函數(shù)增加。這種加速方法對步進電機運行十分有利，因為啟動時，加速度平緩，一旦步進電機具有一定的速度，加速度增加很快。這樣一方面使加速度平穩(wěn)過渡，有利于提高機器的定位精度，另一方面可以縮短加速過程，提高快速性能。對于減速階段，按照與上述類似的分析方法，可以得出脈沖頻率特性的表達方式為：(8)(9)其中，A=-δ,B=(2T1-δ)2,C=8δ，T1為減速開始時脈沖周期，δ為減速階段相鄰兩個脈沖周期的增量。由于T1>>δ，則B=4T12，由(8)、(9)式可以看出，脈沖頻率在減速階段不斷下降，且加速度為負，絕對值以二次函數(shù)減小。這種減速性能對步進電機同樣有利，它使步進電機在減速時能夠平穩(wěn)地停止而沒有沖擊，提高了機器的定位精度。綜上所述，可以得出本設(shè)計的脈沖頻率特性(見圖6)。圖6脈沖頻率特性2.2實驗完成方式實驗實現(xiàn)的方式主要是程序的編寫。按語言方式可分為：VB，匯編，C。具體實現(xiàn)如下：2.2.1四相八拍ＶＢ腳本程序dimnsubInitialize(arg)SetDOFALSE,1SetDOFALSE,2SetDOFALSE,3SetDOFALSE,4endsubsubTakeOneStep(arg)n=n+1ifn=1thenSetDOTRUE,1SetDOFALSE,2SetDOFALSE,3SetDOFALSE,4endififn=2thenSetDOTRUE,1SetDOTRUE,2SetDOFALSE,3SetDOFALSE,4endififn=3thenSetDOFALSE,1SetDOTRUE,2SetDOFALSE,3SetDOFALSE,4endififn=4thenSetDOFALSE,1SetDOTRUE,2SetDOTRUE,3SetDOFALSE,4endififn=5thenSetDOFALSE,1SetDOFALSE,2SetDOTRUE,3SetDOFALSE,4endififn=6thenSetDOFALSE,1SetDOFALSE,2SetDOTRUE,3SetDOTRUE,4endififn=7thenSetDOFALSE,1SetDOFALSE,2SetDOFALSE,3SetDOTRUE,4endififn=8thenSetDOTRUE,1SetDOFALSE,2SetDOFALSE,3SetDOTRUE,4n=0endifendsubsubFinalize(arg)SetDOFALSE,1SetDOFALSE,2SetDOFALSE,3SetDOFALSE,4endsub2.2.2四相八拍匯編程序ORG0000H LJMPMAIN ORG0030HMAIN:JNBP3.0,FWD；p3.0口控制電機的正轉(zhuǎn)JNBP3.1,BCK；p3.1口控制電機的反轉(zhuǎn) JNBP3.3,SPEED；p3.3口控制電機的加速LJMPMAIFWD:MOVR0,#0；控制電動機正轉(zhuǎn)程序段FWD1:MOVDPTR,#FORW；將控制電機正轉(zhuǎn)的表頭地址送入DPTRMOVA,R0MOVCA,@A+DPTR;將表頭數(shù)據(jù)址送入累加器A中JZFWD比較累加器中內(nèi)容是否為0，如為0則跳轉(zhuǎn)至FWD；RLAMOVP1,A；P1.1、P1.2、P1.3、P1.4與步進電機A,B,C,D相連接并控制轉(zhuǎn)動方式LCALLDELAY；調(diào)用延時程序JNBP3.2,MAIN；判斷P3.2位是否為0，為0則轉(zhuǎn)移至MAIN，電機停止 JNBP3.3,SPEED；判斷P3.3位是否為0，為0則轉(zhuǎn)移；電機正向加速INCR0LJMPFWD1；程序循環(huán)，電機循環(huán)轉(zhuǎn)動BCK:MOVR0,#0；控制電動機反轉(zhuǎn)程序段BCK1:MOVA,R0MOVDPTR,#BACKMOVCA,@A+DPTRJZBCKRLAMOVP1,ALCALLDELAYJNBP3.2,MAIN JNBP3.3,SPDINCR0LJMPBCK1DELAY:MOVR2,#0C8HMOVR4,#05HLOOP1:MOVR3,#0F9HNOPLOOP2:DJNZR3,LOOP2DJNZR2,LOOP1DJNZR4,LOOP1RETSPEED:MOVR0,#0；控制電動機加速程序段FWD2:MOVDPTR,#FORWMOVA,R0MOVCA,@A+DPTRJZSPEEDRLAMOVP1,A LCALLDELAY1JNBP3.2,MAIN INCR0LJMPFWD2DELAY1:MOVR2,#0C8HMOVR4,#02HLOOP3:MOVR3,#0F9HNOPLOOP4:DJNZR3,LOOP4DJNZR2,LOOP3DJNZR4,LOOP3RETMAI:JNBP3.0,FWDJNBP3.1,BCK JNBP3.3,SPEEDLJMPMAISPD:MOVR0,#0BCK2:MOVA,R0MOVDPTR,#BACKMOVCA,@A+DPTRJZSPDRLAMOVP1,ALCALLDELAY1JNBP3.2,MAI JNBP3.3,SPDINCR0LJMPBCK2FORW:DB01H,09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,00H；步進電機四相八拍正轉(zhuǎn)通電方式BACK:DB01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H,00H；步進電機四相八拍反轉(zhuǎn)通電方式 END2.2.2實驗過程開始我們直接用THBCC-1實驗平臺