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基于單片機步進電機速度控制研究

  
評論: 更新日期:2015年04月11日

?本文對步進機一個全面的介紹,再基于單片機對步進電機的控制。本文采用硬件控制系統(tǒng),通過單片機MC9S12XS128與光電編碼器對步進電機進行速度的控制。最后對步進電機的速度曲線進行研究。
? ? 步進電機又稱為脈沖電動機或者階躍電動機,作為執(zhí)行元件,是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)之中,比如當(dāng)今電子鐘表、工業(yè)機械手、包裝機械和汽車制動元件的測試中等。步進電機在未來應(yīng)用前景會往更加小型化、從圓形電動機往方形電動機和四相、五相往三相電動機發(fā)展。而這便需要對步進電機的控制提出了更高的要求。
? ? 1.步進電機綜合介紹
? ? 1.1.步進電機分類
? ? 步進電動機的種類很多,從廣義上講,步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點電磁式步進電機可分為反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類;按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進電機。
? ? 1.1.1.反應(yīng)式步進電機
? ? 反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的,轉(zhuǎn)子中沒有繞組。一般為三相,可實現(xiàn)大扭矩的輸出,步進角一般為1.5度。它的結(jié)構(gòu)簡單,成本低,但噪音大。
? ? ?1.1.2.永磁式步進電機
? ? 永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成,轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同,所以一般步距角比較大,步進角一般為7.5度或15度。它輸出轉(zhuǎn)矩大,動態(tài)性能好,消耗功率小,但啟動運行頻率較低,還需正負(fù)脈沖供電。
? ? 1.1.3.混合式步進電機
? ? 混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點。它分為兩相和五相,兩相的步進角一般為1.8度,而五相的步進角為0.72度?;旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比,結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體,以提供軟磁材料的工作點,而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能,因此該電機效率高,電流小,發(fā)熱低。
? ? 目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進電機。
? ? 1.2.步進電機的工作原理
? ? 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移增量,也即是說,當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時,便驅(qū)動電機按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一定的角位移量。我們可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制步進電機的角位移量,通過控制脈沖的頻率來控制速度與加速度。
? ? 定子齒有三個勵磁繞組,其幾何軸線分別于轉(zhuǎn)子的軸線錯開。當(dāng)A相通電時,由于定齒的A齒與轉(zhuǎn)子的1齒對齊,沒有切向力,轉(zhuǎn)子靜止,接著B相通電,轉(zhuǎn)子齒偏移定子一個角度,由于勵磁磁通力圖沿著磁阻最小的路徑通過,因此對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力,迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)動,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到定子齒對齊位置時,因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切向力的作用,故轉(zhuǎn)矩為零,轉(zhuǎn)子被鎖定在該位置上。綜上可得出,錯齒是促使步進機旋轉(zhuǎn)的根本原因。
? ? 在非超載的情況下,電機轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的脈沖數(shù)和脈沖頻率,而不受負(fù)荷變化的影響。本文是基于這個條件下進行步進電機速度控制研究。
? ? 2.步進電機控制系統(tǒng)的研究
? ? 2.1.脈沖控制的方法
? ? 實現(xiàn)脈沖的分配的方法有兩種:軟件法和硬件法。軟件法在電機運行的過程中,要不停地產(chǎn)生控制脈沖,占用了CPU大量的時間,可能會使單片機無法進行其它工作,所以現(xiàn)在大部分都是采用硬件法。
? ? 2.2.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的研究
? ? 良好的驅(qū)動系統(tǒng)方案能強有力的支撐步進電機升降速曲線的設(shè)計??刂葡到y(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號, 通過驅(qū)動器就能夠驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。角位移量與脈沖個數(shù)相關(guān)。步進電機停止旋轉(zhuǎn)時,能夠產(chǎn)生兩種狀態(tài):制動加載能夠產(chǎn)生最大或部分保持轉(zhuǎn)矩(通常稱為剎車保持,無需電磁制動或機械制動)及轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)(能夠被外部推力帶動輕松旋轉(zhuǎn))。步進電機驅(qū)動器,必須與步進電機的型號相匹配。否則,將會損壞步進電機及驅(qū)動器。電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能直接影響和制約加減速曲線的效果。
其 ? ?硬件方面,基于MC9S12XS128 16位MCU以及光電編碼器、步進電機驅(qū)動電路、單片機最小系統(tǒng)板電路支撐軟件平臺。
? ? MC9S12XS128是飛思卡爾公司為成本敏感型汽車車身電子應(yīng)用而設(shè)計的16位微控制器,其相關(guān)特性足以滿足此控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。MC9S12XS128 MCU主要特性:
? ? (1)S12X CPU, 最高總線速度40MHz;
? ? (2)2.128KB閃存,帶有錯誤校正功能(ECC);??????????????????

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