基于-单片机的步进电机控制创新学分.doc
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1、 一、组成器件1.1步进电机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机,它的运行需要专门的驱动电源,驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度,这个角度称为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了电动机旋转的速度,改变绕组的通电顺序可以改变电机旋转的方向。在数字控制系统中,它既可以用作驱动电动机,也可以用作伺服电动机。它在工业过程控制中得到广泛的应用,尤其在智能仪表和需要精确定位的场合应用更为广泛。步进电机分三种:永磁式(PM),反应式(VR)和混合式(HB)永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5 度或15
2、 度;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5 度,但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80 年代已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8 度而五相步进角一般为0.72度。反应式步进电机永磁式步进电机1.1.1步进电机的工作原理步进电机是机电一体化的关键部件之一,被广泛应用于需要精确定位、同步、行程控制等场合。一、步进电动机有三线式、五线式、六线式三种,但其控制方式均相同,必须以脉冲电流来驱动。若每旋转一圈以200个励磁信号来计算,则每个励磁信号前进1.8 度,其旋转角度与脉冲数成正比,正、反转可由脉冲顺序来控制。二、步进
3、电动机的励磁方式可分为全部励磁及半步励磁,其中全步励磁又有1相励磁及2相励磁之分,而半步励磁又称1-2相励磁。图为步进电动机的控制等效电路,适应控制A、B、/A、/B 的励磁信号,即可控制步进电动机的转动。每输出一个脉冲信号,步进电动机只走一步。因此,依序不断送出脉冲信号,即可步进电动机连续转动。分述如下:A、1 相励磁法:在每一瞬间只有一个线圈导通。消耗电力小,精确度良好,但转矩小,振动较大,每送一个励磁信号可走1.8 度。若欲以1 相励磁法控制步进电动机正转,其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送,则步进电动机反转表1. 相励磁法B、2 相励磁法:在每一瞬间会有二个线圈同时导通。因其转矩大
4、,振动小,故为目前用最多的励磁方式,每送一励磁信号可走1.8 度。若以2 相励磁法控制步进电动机正转,其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送,则步进电动机反转。表2. 相励磁法C、1-2 相励磁法:为1 相与2 相轮流交替导通。因分辨率提高,且运转平滑,每送一励磁信号可走0.9 度,故亦广泛被采用。若以1 相励磁法控制步进电动机正转,其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送,则步进电动机反转。励磁顺序:AABBBCCCDDDAA表3相励磁法步进电动机的负载转矩与速度成反比,速度愈快负载转矩愈小,当速度快至其极限时,步进电动机即不再运转。所以在每走一步后,程序必须延时一段时间。下面介绍的是国产20
5、BY-0型步进电机,它使用+5V直流电源,步距角为18度。电机线圈由四相组成,即A、B、C、D四相,驱动方式为二相激磁方式,电机示意图和各线圈通电顺序如表4所示: 图1.步进电机原理图表4线圈通电顺序1.1.2步进电机的控制(1)步进电机的正反转控制在步进电机转动的过程中改变绕组的励磁顺序可改变转动方向.(2).步进电机控制系统框图一般一个完整的步进电机控制系统包括控制器,驱动器,电机三部分.其框图如下图所示.图1.步进电机控制系统框图(3).步进电机的现场应用驱动电路综合系统使用的是小型步进电机,对电压和电流要求不是很高,为了说明应用原理,故采用最简单的驱动电路,目的在于验证步进电机的使用,
6、在正式工业控制中还需在此基础上改进。一般的驱动电路可以用下图所示的形式。图2.一般的驱动电路1.2丝杠螺母丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。有以传递能量为主的(如螺旋压力机、千斤顶等);也有以传递运动为主的如机床工作台的进给丝杠);还有调整零件之问相对位置的螺旋传动机构等。丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。滑动丝杠螺母机构结构简单,加工方便,制造成本低,具有自锁功能,但其摩擦阻力矩大、传动效率低(3040)。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高,不能自锁,但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高(9298),精度高,系统刚
7、度好,运动具有可逆性,使用寿命长,因此在机电一体化系统中得到大量广泛应用。丝杠和螺母的螺纹滚道间置有滚珠,当丝杠或螺母转动时,滚珠沿螺纹滚道滚动,则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦,为防止滚珠从滚道中滚出,在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置,反向器和挡珠器,它们与螺纹滚道形成循环回路,使滚珠在螺母滚道内循环。1.3单片机图3.步进电机的单片机控制原理图单片机的主要作用就是把并行二进制码转换成串行脉冲序列 ,并实现方向控制。步进电机的驱动电路根据控制信号工作 ,控制信号由单片机产生。1.4行程开关行程开关,位置开关(又称限位开关)的一种,是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞
8、使其触头动作来实现接通或分断控制电路,达到一定的控制目的。通常,这类开关被用来限制机械运动的位置或行程,使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。在电气控制系统中,位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造:由操作头、触点系统和外壳组成。在实际生产中,将行程开关安装在预先安排的位置,当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时,行程开关的触点动作,实现电路的切换。因此,行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器,它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械,用以控制其行程、进行终端限位保护
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