（交通运输规划与管理专业论文）基于模糊PID控制的步进电机定位系统.pdf

西北工业大学业硕士论文摘 要 摘要 本文介绍了一种以步进电 机为驱动元件，基于 f u z z y - p i d控制的精密定 位 系统。为使其能够广泛应用， 采用了一个简单的人机交互、功能模式选择和控 制参数均可由 键盘输入的模式，除可实现高精度定位外，还可进行多种功能控 制。控制参数根据不同的偏差要求， 运用模糊 p i d 控制而选择不同的参数， 从 而改善各局部性能，促使整体性能提高。 在系统中，用软件代替旧式的环形分 配器，形成高效、节能的步进电机驱动方案; 通过单片机与微机的串口 通讯， 实现对步进电 机的远距离实时监控;为改善步进电机以 低于极限启动频率恒速 运行时间过长的缺点，运用加减速控制，使步进电机的响应速度加快，运行平 稳，噪音降低，并且避免发生过冲的现象，实现高效运行方案;通过光电祸合 电路提高了系统的抗干扰能力;引入光栅尺组成闭环控制系统，满足定位系统 的精度和可靠性的要求;软件采用模块化设计方法，易于维护;设计中考虑到 各种干扰因素，采取软、硬件抗干扰技术，提高系统的稳定性。实验结果表明 系统性能达到设计要求。 关键词:模 糊 控 制 定 位 系 统 单 片 机 步 进电 机 误 差 分 析 西北工业大学业硕士论文摘要 ab s t r a c t t h i s p a p e r i n t r o d u c e s a n a u t o m a t i c p o s it i o n s e tt in g s y s t e m o f s t e p p i n g m o t o r b a s e d o n t h e c h i p m i c r o c o m p u t e r a n d f u z z y p i d c o n t r o l . i n o r d e r t o m a k e t h i s s y s t e m h a v e e x t e n s i v e u s e s , w e u s e a s i m p l e m a n - m a c h i n e i n t e r a c t i v e s y s t e m , a n d i n t h i s s y s t e m t h e c h o o s i n g o f f u n c t i o n m o d u l e s a n d c o n t r o l l i n g p a r a m e t e r s c a n b e i n p u tt e d f r o m t h e k e y b o a r d . s o , t h i s s y s t e m c a n r e a l i z e n o t o n l y t h e h i g h a c c u r a c y p o s i t i o n b u t a l s o t h e m u l t i f o r m f u n c t i o n c o n t r o l . b y t h e w a y o f s o ft w a r e o f c h i p m i c r o c o m p u t e r i n s t e a d o f t h e c o n v e n t i o n a l r in g - s h a p e d a l l o tt e r i n t h e s y s t e m , w e c a n d e s i g n a h i g h e f f i c i e n t a n d e n e r g y - s a v i n g d r iv e s c h e m e o f s t e p p i n g m o t o r ; b y t h e w a y o f s e r i a l c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n t h e m i c r o c o m p u t e r a n d t h e c o m p u t e r , w e c a n a c h i e v e a r e m o t e m o n i t o r i n g a n d r e a l - t i m e s y s t e m t o t h e s t e p p i n g m o t o r ; b y t h e w a y o f t h e v a r i a b l e - f r e q u e n c y c o n t r o l a n d p i d c o n t r o l , w e c a n m a k e t h e s t e p p in g m o t o r r u n e ff i c i e n t l y ; b y t h e d e s i g n o f o p t i c a l l y c o u p l e d c i r c u i t , w e c a n e n h a n c e t h e a b i l i t y o f a n t i - i n t e r f e r e n c e o f t h i s s y s t e m. d u r i n g t h e c o n t r o l p r o c e s s , i n o r d e r t o i m p r o v e t h e p a r t i a l a n d i n t e g r a l p e r f o r m a n c e w e c h o o s e d i ff e r e n t p r o p o r t i o n f a c t o r k p , i n t e g r a l q u o t i e n t t ;, d i f f e r e n t i a l q u o t i e n t t d a c c o r d i n g t o v a r i a b l e e r r o r e a n d e r r o r r a t e o f c h a n g e d e . wh e n je j i s m u c h g r e a t e r , i n o r d e r t o a c c e l e r a t e t h e r e s p o n s e s p e e d o f s y s t e m , a v o i d m a k i n g t h e i n t e g r a l s a t u r a t e d d u e t o t h e s h o rt - t e r m fl u c t u a t i o n o f e a n d a v o i d g r e a t o v e r s h o o t o f t h e s y s t e m , t h e o n l y p c o n t r o l c o u l d b e a d o p t e d . wh e n je j i s m o d e r a t e , f o r t h e s a k e o f d e c r e a s in g o v e r s h o o t a n d e n s u r e t h e r e s p o n s e s p e e d , t h e p d c o n t r o l c o u l d b e a d o p t e d . wh e n je j i s m u c h s m a l l e r , i n o r d e r t o e n h a n c e t h e a b i l i t y o f a n t i - i n t e r f e r e n c e a n d a v o i d o s c i l l a t i o n o f s y s t e m , t h e p i d c o n t r o l c o u l d b e a d o p t e d . a n d i f t h e s t e p p i n g m o t o r r u n s a t t h e c o n s t a n t r a t e a t t h e f r e q u e n c y l o w e r t h a n t h e l i m it i n g fr e q u e n c y , i t l e a d s t o t h e m u c h l o n g e r w o r k i n g t i m e . i n o r d e r t o i m p r o v e s t a t e , a n e w m e t h o d c a l l e d a c c e l e r a t i o n a n d d e c e l e r a t i o n c o n t r o l i s n e c e s s a r y . w e t h e s t e p p i n g m o t o r a t t h e l o w s p e e d a n d a c c e l e r a t e w i t h n o d e s y n c h r o n i z i n g t o s t a t u s o f w o r k i n g a t c o n s t a n t s p e e d . b e f o r e i t r e a c h t h e t a r g e t l o c a t i o n , t h e .此ne h1jh 西北工业大学业硕士论文摘要 s t e p p i n g m o t o r r u n s a t t h e r e d u c t i o n s p e e d . a t l a s t t h e m o t o r s t o p s a t t h e t a r g e t l o c a t i o n , a n d t h e o v e r s w i n g i s a v o i d e d . i n a e x a m p l e o f a n a u t o m a t i c p o s i t i o n s e tt i n g s y s t e m o f r o b o t i c a r m b a s e d o n t h e s t e p p i n g m o t o r c o n t r o l l e d b y t h e c h i p m i c r o c o m p u t e r , t h e r e s u l t s o f e x p e r i m e n t s h o w t h a t t h e s y s t e m w h i c h i s e x t r a c t e d i n t h i s p a p e r , c a n a c c u r a t e l y d e t e c t t h e p o s i t i o n o f m e a s u r e d o b j e c t a n d id e n t i f y . a n d t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e i n d e x m e e t s t h e c h a l l e n g e o f d e s i g n . k e y w o r d s :f u z z y p i d c o n t r o l , v a r i a b l e - f r e q u e n c y c o n t r o l , l o c a t in g s y s t e m , c h i p mi c r o c o m p u t e r , s t e p p i n g m o t o r 西北工业大学业硕士论文第一章绪 论 第一章 绪论 1 1 己f .会， 1 . 工j . a 以 精密加工为代表的现代制造业已 成为制造厂商在国际竞争中取得成功的 关键因素，欧美等发达国家都十分重视精密加工技术的水平和发展，利用它进 行产品 革新和扩大生产， 而精密定位系统 是实现精密加工的首要条件川 。 如 何 提高精密定位系统的定位精度一直是控制领域研究的热点。 在精密定位系统及数控系统中，步进电机是其重要组成部分。据资料统计 每年在数控生产和经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域， 有2 i 3 以 上 采用的 是以 步 进电 机作 为 伺服 控制系 统的 2 。 因 此， 如何改善电 机的 控 制 方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。目 前，电 机 控制方法已经由传统的p i d控制方法发展到性能更优良、结构更简单的数字式 p i d控制方法，并取得了 较好的效果，在一定程度上提高了系统的定位精度。 但是由于定位系统中驱动系统环境复杂多变，且系统动态特性的模型建立 涉及到摩擦特性的分析，同时还要考虑到扰动扭矩的因素，尤其是机械系统的 阻 尼、 刚 度惯量等参数3 -4 ， 尚 不能 可靠地获 得 较好的p i d参数。 因 此近些年来， 随着对控制对象性能要求的提高，传统的数字p i d控制方法正向 着更先进的模 糊p i d控制方向发展。然而到目 前为止， 文献所报道的模糊控制器的应用大都 局限在采样时间较长的工业过程控制中，而应用于采样时间较短的高速、高精 度数字定位系统中并不多见。 图1 . 1 所示即为步进电 机定位系统控制结 构图， 由 视频采集装置( c c d ) 、 上 位机、下位机和步进电机组成，其中上位机对c c d采集得到的图像进行处理， 计算出工作面上零件的位置和摆放姿态，以及焊枪的位置，将这些信息发送给 下位机;下位机根据上位机的指令和步进电 机的返回信息， 控制步进电 机 ( 图 中所示5 , 6 , 7 ) 的运动动作; 步进电机根据下位机的指令运动， 并将运动速度、 位置等信息通过下位机，发送给上位机。 西北工业大学业硕士论文第一章绪 论 第一章 绪论 1 1 己f .会， 1 . 工j . a 以 精密加工为代表的现代制造业已 成为制造厂商在国际竞争中取得成功的 关键因素，欧美等发达国家都十分重视精密加工技术的水平和发展，利用它进 行产品 革新和扩大生产， 而精密定位系统 是实现精密加工的首要条件川 。 如 何 提高精密定位系统的定位精度一直是控制领域研究的热点。 在精密定位系统及数控系统中，步进电机是其重要组成部分。据资料统计 每年在数控生产和经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域， 有2 i 3 以 上 采用的 是以 步 进电 机作 为 伺服 控制系 统的 2 。 因 此， 如何改善电 机的 控 制 方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。目 前，电 机 控制方法已经由传统的p i d控制方法发展到性能更优良、结构更简单的数字式 p i d控制方法，并取得了 较好的效果，在一定程度上提高了系统的定位精度。 但是由于定位系统中驱动系统环境复杂多变，且系统动态特性的模型建立 涉及到摩擦特性的分析，同时还要考虑到扰动扭矩的因素，尤其是机械系统的 阻 尼、 刚 度惯量等参数3 -4 ， 尚 不能 可靠地获 得 较好的p i d参数。 因 此近些年来， 随着对控制对象性能要求的提高，传统的数字p i d控制方法正向 着更先进的模 糊p i d控制方向发展。然而到目 前为止， 文献所报道的模糊控制器的应用大都 局限在采样时间较长的工业过程控制中，而应用于采样时间较短的高速、高精 度数字定位系统中并不多见。 图1 . 1 所示即为步进电 机定位系统控制结 构图， 由 视频采集装置( c c d ) 、 上 位机、下位机和步进电机组成，其中上位机对c c d采集得到的图像进行处理， 计算出工作面上零件的位置和摆放姿态，以及焊枪的位置，将这些信息发送给 下位机;下位机根据上位机的指令和步进电 机的返回信息， 控制步进电 机 ( 图 中所示5 , 6 , 7 ) 的运动动作; 步进电机根据下位机的指令运动， 并将运动速度、 位置等信息通过下位机，发送给上位机。 西北工业大学业硕士论文 第一章绪 论 工 作面 图1 . 1系统结构示意图 本论文将模糊推理机制和常规p i d 控制结合起来 ， 针对下位机设计了一种 p i d参数自调整f u z z 丫 一 p i d 控制器， 应用于由步进电 机 ， 光栅尺， 驱动机 构和传动机构组成的三维精密定位系统。模糊p a d控制器的突出优点在于， 系 统参数变化、负载扰动的情况下仍可得到快速、强鲁棒性的控制效果s ，这也 是本文选择这一控制器进行定位系统设计的原因。 1 . 相关领域的研究历史与现状 近些年来，随着现代电力电子技术、 控制技术和计算机技术的发展，电 机 的控制技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷，电机应用己由 过去简单的起停控制、提供动力为目的的应用，上升到对其速度、位置、转矩 等进行精确的 控制， 使被驱动对象的 机械运动 符合预想的要求 a步 进电 机的 出现，使得精密定位系统的精度达到一个更高的级别。步进电机定位系统多采 用开环控制，由于步进.电 机本身的性能及机械结构等因素的影响都可使定位平 台偏离指令值，使系统的精度降低。因此，有效地提高步进系统的精度，挖掘 定位系统的潜力，对更好的发展精加工技术有着重要的意义。 . . 步进电机及控制技术的发展 步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进 电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。 o 年 代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式 变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成 一 2， 众 所周知， 每 个系 统 都 有它 特定 的 应 用环境 称工 作条 件。 系 统的 设 计 要 根 据 不同的环境和条件而定。 因此系统描述是完成系统设计的基础， 因此在进行系统 设计之前需要对设计对象进行必要的描述。 芯片加工的最后一道工序就是给芯片加盖一个金属质隔离片。 该隔离片可以 大大提高芯片的抗干扰能力， 并且起到保护芯片内部集成电路的作用。 以前由于 集成电路发展水平不高， 芯片体积大多比较大， 加盖隔离片时完全可以采用人工 加盖的方法或者采用传统的盖片机进行加盖。但是随着集成电路技术的不断发 展， 芯片的体积越来越小， 传统盖片机已 经不能满足盖片过程的精度要求， 更不 要说人工盖片了。 技术指标: 最大行程: 定位精度: x 方向:l b (7 m m ; y 方向:2 0 0 m m 1 d rm 重复定位精度: 5 ,u m 回转范围:士2 0 工作模式:步进电机自 动控制和手动控制 最大承载量: 2 5 k g 西北工业大学业硕士论文 第一章绪 论 工 作面 图1 . 1系统结构示意图 本论文将模糊推理机制和常规p i d 控制结合起来 ， 针对下位机设计了一种 p i d参数自调整f u z z 丫 一 p i d 控制器 ， 应用于由步进电机 ， 光栅尺 ， 驱动机 构和传动机构组成的三维精密定位系统。模糊p a d控制器的突出优点在于， 系 统参数变化、负载扰动的情况下仍可得到快速、强鲁棒性的控制效果s ，这也 是本文选择这一控制器进行定位系统设计的原因。 1 . 相关领域的研究历史与现状 近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机 的控制技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷，电机应用己由 过去简单的起停控制、提供动力为目的的应用，上升到对其速度、位置、转矩 等进行精确的控制， 使被驱动对象的 机械运动符合预想的要求 a步 进电 机的 出现，使得精密定位系统的精度达到一个更高的级别。步进电机定位系统多采 用开环控制，由于步进.电机本身的性能及机械结构等因素的影响都可使定位平 台偏离指令值，使系统的精度降低。因此，有效地提高步进系统的精度，挖掘 定位系统的潜力，对更好的发展精加工技术有着重要的意义。 . . 步进电机及控制技术的发展 步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进 电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。 o 年 代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式 变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成 一 2， 众所 周知， 每 个系 统 都有 它 特定的 应 用环境 称工作条 件。 系 统的设 计 要 根 据 不同的环境和条件而定。 因此系统描述是完成系统设计的基础， 因此在进行系统 设计之前需要对设计对象进行必要的描述。 芯片加工的最后一道工序就是给芯片加盖一个金属质隔离片。 该隔离片可以 大大提高芯片的抗干扰能力， 并且起到保护芯片内部集成电路的作用。 以前由于 集成电路发展水平不高， 芯片体积大多比较大， 加盖隔离片时完全可以采用人工 加盖的方法或者采用传统的盖片机进行加盖。但是随着集成电路技术的不断发 展， 芯片的体积越来越小， 传统盖片机已经不能满足盖片过程的精度要求， 更不 要说人工盖片了。 技术指标: 最大行程:x方向 定位精度:1 d rm l b (7 m m; y 方向:2 0 0 m m 重复定位精度: 5 ,u m 回转范围:士2 0 工作模式:步进电机自动控制和手动控制 最大承载量: 2 5 k g 西北工业大学业硕士论文 第一章绪 论 工 作面 图1 . 1系统结构示意图 本论文将模糊推理机制和常规p i d 控制结合起来 ， 针对下位机设计了一种 p i d参数自调整f u z z 丫 一 p i d 控制器 ， 应用于由步进电机 ， 光栅尺 ， 驱动机 构和传动机构组成的三维精密定位系统。模糊p a d控制器的突出优点在于， 系 统参数变化、负载扰动的情况下仍可得到快速、强鲁棒性的控制效果s ，这也 是本文选择这一控制器进行定位系统设计的原因。 1 . 相关领域的研究历史与现状 近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机 的控制技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷，电机应用己由 过去简单的起停控制、提供动力为目的的应用，上升到对其速度、位置、转矩 等进行精确的控制， 使被驱动对象的 机械运动符合预想的要求 a步 进电 机的 出现，使得精密定位系统的精度达到一个更高的级别。步进电机定位系统多采 用开环控制，由于步进.电机本身的性能及机械结构等因素的影响都可使定位平 台偏离指令值，使系统的精度降低。因此，有效地提高步进系统的精度，挖掘 定位系统的潜力，对更好的发展精加工技术有着重要的意义。 . . 步进电机及控制技术的发展 步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进 电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。 o 年 代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式 变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成 一 2， 众所 周知， 每 个系 统 都有 它 特定的 应 用环境 称工作条 件。 系 统的设 计 要 根 据 不同的环境和条件而定。 因此系统描述是完成系统设计的基础， 因此在进行系统 设计之前需要对设计对象进行必要的描述。 芯片加工的最后一道工序就是给芯片加盖一个金属质隔离片。 该隔离片可以 大大提高芯片的抗干扰能力， 并且起到保护芯片内部集成电路的作用。 以前由于 集成电路发展水平不高， 芯片体积大多比较大， 加盖隔离片时完全可以采用人工 加盖的方法或者采用传统的盖片机进行加盖。但是随着集成电路技术的不断发 展， 芯片的体积越来越小， 传统盖片机已经不能满足盖片过程的精度要求， 更不 要说人工盖片了。 技术指标: 最大行程:x方向 定位精度:1 d rm l b (7 m m; y 方向:2 0 0 m m 重复定位精度: 5 ,u m 回转范围:士2 0 工作模式:步进电机自动控制和手动控制 最大承载量: 2 5 k g 西北工业大学业硕士论文第一章绪论 的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后， 要 改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型计算 机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力， 因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化 的时代发展要求。 步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲 信号的控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率 放大器使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，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转 磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。步进 电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式 步进电机和单相式步进电机等。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在使用数控机 床的生产制造中，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，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输 出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲 马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使 用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构 的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传 递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统 的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面，比如 作为自 动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印 机和绘图仪中等等。 1 . 2 . 2精密定位技术的发展及现状 2 0 世纪6 0 年代，大规模集成电路制造业的出现，促进了微细工程的发展， 并且密切依赖于微细工程的发展。因为集成电路的发展要求电路中各种元件微 西北工业大学业硕士论文第一章绪 论 的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后， 要 改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型计算 机的控制系统则通过软件来控制步进电 机，能够更好地发挥步进电机的潜力， 因此，用微型计算机控制步进电机已 经成为了一种必然的趋势，也符合数字化 的时代发展要求。 步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲 信号的控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率 放大器使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，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转 磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。步进 电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式 步进电机和单相式步进电 机等。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在使用数控机 床的生产制造中，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，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输 出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲 马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已 经能够单独在系统上进行使 用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构 的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传 递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统 的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面，比如 作为自 动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以 应用在打印 机和绘图仪中等等。 1 . 2 . 2精密定位技术的发展及现状 2 0 世纪6 0 年代，大规模集成电路制造业的出现，促进了微细工程的发展， 并且密切依赖于微细工程的发展。因为集成电路的发展要求电路中各种元件微 西北工业大学业硕士论文第一章绪论 型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的 电路系统 。因此， 提高超精密加工水平， 在同等意义上也就是提高定位的精度 以减小电路微细图案的最小线条宽度， 成了提高集成电路集成度的技术关键( 表 1 . 1 ) 。 表1 . 1集成度与最小线条宽度 讼斌 单元芯片上的单元逻 辑门电路 单元芯片上的电子 元件数 最小线条宽度 ( 声 c m) 小规模集成电路1 0 - 2 0 1 0 0的运动动作:步进电机根据下位机的指令运动，并将运动速度、位 置等信息通过下位机，发送给上位机。 暑 ccd, i 一 z 9 , eh 图1 . 1系统结构示意图 西北工业大学业硕 七 论文第三章系统硬件设计 3 . 2 . 1细分设计与隔离电路 步进电机在满负载的时候由于脉冲控制的影响，使系统震动非常明显，而 且噪声大，为了消除这些不良 影响，提高步进电 机的步进分辨率，本系统采用 了步进电机的细分控制。 由于控制系统每发一个步进脉冲信号， 则步进电 机就会旋转一定的步距角， 如果对所发脉冲的频率不做细分处理，则步进电机旋转的步距角较大，这样往 往会造成步进电机在反转或停机时过冲，从而产生的误差较大， 控制精度不高。 如果在原脉冲频率的基础上， 通过细分驱动器， 选择合适的细分数，再控制步进 电机， 则控制精度将会大大提高。 所谓细分控制， 从本质上讲就是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制， 使步进电 机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电 机步距角 的细分，达到步进电 机平稳运行的目的。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决 定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步 距角的大小。因此，要想实现对步进电机的均匀细分控制，必须合理控制电 机 绕组中的电流，使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，且发给每相的脉冲所引 起的合磁场的角度变化也要均匀。 我 们知 道 在空间 彼此 相差2 可m 的m 相 绕 组， 分 别 通以 相 位上 相差2 刁m 而 幅值相同的正弦电流，则合成的电流矢量便在空间作旋转运动，且幅值保持不 变。这一点对于反应式步进电机来说比较困难，因为反应式步进电机的旋转磁 场只与绕组电流的绝对值有关，而与电流的正反流向无关。以比较经济合理的 方式对三相反应式步进电机实现步距角的任意细分，绕组电流波形宜采用如图 3 . 3 所示的形式。 当0 _“三 竺二时，is = i m s i n a; 、 a 、 竺时 ， 汀, ” = 阴 s in k “ 一 了 ) 当上二三 “ 2 7 r 时，i s 二小 西北工业大学业硕士论文第三章 系统硬件设 计 一 一、 ，一、 二 二 ， 二* 、 、 二 、一_. 一 _2 ; c二 _ 二2 7r 其中， a 为电 机转子偏离参考点的角度。 1 * 滞后1年 ， 超前d 兰 ， 此时 合 3-一 “ 3 成 电 流 矢 量 在 所 有 区 间 ， 一 李 i - 。 一、 ， 从 而 保 证 合 成 磁 场 幅 值 恒 定 ， 实 现 步 进 2- 一一-， ， - 一 一 电机的恒转矩运行，而且步进电机在这种情况下运行也是最平稳的。将绕组电 流根据细分倍数均匀量化后，所得细分步距角也是均匀的。在取得校正后的量 化电流波形之后，以相应的数字量存储于e e p r o m 的不同区域， 量化的程度决定 了细分驱动的分辨率。 细分驱动方案的原理为: 由单片机输出e e p r o m 中存储的 细分电流控制信号，与取样信号进行比较，形成控制信号，控制各功率管前级 驱动电路的导通和关断，实现绕组中电流的闭环控制，从而实现步距的精确细 分。 单片机是控制系统的核心，受控步进电机的细分倍数、运行脉冲频率、正 反转、运行速度、单次运行线位移、以 及启停等的控制既可由 键盘输入，也可 以通过与上位机的串行通信接口由上位机设置。状态显示提供当前通电相、相 电流大小、电机运行时间、正反转、当前运行速度、线位移及相关计数等的显 示，并将工作状态和数据传送给上位机。光栅尺用于检测当前的实际位置。 调制用方波信号频率为1 1 . 0 5 9 2 k h z ，由a t 8 9 c 5 2 的p u . o p o . i . p o . z 端产生， 且各相是同频斩波，不会产生差拍现象，所以消除了电磁噪声。为防止因比较 器漂移或干扰导致功率开关管误导通，把控制信号与相序控制信号相与后去控 制功放管。 当开关管截止时，并联r c 、快恢复续流二极管d 、绕组l 及主电 源构成泄 西北工业大学业硕士论文第三章系统硬件设计 放回路。与单纯r 释能电路相比，r c 释能电路使功耗和电流纹波增加较小， 而 电流下降速度大大加快。 为了提高步进电机的工作可靠性，消除电机电感性绕组的干扰，本系统对 驱动部分和反馈部分都进行了光电隔离。驱动隔离采用高速光电祸合器 6 n 1 3 6 为隔离元件，一方面可以实现前级控制电路同步进电 机绕组的隔离;另一方面 使功率开关管的驱动变得方便可靠。 反馈通道的滤波部分采用无源低通滤波器， 其作用是高速衰减绕组 ( 电感线圈) 在开关时出现截止频率以上的瞬时高频电 压信号，从而避免控制电路做出太迅速的反应，可以 有效地防止步进电 机的振 荡。线性光祸合电路的作用是将滤波后的采样电阻反馈信号线性地传输给比 较 器。 光电祸合器以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发出端 ( 一次侧) 于 信息接收并输出端 ( 二次侧)是电 绝缘的，从而对硬件电路中的对地电 位差干 扰有很强的抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰能力，速度高，价格低，在 步进电机控制中中应用非常广泛。 如图3 .4 就是系统采用的t p l 5 2 1 - 1 型光电 藕合器的电原理图，其中d , 是 图3 . 4光电隔离电路图 发 光二 极管， t , 是光 敏三极管。 d ， 与t 1 之间 是电 绝缘的 。 在d , 通 过电 流i : 后 d , 便能 发出 红 外光， 光线 起到 基 极电 流的 作 用， t ; 受 激发 后 便 产生电 流人， 从 而 在r l 上产生压降玲， 这样便把电 流1 ; 转换成电 流几或电 压岭。i 。 或咋只 西北工业大学业硕士论文第三章系统硬件设 计 与i f ， 与 光电 藕 合器 两 侧的电 位 无 关， 在 该 系 统中 可以 很 好的 抑 制 单 片 机 及 其 外围器件的+5 v电源和步进电 机的+ 2 4 v电 源之间所产生的共模干扰。 在设计该隔离电路时，由于受发光二极管和光敏三极管相应时间的影响， 开关信号传输和频率受光电隔离器频率的影响，因此，在高频信号传输中要考 虑其频率特性。另外，当光电隔离器处于导通状态时，流过光敏三极管的电 流 超过某个额定值，就可能使输出端击穿而导致光电隔离器的损坏，一般来说这 个电流在m a 量级， 因此从光电隔离器的输出端到外设之间还需要加若干级驱动 电路。采用光电隔离电路后， 系统的控制框图如图3 . 5 所示。 图3 . 5加光电隔离后的系统控制框图 通过采用驱动器细分控制步进电机运转步距的方法，其主要优点为: 1 .可完全消除电机的低频振荡。 低频振荡( 约在 2 0 0 h z 左右) 是步进电 机 ( 尤其是反应式 电机) 的固有特性， 而细分是消除它的最好途径。 2 .提高了电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机， 其力矩比没有细分 时提高约3 0 - 4 0 % 0 3 .提高了电机的分辨率。由于减小了步距角， 提高了步距的均匀度，即提 高电 机分辨率是不言而喻的。如本系统采用的7 5 b f 0 0 1 型步进电 机，电 机出厂 时给出的步距角的值为1 . 5 0 / 3 0，这个步距角称为 “ 电 机固有步距角” ，它不 一定是电 机实际工作时真正的步距角，真正的步距角可以通过细分驱动器后得 到。 当采用细分驱动器工作在 1 0 细分状态时， 每个脉冲电机只转动0 . 1 5 0。 因 此，步进电机通过细分驱动器细分，其步距角变小了，提高了控制精度，减小 了误差。 3 . 2 . 2步进电 机的起动、换向及变频加速度控制的设计 对于步进电机的速度控制系统， 从起点到终点的运行速度都有一定的要求。 如果要求运行的速度小于步进电机的极限起动频率，则步进电机可以按要求的 西北工业大学业硕士论文第三章系统硬件设 计 与i f ， 与 光电 藕 合器 两 侧的电 位 无 关， 在 该 系 统中 可以 很 好的 抑 制 单 片 机 及 其 外围器件的+5 v电源和步进电 机的+ 2 4 v电 源之间所产生的共模干扰。 在设计该隔离电路时，由于受发光二极管和光敏三极管相应时间的影响， 开关信号传输和频率受光电隔离器频率的影响，因此，在高频信号传输中要考 虑其频率特性。另外，当光电隔离器处于导通状态时，流过光敏三极管的电 流 超过某个额定值，就可能使输出端击穿而导致光电隔离器的损坏，一般来说这 个电流在m a 量级， 因此从光电隔离器的输出端到外设之间还需要加若干级驱动 电路。采用光电隔离电路后， 系统的控制框图如图3 . 5 所示。 图3 . 5加光电隔离后的系统控制框图 通过采用驱动器细分控制步进电机运转步距的方法，其主要优点为: 1 .可完全消除电机的低频振荡。 低频振荡( 约在 2 0 0 h z 左右) 是步进电 机 ( 尤其是反应式 电机) 的固有特性， 而细分是消除它的最好途径。 2 .提高了电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机， 其力矩比没有细分 时提高约3 0 - 4 0 % 0 3 .提高了电机的分辨率。由于减小了步距角， 提高了步距的均匀度，即提 高电 机分辨率是不言而喻的。如本系统采用的7 5 b f 0 0 1 型步进电 机，电 机出厂 时给出的步距角的值为1 . 5 0 / 3 0，这个步距角称为 “ 电 机固有步距角” ，它不 一定是电 机实际工作时真正的步距角，真正的步距角可以通过细分驱动器后得 到。 当采用细分驱动器工作在 1 0 细分状态时， 每个脉冲电机只转动0 . 1 5 0。 因 此，步进电机通过细分驱动器细分，其步距角变小了，提高了控制精度，减小 了误差。 3 . 2 . 2步进电 机的起动、换向及变频加速度控制的设计 对于步进电机的速度控制系统， 从起点到终点的运行速度都有一定的要求。 如果要求运行的速度小于步进电机的极限起动频率，则步进电机可以按要求的 西北工业大学业硕士论文第三章系统硬件设计 速度直接起动，运行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。 步 进电 机的 最高 起动频率 ( 突 变频率) 一 般可达到0 . 1 k h z 到 3 - 4 k h z ， 而 最高频率可达到1 0 k h z 级。 但在一般情况下， 步进电机的极限起动频率是很低 的，而要求的速度往往较高。如果步进电 机以 要求的速度直接起动，因为该速 度己超过极限起动频率而不能正常起动，可能发生丢步或根本不运行的情况。 电机运行起来之后，如果到达终点时立即停发脉冲串，令其立即停止，则因为 电机的惯性原因，会发生冲过终点的现象。这些情况的产生是由步进电 机的 频 率特性曲线决定的。如果转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，即低于换相 速度，则输入电机的电能不足，在步进电 机中产生的同步力矩无法令转子速度 跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步或不运转。 较为理想的起动曲线应该是按指数规律起动，实际应用中可以对起动阶段 的处理可以按照直线拟合的方法， 即“ 阶梯升速法” 。 本系统步进电机的启动阶 段按两种情况处理: 。、 。 。*，n 11 4, 3- m a - -i 、二、八，二升八。，_ _ f 1 . 已知突变频率，则按照突变频率分段起动，分段数n = 上 ; .f o 2 .如果未知突变频率， 则按段拟合至给定的起动频率， 每段频率的递增量 ( 阶 梯频率)o f = f / 2 0 ， 即 采用2 0 段 拟合。 在运行控制过程中， 将起始的频率 ( 速度) 分为2 0 份作为阶梯频率， 采用 “ 阶 梯升速法”将速度升到比 较理想的速度，然后保持， 按预定的曲线运行 ( 如图 3 . 6 ) 。 图3 .6阶梯升速起动 西北工业大学业硕士论文第三章系统硬件设 计 步进电机需要升降速控制是由步进电机的特性决定的，其中矩频特性是主 要因素。在连续运行状态下，步进电 机的输出转矩与其转动步频率之间的关系 称为矩频特性， 图3 .7 为步进电机矩频特性曲线。 从图中可以看出， 步进电机的 输出转矩随运行频率的升高而急剧下降， 且不是直线关系。 假设在加速过程中， 步 进电 机经过频率厂、儿、儿， 对 应的 输出 转 矩为m , , m2 , m 3 ， 频率 变 化 量 和输出 转矩变化量分别为鱿 ,鱿和a m , , o m2 ， 则 根据矩频特性有: ja m 2 1 ， ja m , i