（模式识别与智能系统专业论文）连续离子交换驱动系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 连续离子交换技术是8 0 年代开发的完全革新的分离工艺技术。经过不断地改进和 完善，目前已成功地应用在医药、化工、化肥等不同产业领域中。连续离子交换系统的 控制核心问题是配料盘的驱动控制问题。本文为了解决该问题，提出了基于自适应控制 理论的步进电机调速定位控制方法，使其满足了实际生产的需要；采用现代电力电子技 术结合的先进控制技术，分析并设计出了适合于连续离子交换驱动系统的控制器和步进 电机驱动电路。 本文论述了一种应用于连续离子交换系统配料盘的快速精确旋转定位控制方案。该 方案采用三相混合步进电机作为电动机通过减速器对配料盘进行拖动，并设计了基于白 适应控制的控制方法。根据这个方案本文设计了步进电机控制器及其驱动器。定位与速 度控制器采用通过双口r a m 并行通讯的方式的双c p u 作为核心处理器，设计了包括硬 件接口电路及软件流程，节约了成本，提高了控制效率。 本文在比较了现有驱动方式后，根据需要设计了采用升频升压驱动方式的驱动器， 设计了包括整流电路、降压斩波电路、频压转换器电路以及驱动桥电路等，减小了低频 振动，低速时绕组电流上升的前沿较平缓，使转子在到达新的平衡位置时不产生过冲， 在高速时使电流有较陡的前沿以产生足够的绕组电流，提高了电机的带载能力，适应了 步进电机驱动电源的要求。 最终实现了配料盘在实际生产中，对于不同配料下，一定转矩范围内的快速精确定 位。 关键词：位置控制；自适应控制；单片机；步进电机驱动器；升频升压驱动 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fd r i v es y s t e mf o ri o ne x c h a n g er e s i n a b s t r a c t i o ne x c h a n g er e s i nt e c h n o l o g yf o rt h e1 9 8 0 sd e v e l o p m e n to ft h ec o m p l e t es e p a r a t i o no f i n n o v a t i v et e c h n o l o g y ，t h r o u g hc o n s t a n ti m p r o v e m e n t ，r e c e n t l yh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di n m e d i c i n e ，c h e m i c a l s ，f e r t i l i z e r s ，a n do t h e ra r e a so fd i f f e r e n ti n d u s t r i e s i o ne x c h a n g er e s i n s y s t e m sf o rt h ec o n t r o lo ft h ec o r ei n g r e d i e n t si st h ed i s kd r i v ec o n t r o li s s u e s i nt h i sp a p e r ，i n o r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，t h ea d a p t i v ec o n t r o lt h e o r yb a s e do nt h es t e p p e rm o t o rc o n t r o l p o s i t i o n i n g ，m a k ei tr e s p o n s i v et ot h ea c t u a lp r o d u c t i o nn e e d s ；t h eu s eo fm o d e m e l e c t r o n i c t e c h n o l o g yw i t ht h ep o w e ro fa d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g ya n a l y s i sa n dd e s i g ns u i t e dt ot h e i o ne x c h a n g er e s i ns y s t e md r i v e nb ys t e p p e rm o t o rc o n t r o l l e ra n dd r i v e rc i r c u i t t h i sp a p e rd i s c u s s e sa na p p l i c a t i o nf o ri o ne x c h a n g er e s i ns y s t e mb a t c h i n gd i s kr o t a t i n g f a s ta n da c c u r a t ep o s i t i o n i n gc o n t r o lp r o g r a m t h ep r o g r a mu s e dt h r e e p h a s es t e p p e rm o t o r h y b r i dm o t o rr e d u c e rr i g h ti n g r e d i e n t st h r o u g ht h ed i s cd r i v e ，a n dd e s i g n st h em e t h o d sb a s e d o nt h ea d a p t i v ec o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o g r a mw a sd e s i g n e ds t e p p e r m o t o rc o n t r o l l e ra n dd r i v e r t h ec o n t r o l l e ru s e sd u a l - p o r tr a m t h r o u g ht h ep a r a l l e lm o d eo f c o m m u n i c a t i o na sat w o - c o r ep r o c e s s o r ，t h ec p ud e s i g n ，i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i n t e r f a c ec i r c u i tp r o c e s s ，s a v i n gt h ec o s ta n di m p r o v e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec o n t r o l s o nt h ec o m p a r i s o no ft h ee x i s t i n gd r i v e s ，a n da c c o r d i n gt ot h e i rn e e d s ，i sd e s i g n e df o r t h e f r e q u e n c y o rb o o s t e r - d r i v e na c t u a t o r s ，r e c t i f i e rc i r c u i t i n c l u d i n g t h e t o pc h o p p e r ， f r e q u e n c y v o l t a g ec o n v e r s i o nc i r c u i ta n dt h ed r i v ea x l ec i r c u i t ，r e d u c i n gt h el o w - f r e q u e n c y v i b r a t i o n ，c u r r e n tl o ws p e e dw h e nw i n d i n gu pt h em o r eg e n t l yf o r w a r d ，t h er o t o rt or e a c ht h e n e wl o c a t i o nw h e nt h eb a l a n c ei sn o tp r o d u c e dc h o n g ，i nh i g h - s p e e de l e c t r i cc u r r e n tw h e ni t i sc o m p a r e dw i t ht h es t e e pf r o n tt og e n e r a t es u f f i c i e n tw i n d i n gc u r r e n t ，i m p r o v e dm o t o rw i t h ac a p a c i t y ，a d a p t e dt o ，t h es t e p p e rm o t o rd r i v ep o w e rr e q u i r e m e n t s i na c t u a lp r o d u c t i o n ，b a t c h i n gs i t ec o n t r o l ，e v e n t u a l l ya c h i e v eab a t c h i n gs i t ef o rt h e d i f f e r e n ti n g r e d i e n t sw i t h i nac e r t a i nt o r q u ef a s ta n da c c u r a t ep o s i t i o n i n g k e yw o r d s ：p o s i t i o nc o n t r o l ；a d a p t i v ec o n t r o l ；s c m ；s t e p p e rm o t o rd r i v e r ；r a i s i n g f r e q u e n c yr a i s i n g v o l t a g ed r i v e i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名弓槔日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师虢选蓝：圈 趁4 名乒曰 大连理l ：大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及意义 本课题是将电机精确控制应用于实际的化工生产中去，主要通过对化工原料的进料 原料的脉动分配盘进行精确定位控制，与上位计算机进行通讯，对电机进行位置移动和 停留时间的具体控制。电动机控制广泛用于机械、钢铁、矿山、冶金、化工、石油、纺 织、军工等行业，这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电 动机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义【l j 。 连续离子交换技术是8 0 年代开发的完全革新的分离工艺技术，经过不断地改进和 完善，目前已成功地应用在医药、化工、化肥等不同产业领域中。与传统的离子交换柱 相比，其设备紧凑、系统简化、管道缩减，占地面积少；与固定床相比，树脂消耗量减 少( 5 0 9 0 ) ，再生剂、冲洗水消耗降低；由于非间断操作下的连续运转，产品的成分、 浓度保持基本稳定，具有良好的操作弹性。可根据生产负荷的变化自动调节旋转速度， 在生产过程中基本无三废排放【2 】。 2 0 个上部槽口囝驱动机构一 麓纛， ； 上部分配器 ( 或阀门) 2 0 个 吸附剂柱 下部分配 ( 或阀门) 2 0 个一 下部槽口 尊牵尊。 夺拳尊o o e e o o 尊鼙毋 冉o 擘 o 奄尊 o 牵零o o 鑫。 赘o o 配管 分布板 图1 1 连续离子交换装置图 f i g1 1t h ed e v i c ef o ri o ne x c h a n g er e s i ns y s t e m 连续离子交换驱动系统研究 连续离子交换装置由具有一定数量类似固定床的圆形树脂柱组成，这些圆形树脂柱 固定在一个称为“旋转木马”的装置上( 见图1 1 ) 。“旋转木马”由转盘及上上两端分 配阀组成，分配阀分为旋转部分和固定部分。旋转部分具有的槽口和树脂柱相连，固定 部分的槽口和旋转部分的数量相同，并与分配板相连分配板与进出装置的物料管相连。 随着“旋转木马”的旋转，当分配阀旋转部分的槽口和固定部分槽口一一对应时，物料 流入或流出树脂柱：当旋转l 周时每个树脂柱都将经历1 次完整的循环：即吸附、再 生( 或洗脱) 、以及1 次或2 次淋洗，根据工艺过程的复杂程度也可采取其它的附加步骤 【习。 本课题源于杭州争光树脂有限公司的连续离子交换系统的改造项目，改造的关键是 旋转配料盘( 即旋转木马) ，配料盘定位的精确与否，定位时间的长短直接决定了生产的 效率，配料盘的精确定位就成为待解决的核心问题。改造后的系统，原“旋转木马”的 旋转部分变为固定部分，原固定部分变为旋转。原驱动采用液压驱动，改造后的系统采 用电气驱动，改造后的系统配料盘的驱动功率由原来的3 5 k w 变为现在的1 5 k w ，节约了 能源。 随着现代科学技术的进步，电机在其实际应用中，过去是以简单的起停控制，提供 动力为主要目的，现在上升到对其速度，位移，转矩等进行精确的控制，使被驱动的机 械运动符合预想的要求。特别是在工业自动化，办公室自动化和家庭住宅自动化方面使 用的大量控制电机，几乎都采用电力电子器件进行控制【3 】。驱动控制系统对被控机械运 动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩控制或力的控制，以及这些被 控量的综合控制。驱动控制器的主要任务是根据作业的要求和传感器件的信号进行必要 的逻辑数学运算，为电机驱动装置提供正确的控制信号。典型的控制器如图1 2 所示。 图1 2 控制器系统框图 f i g 1 2c o n t r o ls y s t e md i a g r a m 在电机控制领域，对电机的控制方法多种多样，这里采用的是以快速、精确定位为 主要目标的步进电机控制系统对步进电机进行精确的控制。对连续离子交换系统的控制 是对一个化工实际生产配料过程的控制，这个应用上对电机的快速起停，停车的位置精 确度有非常高的要求。步进电机为解决这个问题提供了一种途径。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 应用于连续离子交换系统的各种驱动系统 1 2 1 直流伺服电机系统 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型 分为直流( d c ) 伺服系统和交流( a c ) 伺服系统。5 0 年代，无刷电机和直流电机实现了 产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。7 0 年代则是直流伺服电 机的应用最为广泛的时代。 直流电动机是最早出现的电动机。它的体积小、输出功率大、起动转矩大、工作效 率高、过载能力强、动态特性好、控制方便。因此，在很多要求比较高的调速控制系统 中，仍然选用直流电动机作为主要动力源【4 l 。 直流伺服电动机的结构和一般直流电动机一样，只是为了减小转动惯量而做得细长 一些。该类电机由直流电源直接供电，通过电刷和换向器供给电机定子( 电枢) 绕组，驱 动电机旋转，故称其为直流电动机。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。也 有混合式的，即磁极是永久磁铁。通常采用电枢控制，就是励磁电压一定，建立的磁通 量由也是定值，而将控制电压加在电枢上【5 】o 与交流控制系统相比，直流控制系统 6 x r j 简单、调速性能好，长期以来占统治地位， 当前己经发展的相当完善。随着微电子技术的发展，国际上全数字直流控制系统已经非 常普及。但是直流控制系统也存在这以下的缺点： 1 直流电动机结构复杂，成本高、故障多、维护困难且工作量大，经常因为火花大 而影响生产，同时对其他设备也造成不同程度的电磁干扰。 2 机械换向器的换向能力限制了电动机的容量，电压和速度，接触式的电流传输又 限制了直流电动机的应用场合。 3 电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高。为了改善换向能力， 减小电枢的漏感，转子变得粗短，影响了系统的动态性划3 】。 1 2 2 交流伺服电机系统 从7 0 年代后期到8 0 年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件 技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术一交流 伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域 实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似。其定子上装 有两个位置互差9 0 度的绕组，一个是励磁绕组，它始终接在交流电压上；另一个是控制 绕组，联接控制信号电压。所以交流伺服电动机又称两相伺服电动机。 连续离子交换驱动系统研究 交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步( s m 型) 电动机交流伺服系统和感应式异步( i m 型) 电动机交流伺服系统。其中，永磁同步 电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现 弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁 材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广 泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步 电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技 术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比 较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前 并未得到普遍应用。 系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功 率模块i p m 。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相 交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而 有利于i p m 的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的 控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控 制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三 相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电 流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流 快速可靠等诸多优点。 1 2 3 步进电机系统 步进电机主要用于开环控制系统，也可用于闭环控制系统。步进电机是工业过程控 制及仪表的主要控制元件之一，由于它可以直接接收计算机输出的数字信号，而不需要 进行数模转换，所以步进电机广泛应用于数字控制系统中闭。 步进电机具有快速起停、精确步进以及直接接收数字信号的特点，所以使其在定位 场合中得到了广泛的应用。如在绘图机、打印机及光学仪器中，采用不仅电机来定位绘 图笔、印字头或光学镜头。特别是在工业过程控制的位置控制系统中，应用越来越广泛。 与交流伺服电机相比步进电机有如下特点： ( 1 ) 步进电机最大的特点就是能够简单的做到高精度的定位控制。电机输出轴的角 位移与输入脉冲成正比；转向与通电相序有关。当它转一周后，没有累计误差，具有良 好的跟随性。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 位置及速度控制简便：步进电机再输入脉冲信号时，可以依输入脉冲数量做固 定角度的旋转而得到灵活的角度控制( 位置控制) 。因为速度和脉冲的频率成正比，运 转速度可在相当宽的范围内平滑调解。 ( 3 ) 由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可 靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 ( 4 ) 步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 ( 5 ) 具有定位保持力矩：永磁式、混合式步进电机，能够在停止的情况下，仍具有 励磁力矩保持现有的位置状态，故即使不靠机械式刹车，也能做到停止位置的保持。 ( 6 ) 步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。 ( 7 ) 步进电动机自身的噪声和振动较大控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕 组的通电顺序，可得到各种需要的运行特性。 1 3 连续离子交换系统驱动现状 现在全世界范围内有两家公司生产这种设备，一家为美国a s t 公司生产的i s e p 装 置，另一家是荷兰t l s 公司生产的s f p t o r 装置【8 】o ( 1 ) i s e p 连续离子交换装置 该装置系美国进步技术公司研制开发，并于1 9 8 6 年1 月在佛罗里达州莱克兰成立 了先进分离技术公司( 简称a s t ) 。至1 9 9 6 年a s t 公司己经出售2 0 0 套工业或实验室i s e p 装置，工业装置包括硫酸钾、硝酸钾、氨基酸、柠檬酸脱灰等行业，取得了良好的效果。 i s f p 采用p l c 控制，阀门转动部分由交流伺服电机驱动，转盘由变频电机驱动。当转盘 连同树脂柱匀速转到下一个槽口位置时( 对2 0 个树脂柱来说是1 8 度) ，阀门的转动部分 在伺服电机的带动下迅速转到下1 个槽口的位置并与之对齐。 ( 2 ) s e p t o r 连续离子交换装置 该装置是荷兰t l s 公司的产品，1 r i 暑公司成立于1 9 9 7 年，公司主要人员为原a s t 公司在欧洲的代理人。他们在1 9 9 01 9 9 7 年间为a s t 公司在欧洲销售了3 7 套i s e p 装置， 参加了实验室的测试、中试、安装、开车培训、售后服务及保养工作，从中发现了i s e p 装置的不足之处，并进行了改进，生产出自己的产品s f p t o r 装置，并申请了荷兰专利。 t l s 公司己经销售3 套s f p t o r 装置，最大的一套树脂容积为5 0 立方米，应用于医药 行业。s f p t o r 控制系统由一个装有变频转换控制的带编码器的a c 电机，以及带编码 器的交流伺服电机组成。前者与转盘相连，后者与阀门的固定部分相连。当前者带动转 盘和整个阀门转过1 8 度( 相对2 0 个树脂柱) ，到下1 个槽口位置时，阀门的周定部分在 后者带动下逆向迅速转动到原来的位置，这样便可以进行槽口之间的切换。 连续离子交换驱动系统研究 1 4 本文主要研究内容 本文源于杭州争光树脂有限公司的“连续离子交换系统”的改造项目，主要研究其 脉动配料分配盘的快速转动、精确定位的控制问题以及其电机的驱动器设计。原系统脉 动配料盘采用液压传动控制，改造后的系统采用电气传动控制，提高了控制精度与速度， 减小了其电机拖动功率。 本课题提出混合式步进电机作为旋转配料盘的拖动电机，以低廉的开发成本，快速 的开发过程，操作维护简单为目的，能够适应生产的实际需要。这里采用步进电机作为 拖动电机对步迸在大功率大转矩拖动定位领域有所作为提供了借鉴，丰富了步进电机的 应用领域，为以后解决类似问题提供了一种新的途径。 本系统采用基于自适应控制的步进电机控制方法，对步进电机的加减速进行控制， 设计了其基于双口r a m 双单片机并行通讯的控制器及其步进电机的升频升压的驱动器 电路，并对其驱动电路进行了仿真，得到了满意的结果。 本文主要分为六个部分： ( 1 ) 绪论：概括介绍课题背景，连续离子交换系统驱动系统各种驱动电机，国内外 连续离子交换系统驱动的现状，以及本文研究的主要内容； ( 2 ) 根据工程的需要，对步进电机进行选型，对步进电机控制方式进行了讨论； ( 3 ) 讨论了步进电机的加减速度与位置控制，提出了基于自适应理论的步进电机加 减速控制方式。 ( 4 ) 针对该控制方式，给出了其控制器的设计方法，并详细给出了基于双口r a i i 双 单片机并行通讯方式的数字控制器的硬件实现方案。 ( 5 ) 主要介绍了步进电机驱动器的主要的驱动方式，对它们进行了比较，提出了升 频升压方式的步进电机驱动，详细设计分析电路，详细介绍了驱动器的主电路各个电路 元件的选择，并对驱动器进行了基于m a t l a b s i m u l i n k 的建模，验证了驱动器的设计。 ( 6 ) 总结与展望：对本文研究的主要内容及现阶段取得的成果进行概要的总结，对 需要进一步研究的问题进行了讨论。 一6 一 大连理i ：人学硕士学位论文 2 旋转配料盘控制系统的总体设计 旋转配料盘分为上下两个部分，一部分固定，另一部分转动，改造后系统与原系统 不同之处在于将原系统中旋转的部分改成非旋转的部分而原非旋转部分改成旋转的部 分。改造后的原固定在一个称之为“旋转木马”( c a r o u s e l ) 的装置上的2 0 个类似固定 床( f i x e db e d ) 的圆形柱是固定非旋转的。原上下两端分配器的工作状态也进行置换， 即原旋转部分变成非旋转的部分，原非旋转部分变成旋转的部分。非旋转部分具有2 0 个洵槽或称为窗口( w i n d o w ) 分别与相应的2 0 个圆形柱相联接。旋转部分具有2 0 个 槽口，称之为p o r t 现分配器旋转部分有一根带万向接的轴连接，由电机驱动。 图2 1 改造后系统原理图 f i & 2 1s y s t e m d i a g r a ma f t e r m w f o n n m i o n 改造后的系统与原系统相比，在保证原系统性能不变的前提下，用于驱动旋转的部 分驱动功率则大大减小! 原系统旋转的部分的驱动电机的功率是3 5 k w ，而改造后的系统 旋转的部分的驱动电机的功率仅是1 5 k w 。 原配料盘转动部分采用液压传动驱动，现采用电气控制，需要转矩约为1 5 0 0 n m ，每 次转动角度为1 8 度，要求每1 0 0 转变址误差1 8 。1 。，必须使上、下分配盘的通道对 齐，否则会直接影响区段内物料流速或断流，致使分配盘失去分配作用，不同的工艺下 每转一周所需l l o 小时，每次转动时间应小于8 秒 连续离子交换驱动系统研究 根据其要求，采用步进电机作为其拖动电机，分度定位采用设在配料盘的绝对编码 器对转盘位置进行实时检测，反馈给系统，根据反馈对步进电机转动位置进行补偿，来 实现配料盘的准确定位。 2 1 步进电机及其选型 步进电机主要用于开环控制系统，也可用于闭环控制系统。步进电机是工业过程控 制及仪表的主要控制元件之一，由于它可以直接接收计算机输出的数字信号，而不需要 进行数模转换，所以步进电机广泛应用于数字控制系统中。步进电机是一种将电脉冲 信号转换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。步进电机实际上是一个数字角 度转换器，也是一个串行的数模转换器。输入一个电脉冲，电机就转动一个固定角度， 称为一步，这个固定的角度成为步距角。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置 只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号， 电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累 积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。 2 1 1 步进电机控制方案比较 对于步进电动机，有多种控制方法。在此，仅介绍几种较为常见的，普通的控带4 方 法。 ( 1 ) 基于c i p h 9 8 0 3 芯片的步进电动机控制 c i p h 9 8 0 3 是一种可编程步进电机控制芯片该芯片具有步数设置( 其最大步数可达 1 0 万步) 、可逆运转、启动、停车等多种控制功能，并具有2 个传感输入端口。可用于 控制步进电机的停止与反向运转。此外，还可实现电机的快进与快退等多种功能。实际 应用表明以这种控制芯片为核心的步进电机控制电路简单实用、动作可靠且降低了成 本，提高了产品质量。 工作原理：由键盘可输入步进电机正转、反转标志，快进、快退及步数等。由键盘 启动步进电机运转后，步进电机在运转过程中，既可由键盘控制停止，也可由定位传感 器控制步进电机停车。 基于c i p h 9 8 0 3 控制芯片的步进电机控制电路可使系统具有集成度高，外围电路 简单，便于维护，可靠性高等特点 9 1 ；1 9 9 8 年8 月将该芯片成功应用于湘潭机电厂数控 机床的设备改造中。运行状态表明该系统稳定性好，大大提高了产品质和生产自动化水 平。 ( 2 ) 步进电机的p l c 直接控制 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 典型的控制( 输入信号一指令脉冲控制器一环形脉冲分配器一功率放大器一步进电 机) 各部分的设计、选型、连接往往要求控制系统的设计者花费大量的精力和劳动。接 口信号的匹配以及元器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大。 现有一种用可编程序控制器( p l c ) 直接控制步进电机的方法这条技术线的优点是： 大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。 整个控制系统由p l c 和步进电机组成。作为重工业控制计算机，p l c 的功能越来越强， 不仅仅可用于开关逻辑控制，还可用于闭环过程控制，并可与其它计算机组成多级控制 系统。有了p l c 的强大功能的支持，各种不同控制系统的不同指令脉冲控制器的任务均 可用p l c 的不同控制程序来完成。对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对p l c 出 两个特殊要求。一是在此应用的p l c 最好是具有实时刷新技术的p l c ，使输出信号的频 率可以达到数千赫兹或更高。其目的是使环形脉冲分配器有较高的分配速度，充分利用 步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性；p l c 本身的输出端口应该采用大功 率晶体管，以满足步进电机各相绕阻十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。应该 指出的是采用继电器或可控硅作输出端口的p l c ，即使软件环形脉冲分配器能达到高速 要求。但由于输出端口器件难以高速导通和关断直流电源，不能向步进电机各相绕组提 供驱动脉冲电流，故不能用于步进电机的p l c 直接控制。对于满足一、二两个要求的p l c ， 如美国i p m 公司的i p l 6 1 2 d c - 2 2 0 可编程序控制器，可以对步进电机进行直接控制【l o j 。 ( 3 ) 步进电机的计算机控制 基于单片机的主从式运动控制系统在机械加工中应用更为普遍。但大多数设计人员 常习惯于用逻辑电路实现复杂的步进电机的控制，虽然取得了很大成效，但由于成本高、 费时多，而且一旦组成电路，改进就比较困难，因此不得不完全重新设计控制器。而基 于单片机的主从式运动控制系统以低廉的开发成本、快速的开发周期及良好的实时控制 性能得到人们的青睐。 微处理器与微型计算机的先进技术和便宜的价格给步进电机的控制开创了一个新 局面，完全可以用它来实现复杂而成本又不高的控制系统。由于步进电机的控制是借助 于软件程序来实现，因此可以很灵活地通过改变程序来改变控制方案 ( 4 ) 用数字i o 卡实现对步进电动机的控制 步进电机的控制过去主要采用单片机系统，因为它的价格相对来说比较便宜，技术 也比较成熟。但是单片机的硬件系统的专用性较强，灵活性较差，软件编制的难度也较 大，不易编制复杂的控制系统：而且普通的单片机系统一般只能控制少量的几个步进电 机，对于复杂系统的控制难以满足要求。随着个人计算机的不断普及，采用p c 机直接 连续离子交换驱动系统研究 控制步进电机的做法越来越受到欢迎，因而也产生出了许多专用步进电机控制的p c 插 卡。不过，这些专用插卡的价位很高，通常应用于十几台甚至几十台步进电机的控制。 2 1 2 步进电机及其选型 ( 1 ) 步进电机的特点 步进电动机是一种增量运动的电磁执行元件，这种元件是将数字脉冲输入转换为旋 转或直线增量运动的一种装置，当采用适当的控制时，步进电动机的输出步数( 转角位 移量) 总是和输入的电脉冲数相等，因此它可以作为开环位置系统工作0 1 。在增量运动 方面，步进电动机可以用作具有迅速加速、减速和停机能力的起停运动控制器。 步进电动机以具有低转动惯量、无漂移和无累积定位误差为特征，而且其控制线路 经济简单，不需要反馈编码器和相应的电子线路，特别是近年来微型机方面的发展，使 步进电动机的控制性能大为改善，所以在很多位置和速度控制的应用中都是非常实用 的。 一般步进电机的精度为步距角的3 5 ； 步进电机外表允许的最高温度为摄氏8 0 9 0 度； 步进电机的力矩会随转速的升高而下降； 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声 ( 2 ) 步进电机的选型 步进电机一般在较大范围内调速使用，其功率是变化的，一般只用力矩来衡量。力 矩与功率换算如下： p = q m( 2 1 ) 0 = 2 矗n 6 0 ( 2 2 ) p = - 2 x n l u 6 0( 2 3 ) 其中功率p 的单位为瓦，q 为每秒角速度，n 为每分钟转速，m 为力矩，单位为牛眯。 步进电机有步距角( 涉及到相数) 、静转矩及电流三大要素组成。一旦三大要素确定， 步进电机的型号就确定下来t t ”。 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率( 当量) 换算到电机轴 上，每个当量电机应走多少角度，电机的步距角应等于或小于此角度。 目前市场上步进电机的步距角一般有0 3 6 度o 7 2 度( 五相电机) 、0 9 度1 8 度 ( 三、四相电机) 、1 5 度3 度( 二相电机) 等。 静力矩的选择 大连理工丈学硕十学位论文 步进电机的动态力矩很难确定，往往先确定电机的静力矩。静力矩的选择依据是电 机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦 负载是不存在的。直接启动时两种负载均要考虑，加速启动时主要考虑惯性负载，恒速 运行时只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2 - 3 倍，静力矩一旦选 定，电机的几何尺寸便能确定下来。 电流的选择 静力矩相等的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲 线图，判断电机的电流( 参考驱动电源及驱动电压) 。 参考以上条件，考虑到移动盘转位后需要转矩维持，故采用混合型，本系统采用常 州亨联光机电科技有限公司提供的1 3 0 b y g 3 5 0 b 三相混合式步进电动机： 步距角方面：其步距角为0 6 度1 2 度，其精度为0 6 x 5 l j 6 = o 0 0 3 度，在2 0 0 减速比的减速器作用下，其精度可以达到0 0 0 3 2 0 0 度，完全符合系统精度要求。 静力矩方面：系统力矩需要为1 5 0 0 牛米，1 3 0 b y g 3 5 0 b 静力矩可达4 0 牛以上， 在2 0 0 减速比的减速器作用下，静力矩可达8 0 0 0 牛米，考虑到损耗以及余量要求， 1 5 倍系统力矩要求，以及8 0 0 , 6 系统传动效率，得到系统需要启动力矩为2 8 1 2 5 牛米。 根据1 3 0 b y g 3 5 0 b0 6 度步距角的频一矩特性，采用最高频率6 0 0 0 h z 为步进电机最高频 率，其力矩为2 3 牛米，在2 0 0 减速比的减速器作用下为4 6 0 0 牛米，根据系统动态 力矩要求，满足系统要求。 电流电压选择方面：设计一款步进电机驱动电路来满足要求。 1 3 0 b y g 3 5 0 b 型步进电机性能参数如表2 1 表述，频矩特性如表2 2 表述。 表2 11 3 0 b y g 3 5 0 b 型步进电机性能参数 t a b 2 11 3 0 b y g 3 5 0 bp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r 步进角 频矩特性( n m i ( h z ) 0 6 。4 3 14 0 22 7 42 3 61 4 8 连续离子交换驱动系统研究 步进角精度为5 。减速器高速断速度限制为小于1 5 0 0 r m i n ，令k 为步进电机最 高工作频率则： k x 0 6 。6 0 1 5 0 0 3 6 0 。，得k 1 5 k h z 减速比2 0 0 下根据1 3 0 b y g 3 5 0 b 步进电机频矩特性，采用高速稳定运行频率为6 k h z ， 理想状态下转动1 8 。所需要时间为： ( 1 8 。0 6 。) 2 0 0 ( 1 6 0 0 0 ) = 1 秒 即使考虑步进电机加速、减速、低速恒速运行所消耗的时间，考虑到加速、减速、 低速恒速时间过程相比高速稳定恒速运行时间微小，故不会超过系统变址要求时间限 制。 ( 3 ) 步进电机的驱动方法 步进电机不能直接接到交直流电源上工作而必须使用专用设备一步进电动机驱动 器。步进电动机驱动系统的性能，除与电动机自身的性能有关外，也在很大程度上取决 于驱动器的优劣。 步进电动机驱动器的主要构成如图2 2 示，一般由环形分配器、信号处理级、推动 级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还要有多种保护线路。 各种电子设备的最末级一般需要功率放大，步进电机驱动也是这样。为使步进电机 满足各种需要的输出，驱动级必须对电机绕组提供足够的电压和电流。但步进电机驱动 与一般电子设备的驱动有不同的特点，主要体现在： 各相绕组都是开关工作；电机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以有比较 大的电感；绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结 果使应该电流截止的相不能立即截止；电机运转时在各相绕组中将产生旋转电势， 这些电势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响；电机绕组中有电感电势、互 大连理 大学硕士学位论文 感电势、旋转电势。研究驱动级线路，应该既要保证绕组有足够的电压电流及正确的波 形，同时又要保证驱动级功率放大器件的安全运行。 ( 4 ) 步进电机应用中的注意点： 步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大；动惯量大的负载应选择 人机座号电机；步进电机在较高速或大惯量负载时，一般不用工作速度启动，而采 用逐渐升频提速，其优点是：第一，电机不失步；第二，可以减少噪声同时可以提高 停止的定位精度；高精度时，应通过机械减速、提高电机速度或采用高细分驱动器 来解决，也可以采用5 相电机，不过整个系统的价格较贵，生产厂家少；电机不应 在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼来解决【1 1 】；应遵循 先选电机后选驱动的原则。最好采用同一生产厂家的控制器、驱动器和电机；应注 重可靠性而轻性能，重品质而轻价格。 2 2 步进电机的控制策略 步进电机的主要有点之一就是能在开环系统中工作。在开环控制下，步进电机受连 续脉冲问具有预定时自j 间隔的脉冲序列所控制。这种运行方式由于控制路线经济简单， 不需要反馈编码器和相应得电子线路，所以在很多位置和转速控制的应用中都是令人感 兴趣的。对于任何常规的控制系统，只要能够符合精确稳定标准，就可以采用这种控制 线路。就步进电机而言，关键在于电动机应遵循每个脉冲指令，以便在控制运行结束时， 所走的总步数等于给定脉冲总数。遗憾的是，在开环控制下，步进电机的性能往往受到 限制。 一般的说，一台步进电机具有什么样的性能，很大程度上取决于用什么方法控制它。 因为如果没有反馈，就无法知道电动机是否丢失脉冲，或者电动机转速响应是否摆动过 分，所以步进电机的开环性能受到限制是理所当然的。输入脉冲链的频率太高，电动机 不能完全跟上脉冲的变化是屡见不鲜的。 采用位置反馈或速度反馈来确定与转子位置相适应的正确转位变换，可以大大改进 步进电机的性能。采用闭环控制，不仅可以获得更加精确的位置控制和高得多、平稳的 多的转速，而且可以在步迸电动机的许多其他领域内获得更大的通用性。 在系统中引用检测环节并对其进行闭环控制，可以从根本上解决步进电机系统的精 度问题，检测环节可将检测到的实际位移反馈给控制器，控制器根据检测到的运动部件 的实际位置和速度状态，来调整输入脉冲的数量、频率、使步进电机稳定在正常工作运 行状态，并使运动部件的实际位置与指令要求一致，从而满足步进电机的精度和可靠要 求。 本系统采用基于双口r 删并行通讯的双单片机的控制方案，副单片机通过绝对编码 器，对配料盘角度进行实时采集，主单片机根据副单片机的角度采集数据，对步进电机 运动状态进行实时控制，并与上位机进行通讯。霍尔位置定位元件与1 3 位绝对式旋转 编码器作为位置检测元件，其闭环控制功能框图如图2 3 所示。其中1 3 位编码器的分 辨率为0 0 4 3 9 4 5 3 1 2 5 度，系统要求精度为0 5 度，步进电机步进角为0 0 0 3 度，完全 符合要求。 图2 3 闭环控制功能框图 f i g 2 3t h eb l o c kd i a g r a mo f c l o s el o o pc o n t r o l 2 3 步进电机的软件设计 2 3 1 步进电机的点位控制 谓点位控制，就是控制电机拖动负载从一个位置运行到另个位置。对步进电机而言， 就是控制电机从一个锁定位置运行若干步到达另一个位置进入锁定状态这里要求电机 实际运行的步数一定要与设定相符，不允许有误差【l “。 用微机实现对步进电机的点一位控制一般需要在系统内设置两个坐标，一个是绝对 坐标系，一个是增量坐标系1 3 l 。所谓绝对坐标系，实际上是整个系统设定的坐标系，有 一个起点，有一个终点，两点之问的电机运行总步数为最大行程。系统的绝对坐标值， 即是电机转角代表的系统的位置坐标，电机运行过程中，绝对坐标值一直跟踪系统位置 的变化。系统还需要对坐标值经常进行检测，一旦发现越限故障，即发出报警信号所 谓增量坐标值，实际是记录在一个步内系统位置的变化。例如，系统从一个位置按一定 的速度运行到另一个位置，两个位置绝对坐标值的差称为增量坐标值。如向正方向运动， 则增量坐标值为正号；如向负方向运动，则增量坐标值为负号。系统在运动之前，增