综合实验五.步进电机及驱动电路

1 步进电机及驱动电路工作原理步进电机及驱动电路工作原理 1 什么是步进电机 步进电机是一种作为控制用的特种电机 是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 通俗 一点讲 当步进电机收到一个脉冲信号 就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角 度 即步进角 通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目的 同时您 可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速的目的 步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中 如机器人 打印机 软盘 驱动器 绘图仪 机械阀门控制器等 1 步进电机按相分类步进电机按相分类 步进电机分为二相 三相 四相 采用单极 性直流电源供电 只要对步进电机的各相绕组按 合适的时序通电 就能使步进电机步进转动 图 a c 中 当一个绕组通电后 其定子磁极产生 磁场 将转子吸合到此磁极处 若绕组在控制脉 冲的作用下 通电方向顺序按照 这四个状态周而复始进行变化 电机可顺时针 转动 控制脉冲每作用一次 通电方向就变化一 次 使电机转动一步 即 90 度 4 个脉冲 电机 转动一圈 图 b d 中 当 A B 相绕组同时通电时 转子将 停在 A B 相磁极中间 如图 1 b d 所示 若通电方向顺序按照 图 1二相步进电机步进示意图 这 8 个状态周而复始进行变化 电机顺时针转动 电机每转动一步 为 45 度 8 个脉 冲电机转一周 与通电顺序 a c 相比 它的步距角小了一半 2 图 2 三相步进电机步进示意图 图 3 四相步进电机工作原理示意图 四相步进电机工作原理 四相步进电机工作原理 开始时 开关 SB 接通电源 SA SC SD 断开 B 相磁极和转子 0 3 号齿对齐 同 时 转子的 1 4 号齿就和 C D 相绕组磁极产生错齿 2 5 号齿就和 D A 相绕组磁极 产生错齿 当开关 SC 接通电源 SB SA SD 断开时 由于 C 相绕组的磁力线和 1 4 号 齿之间磁力线的作用 使转子转动 1 4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐 而 0 3 号齿和 A B 相绕组产生错齿 2 5 号齿就和 A D 相绕组磁极产生错齿 依次类推 A B C D 四相绕组轮流供电 则转子会沿着 D C B A 方向转动 四相步进电机按照通电顺序的不同 可分为单四拍 双四拍 八拍三种工作方式 单 四拍与双四拍的步距角相等 但单四拍的转动力矩小 八拍工作方式的步距角是单四拍与 双四拍的一半 因此 八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度 单四拍 双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 2 a b c 所示 图 4 步进电机工作时序波形图 3 步进电机特点步进电机特点 1 步进电机的力矩会随转速的升高而下降 当步进电机转动时 电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势 频率越高 反向电动势 越大 在它的作用下 电机随频率 或速度 的增大而相电流减小 从而导致力矩下降 2 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 步进电机有一个技术参数 空载启动频率 即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲 频率 如果脉冲频率高于该值 电机不能正常启动 可能发生丢步或堵转 在有负载的情 况下 启动频率应更低 如果要使电机达到高速转动 脉冲频率应该有加速过程 即启动 频率较低 然后按一定加速度升到所希望的高频 电机转速从低速升到高速 3 4 4 步进电机驱动器步进电机驱动器 步进电机的运行要有一电子装置进行驱动 这种装置就是步进电机驱动器 它是把控 制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移 或者说 控制系统每发一个脉冲信号 通过驱动器就使步进电机旋转一步距角 所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比 所以 控制步进脉冲信号的频率 可以对电机精确调速 控制步进脉冲的个数 可以对 电机精确定位目的 目前 对步进电机的控制主要有由数字器件组成的环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配 器 专用集成芯片环形脉冲分配器等 数字器件组成的环形脉冲分配器体积比较大 其可 靠性较低 软件环形分配器要占用主机的运行时间 降低了速度 专用集成芯片环形脉冲分 配器集成度高 可靠性好 但其适应性受到限制 同时开发周期长 费用较高 5 5 驱动器的细分 运行拍数 步距角如何计算驱动器的细分 运行拍数 步距角如何计算 要了解 细分 先要弄清 步距角 这个概念 它表示控制系统每发一个步进脉冲信 号 电机所转动的角度 电机出厂时给出了一个步距角的值 如 86BYG250A 型电机给出的值为 0 9 1 8 表示半步工作时为 0 9 整步工作时为 1 8 这个步距角可以称之为 电机固有步 距角 它不一定是电机实际工作时的真正步距角 真正的步距角和驱动器有关 参见下 表 以 86BYG250A 四相电机为例 电机固有步距角 运行拍数 细分数 电机运行时的真正步距角 0 9 1 8 驱动器工作在 2 细分即半步状态 0 9 0 9 1 8 驱动器工作在 5 细分状态 0 36 0 9 1 8 驱动器工作在 10 细分状态 0 18 0 9 1 8 驱动器工作在 20 细分状态 0 09 0 9 1 8 驱动器工作在 40 细分状态 0 045 简单地讲 细分数就是指电机运行时的真正步距角是固有步距角 整步 的几分指一 从上表可以看出 驱动器工作在 10 细分状态时 其步距角只为 电机固有步距角 的十分 之一 也就是说 当驱动器工作在不细分的整步状态时 控制系统每发一个步进脉冲 电 机转动 1 8 而用细分驱动器工作在 10 细分状态时 电机只转动了 0 18 这就是细 分的基本概念 6 6 驱动器细分的优点驱动器细分的优点 其一 完全消除了电机的低频振荡 低频振荡是步进电机 尤其是反应式电机 的固有 特性 而细分是消除它的唯一途径 其二 提高了电机的输出转矩 细分比不细分输出转矩对各种电机都有不同程度的提升 其三 提高了电机的分辨率 减小了步距角 提高了步距的均匀度 为了保证电机输出的力矩均匀 A B 相线圈 电流的大小也要调整 使 A B 相产生的合 力在每个位置相同 图 2 所示为电机四细分 时 A B 相线圈电流的比例 A B 相线圈 电流大小与转角关系如图所示 从图中可以看出 步进电机的相电流是按正 弦函数 如虚线所示 分布的 细分数越大 相电流越接近正弦曲线 4 7 常用驱动器电路驱动器电路 5 6 综合实验四综合实验四 步进电机及驱动电路步进电机及驱动电路 一 步进电机是一种作为控制用的特种电机 是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 通俗一点讲 当步进电机收到一个脉冲信号 就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定 的角度 即步进角 通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目的 同 时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速的目的 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件 它在速度 位置等 控制领域应用于对精度要求比较高的运动控制系统中 如机器人 打印机 软盘驱动器 绘图仪 机械阀门控制器等 步进电机必须由脉冲信号源 环形脉冲分配器 功率驱动电路等组成控制系统方可使 用 二 基本要求 1 利用实验台时钟脉冲产生电路 实现步进电机的正转 反转控制 2 用 IC 设计一个四相单四拍 四相双四拍环形分配器及功率驱动电路 3 有速度可变的功能 4 实验电机参数 四相步进电机 工作相电压为 10V 2 74LS194 移位寄存器应用移位寄存器应用 74LS194 功能表 CLKCLRS1S0 功能 QD QC QB QA 0 清零CLR 0 时 输出 0 CLR 1 时正常工作 111 送数 A B C D 101 右移 QA QB QC QD QA 110 左移 QA QD QC QB QA 100 保持 QD QC QB QA 1 保持 QD QC QB QA 7 三 参考电路 见附图 四 实验要求 1 接接电路 调节实验台上信号源使频率在 2 300Hz 观察电机运传情况 2 改变 K3 K4 观察电机运传方向 观察发光指示情况 3 改变 K1 K2 用手感觉电机运传力矩 4 用双踪示波器依次观察脉冲输入点及 a a b b c c d 点波形 并记录与上图比较 写出实验报告 3 U 2 U L N 2 0 0 3 A 1 I N 1 2 I N 2 3 I N 3 4 I N 4 5 I N 5 6 I N 6 7 I N 7 1 6 O U T 1 1 4 O U T 3 1 3 O U T 4 1 2 O U T 5 1 1 O U T 6 1 0 O U T 7 1 5 O U T 2 9 C O M D I O D E 8 G N D K 1 K 2K 3 K 4 步进电机 V C C 1 0 V U 1 7 4 L S 1 9 4 2 S R 3 A 4 B 5 C 6 D 7 S L 1 1 C L K 9 S 0 1 0 S 1 1 C L R 1 5 Q A 1 4 Q B 1 3 Q C 1 2 Q D 1 6 V C C 8 G N D L E D CL E D DL E D BL E D A R