基于单片机步进电机速度控制研究

基于单片机步进电机速度控制研究基于单片机步进电机速度控制研究 本文对步进机一个全面的介绍 再基于单片机对步进电机 的控制 本文采用硬件控制系统 通过单片机 mc9s12xs128 与 光电编码器对步进电机进行速度的控制 最后对步进电机的速 度曲线进行研究 步进电机又称为脉冲电动机或者阶跃电动机 作为执行元 件 是机电一体化的关键产品之一 广泛应用于各种自动化控 制系统之中 比如当今电子钟表 工业机械手 包装机械和汽 车制动元件的测试中等 步进电机在未来应用前景会往更加小 型化 从圆形电动机往方形电动机和四相 五相往三相电动机 发展 而这便需要对步进电机的控制提出了更高的要求 1 步进电机综合介绍步进电机综合介绍 1 1 步进电机分类 步进电动机的种类很多 从广义上讲 步进电机的类型分 为机械式 电磁式和组合式三大类型 按结构特点电磁式步进 电机可分为反应式 vr 永磁式 pm 和混合式 hb 三大类 按相 数分则可分为单相 两相和多相三种 目前使用最为广泛的为 反应式和混合式步进电机 1 1 1 反应式步进电机 反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的 转子中没有 绕组 一般为三相 可实现大扭矩的输出 步进角一般为 1 5 度 它的结构简单 成本低 但噪音大 1 1 2 永磁式步进电机 永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成 转子本身就是 一个磁源 转子的极数和定子的极数相同 所以一般步距角比 较大 步进角一般为 7 5 度或 15 度 它输出转矩大 动态性能 好 消耗功率小 但启动运行频率较低 还需正负脉冲供电 1 1 3 混合式步进电机 混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点 它分 为两相和五相 两相的步进角一般为 1 8 度 而五相的步进角 为 0 72 度 混合式与传统的反应式相比 结构上转子加有永磁 体 以提供软磁材料的工作点 而定子激磁只需提供变化的磁 场而不必提供磁材料工作点的耗能 因此该电机效率高 电流 小 发热低 目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机 1 2 步进电机的工作原理 步进电机是将电脉冲信号转化为角位移增量 也即是说 当步进驱动器接收到一个脉冲信号时 便驱动电机按照设定的 方向转动一定的角位移量 我们可以通过控制脉冲的个数来控 制步进电机的角位移量 通过控制脉冲的频率来控制速度与加 速度 定子齿有三个励磁绕组 其几何轴线分别于转子的轴线错 开 当 a 相通电时 由于定齿的 a 齿与转子的 1 齿对齐 没有 切向力 转子静止 接着 b 相通电 转子齿偏移定子一个角度 由于励磁磁通力图沿着磁阻最小的路径通过 因此对转子产生 电磁吸力 迫使转子齿转过转动 当转子转到定子齿对齐位置 时 因转子只受径向力而无切向力的作用 故转矩为零 转子 被锁定在该位置上 综上可得出 错齿是促使步进机旋转的根 本原因 在非超载的情况下 电机转速 停止的位置只取决于脉冲 信号的脉冲数和脉冲频率 而不受负荷变化的影响 本文是基 于这个条件下进行步进电机速度控制研究 2 步进电机控制系统的研究步进电机控制系统的研究 2 1 脉冲控制的方法 实现脉冲的分配的方法有两种 软件法和硬件法 软件法 在电机运行的过程中 要不停地产生控制脉冲 占用了 cpu 大 量的时间 可能会使单片机无法进行其它工作 所以现在大部 分都是采用硬件法 2 2 控制系统硬件设计的研究 良好的驱动系统方案能强有力的支撑步进电机升降速曲线 的设计 控制系统每发一个脉冲信号 通过驱动器就能够驱动 步进电机旋转一个步距角 步进电机的转速与脉冲信号的频率 成正比 角位移量与脉冲个数相关 步进电机停止旋转时 能 够产生两种状态 制动加载能够产生最大或部分保持转矩 通 常称为刹车保持 无需电磁制动或机械制动 及转子处于自由 状态 能够被外部推力带动轻松旋转 步进电机驱动器 必 须与步进电机的型号相匹配 否则 将会损坏步进电机及驱动 器 电机驱动系统的性能直接影响和制约加减速曲线的效果 其 硬件方面 基于 mc9s12xs128 16 位 mcu 以及光电编码 器 步进电机驱动电路 单片机最小系统板电路支撑软件平台 mc9s12xs128 是飞思卡尔公司为成本敏感型汽车车身电子 应用而设计的 16 位微控制器 其相关特性足以满足此控制系统 的设计要求 mc9s12xs128 mcu 主要特性 1 s12x cpu 最高总线速度 40mhz 2 2 128kb 闪存 带有错误校正功能 ecc 3 带有 ecc 的 4kb 至 8kb dataflash 用于实现数据或 程序存储 4 可配置 8 10 或 12 位模数转换器 adc 转换时间 3 s 5 支持控制区域网 can 本地互联网 lin 和串行外 设接口 spi 协议模块 6 带有 16 位计数器的 8 通道定时器 7 出色的 emc 及运行和停止省电模式 电机驱动电路的设计采用 uln2003 芯片 uln2003 是高 耐压 大电流达林顿陈列 由七个硅 npn 达林顿管组成 其工 作电压高 工作电流大 灌电流可达 500ma 并且能够在关态 时承受 50v 的电压 输出还可以在高负载电流并行运行 基于步进电机升降速曲线的设计选用四相五线步进电机 最小步进角 7 5 度 通过电机驱动细分原理 可使最小步进角 变为 3 75 度 四相电机常见的运行方式为四相四拍和四相八拍 四相四拍运行方式即 ab bc cd da ab 四相八拍运行方式即 a ab b bc c cd d da a 当电机绕组通电时序为 ab bc cd da 时 电机为正转 改变通电时序为 da cd bc ab 时电机则为反转 步进电机升降速曲线设计步进电机升降速曲线设计 步进电机启动和停止的时候 一般情况下 系统的极限启 动频率比较低 而要求的运行速度往往比较高 如果系统以要 求的运行速度直接启动 因为该速度已经超过极限启动频率而 不能正常启动 起则发生丢步 重则根本不能启动 产生堵转 系统运行起来后 如果达到终点时立即停止发送脉冲 令其立 即停止 则由于系统惯性的作用 步进电机会转过控制器所希 望的平衡位置 为了克服步进失步和过冲现象 应该在启动停 止时加入适当的加减速控制 步进电机常用的升降频加减速控 制方法有 4 种 3 1 直线升降频 电机运动时 其运动过程是首先以一定的加速度加速运动 当速度达到指定的速度时 开始匀速运动 减速时 以一定的加速 度减速运动到指定的速度后匀速运动或停下来 在步进电机升 速过程中 直线规律速度控制是加速度保持一个恒定值不变 速度 以直线规律上升 该种加减速方法快速性较好 控制方法计算简 单 所以适用于控制系统处理速度较慢且对升降速过程要求不 高的场合 将影响电机和机械系统的使用寿命 这种方法是以恒 定的加速度进行升降 平稳性好 适用于速度变化较大的快速 定位方式 加速时间虽然长 但软件实现比较简单 以往研究表明 步进电机处于负载状态下可以按预期的目 标升降速 但是反映出过冲量大 稳定性差 噪音大的现象 所 以在短距离的步进电机加减速控制中不适合采用该方法 同时 由于这种速度控制方法的加速度是恒定的 其缺点是未充分考虑 步进电机输出力矩随速度变化的特性 步进电机在高速时会发生 失步 因此 除部分特殊场合 线性规律控制已逐步退出历史的舞 台 3 2 阶梯曲线升降频 将步进电机的升降过程离散为一个不连续的区间 控制器 件所发出的驱动脉冲受阶梯函数的控制 即步进电机的转速每跃 升 1 个台阶后 恒速运转一段时间 通过反馈机制比较当前速度与 目标速度是否一致 若不一致则相应的加或减一个脉冲档位 这 种方法的缺点是在恒速阶段没有加速 未充分利用步进电机的加 速性能 而且在高频段加速台阶高 步进电机在速度越阶时会发生 失步 3 3 指数曲线升降频 指数规律加减速是指在加减速过程控制中 步进电机的速 度是指数规律上升或下降的 开始加速度最大 并且随着速度的 升高而逐渐减小 速度上升得越来越慢 当速度上升至最高值时 加速度降低至最小 理想情况下应接近于 0 用指数规律加减速 能充分保证步进电机的运行稳定性 同时兼顾了升降运行快速性 事实上 用指数规律加减速完全可以满足短距离步进控制的要求 它符合步进电机加减速过程的运动规律 能充分利用步进电机 的有效转矩 快速响应性能较好 升降时间短 指数升降控制 具有较强的跟踪能力 但当速度变化较大时平衡性较差 3 4 抛物线升降频 抛物线升降频将直线升降频和指数曲线升降频融为一体 充分利