【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)步距角為 。 圖 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖 步進(jìn)電機(jī)伺服控制的研究現(xiàn)狀 國外步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 世界上第一個(gè)伺服系統(tǒng)是由美國麻省理工學(xué)院輻射實(shí)驗(yàn)室于 1944年研制成功的火炮自動(dòng)跟蹤目標(biāo)伺服系統(tǒng)。這種早期的伺服系統(tǒng)是采用交磁電機(jī)擴(kuò)大機(jī)一直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式 ,由于交磁電機(jī)的頻率響應(yīng)差 ,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及電氣時(shí)間常數(shù)都比較大 ,因此響應(yīng)速度比較慢。 在 20世紀(jì) 60年代初期 ,步進(jìn)電機(jī)主要采用液壓伺服系統(tǒng) ,運(yùn)用在數(shù)控機(jī)床方面。該伺服系統(tǒng)與直流伺服電機(jī)相比 ,響應(yīng)時(shí)間短 ,輸出相同扭矩時(shí)伺服部件的夕丨形尺寸小。但由于液壓伺服系統(tǒng)存在著發(fā)熱量大、效率低、污染環(huán)境和不便于維修等缺 點(diǎn) ,因此逐漸被步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和新型伺服電機(jī)所代替。 20世紀(jì) 60年代中期 ,由小功率型伺服步進(jìn)電機(jī)和液壓扭矩放大器組成的開環(huán)伺服系統(tǒng)一度廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中 ,其中日本 FUNAC公司研制的電液脈沖馬達(dá)伺服系統(tǒng)最具代表性。但由于該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且可靠性差 ,經(jīng)過很短時(shí)間后就被其它伺服系統(tǒng)所取代。 ` 20世紀(jì) 70年代 ,美國 GEHYS公司首先研制成功了大慣量直流電動(dòng)機(jī) ,即通常所指的寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)的峰值扭矩可以達(dá)到額定扭矩的 10~15倍。 20世紀(jì) 80年代以來隨著大規(guī)模集成電路、電力電子學(xué)的發(fā)展 ,特別是計(jì)算機(jī) 對交流電動(dòng)機(jī)的磁場進(jìn)行矢量控制技術(shù)的重大突破 ,使長期以來人們一直試圖在調(diào)速和伺服控制中應(yīng)用交流電動(dòng)機(jī)取代直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 20世紀(jì) 90年代 ,在經(jīng)濟(jì)型定位系統(tǒng)改造及機(jī)器人等定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 ,有三分之二以上采用的是步進(jìn)電機(jī)作為伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。因步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、便于制造 ,成本相對低廉 ,所以迄今為止 ,在運(yùn)動(dòng)速度較低、輸出扭矩較小的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上仍然得到普遍應(yīng)用。因此 ,如何改善電機(jī)的控制方法以提高定位系統(tǒng)的定位精度 ,成為提高伺服系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。 21世紀(jì)至今 ,主要以 DSP為核心的 步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)了伺服控制系統(tǒng)的速度環(huán)、位置環(huán)和電流環(huán)的全數(shù)字化控制。主要優(yōu)勢是運(yùn)算速度快 ,系統(tǒng)的加速性能好 ,從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒 ,適用于快速起停場合。采用軟件控制代替了硬件控制 ,簡化了伺服系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) ,降低硬件成本。 國內(nèi)步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 與國外的伺服控制系統(tǒng)相比較 ,中國對伺服控制系統(tǒng)的研發(fā)較晚些 .,20世紀(jì)60年代之前 ,中國早期的伺服控制系統(tǒng)所使用的伺服控制系統(tǒng)產(chǎn)品均從國外進(jìn)口而來 ,對于伺服控制技術(shù)方面 ,呈現(xiàn)一片空白的局面。 20世紀(jì) 70年代 ,迫于對國外伺服控制產(chǎn) 品的壓力 ,中國的華中數(shù)控、廣泰數(shù)控、時(shí)光科技等伺服廠家 ,開始開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的伺服控制產(chǎn)品 ,其中時(shí)光科技有限公司主要針對中大功率異步電機(jī)伺服控制器市場 ,其驅(qū)動(dòng)技術(shù)、成本、等均有很明顯的優(yōu)勢。該公司自行研發(fā)生產(chǎn)的 132KW的大功率伺服控制器 ,國產(chǎn)品牌中遙遙領(lǐng)先。 在 20世紀(jì) 80年代 ,中國通過引進(jìn)、消化、吸收國外伺服控制的先進(jìn)技術(shù) ,又在國家“七五”、“八五”、“九五”期間對伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行重大科技項(xiàng)目攻關(guān)取得了很大成果。但由于產(chǎn)品可靠性差等方面的原因 ,制約著中國伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用 ,從而影響伺服控制系統(tǒng)的大量推廣 。一些伺服廠家不得不選用國外的伺服系統(tǒng)。 20世紀(jì) 90年代至今 ,中國不斷組織伺服控制技術(shù)的研討會(huì) ,一此民營高科技公司也為發(fā)展我國伺服控制技術(shù)注入了新的活力 ,其中以北京中寶倫自動(dòng)化技術(shù)有限公司的 PDC系統(tǒng)直流伺服控制系統(tǒng)為代表產(chǎn)品 ,其采用了最新一代的功率器件IPM. PWM控制 ,調(diào)制頻率達(dá)到 15kHz,伺服控制水平顯著提高 ,有效地彌補(bǔ)了之前產(chǎn)品的一些缺陷與不足。 21世紀(jì) ,國產(chǎn)伺服控制系統(tǒng)與國外相比仍存在一定的差距 ,尤其在驅(qū)動(dòng)裝置、定位速度、定位精度等方面 ,這些要求的滿足主要與伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性存在直接 關(guān)系。伺服產(chǎn)品未來將向著更高定位精度、驅(qū)動(dòng)裝置更高效的方向發(fā)展 ,以適應(yīng)現(xiàn)代控制策略的發(fā)展方向。 步進(jìn)電機(jī)伺服控制目前存在的主要問題 目前 ,我國的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的發(fā)展規(guī)模 ,但也存在如下問題 : 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 ,多采用 PLC、 DSP等進(jìn)行控制 ,系統(tǒng) 發(fā)成本高及控制復(fù)雜 ,制約著中小型企業(yè)的應(yīng)用需求。而選用單片機(jī)作為控制器 ,極大的降低了系統(tǒng)成本 ,且可靠性高 ,控制靈活。 ,以往的步進(jìn)電機(jī)伺服控制產(chǎn)品 ,僅針對某一具體型號步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng) ,驅(qū)動(dòng)方法相對死板 ,單一 ,而選 用 L297與 L298N芯片配合驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) ,可實(shí)現(xiàn)兩相或四相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作。此種驅(qū)動(dòng)方法相對靈活許多 ,且驅(qū)動(dòng)器成本低廉。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 第二章 總體方案設(shè)計(jì)及步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制器的技術(shù)路線包括以下六部分 ,技術(shù)路線圖如圖 示 : ,確定所選取的硬件器件 ,并設(shè)計(jì)符合要求的硬件電路 。 Proteus軟件環(huán)境下 ,繪制步進(jìn)電機(jī)伺服控制器的硬件電路原理圖 。 Keil軟件平臺(tái) ,實(shí)現(xiàn) C語言程序的調(diào)試與編譯工作 。 Proteus及 Keil軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真 ,并調(diào)試及驗(yàn)證程序的正確性 。 Protel軟件生成系統(tǒng) PCB圖 ,制作硬件電路板實(shí)物 ,加載軟件程序。 ,完成硬件實(shí)物的制作。 圖 研究路線圖 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 2. 1 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作過程 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)包括步距角、精度、轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)頻率、運(yùn)行頻率等。 步距角即為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通入電信號后 ,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度值。國產(chǎn)步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)步距角為 、 、 、 度等。 用最大步距誤差或最大累積誤 差來說明精度的準(zhǔn)確程度最大步距誤差即當(dāng)電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈完成后 ,每相鄰兩步之間產(chǎn)生的最大步距角度與理想步距的差值。最 大累積誤差即是電動(dòng)機(jī)從某一不確定的位置運(yùn)轉(zhuǎn) ,經(jīng)過無數(shù)步工作之間 ,角位移量 誤差的最大數(shù)值。 作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo) ,轉(zhuǎn)矩分為定位轉(zhuǎn)矩、靜轉(zhuǎn)矩等。定位轉(zhuǎn)矩即 是在繞組未通入電信號時(shí) ,電磁轉(zhuǎn)矩的最大數(shù)值。一般狀態(tài)下 ,反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 定位轉(zhuǎn)矩為 0,混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有一定的定位轉(zhuǎn)矩值。 在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常的運(yùn)行狀態(tài)下 ,全速運(yùn)行而未產(chǎn)生失步現(xiàn)象 ,則此過程的最 大頻率值為 響應(yīng)頻率。響應(yīng)頻率也可以用啟動(dòng)頻率來進(jìn)行表示。 在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)下 ,首先是從啟動(dòng)頻率 始運(yùn)轉(zhuǎn) ,隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率越來越高 ,電動(dòng)機(jī)在某一頻率上有可能會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象 ,而電動(dòng)機(jī)未產(chǎn)生失步前的那個(gè)極限頻率值即為運(yùn)行頻率。 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)剖面圖如圖 所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由定子及轉(zhuǎn)子組成。兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有 A 和 B 兩相控制繞組 ,在電動(dòng)機(jī)上 ,轉(zhuǎn)子分為兩段 ,即 N極轉(zhuǎn)子和 S 極轉(zhuǎn)子 ,在磁場的作用下 ,通過軸向上的永久磁鐵 ,轉(zhuǎn)子與定子進(jìn)行相互作用 ,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的 JH 常 運(yùn)轉(zhuǎn)。該電動(dòng)機(jī)具有動(dòng)態(tài)性能好 ,輸出力矩值較大 ,穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn) ,其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為 度。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 圖 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的剖面圖 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 :當(dāng)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通入電信號時(shí) ,控制繞組就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁動(dòng)勢 ,通過與永久磁鐵產(chǎn)生的磁動(dòng)勢相互影響下 ,促使電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生 ,從而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的步進(jìn)動(dòng)作。 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有 A和 B兩相控制繞組 ,用 A與 B表示兩相繞組通入正向電流 ,用 A39。和 B39。表示兩相繞組通入反向電 流。而兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常見的工作方式包括兩相單四拍 (A — B — A39。 一 B39。 一 A),兩相雙四拍 (AB — BA39。 一 A39。 B39。 一 B39。 A 一 AB)和兩相八拍工作方式等。當(dāng)定子各相控制繞組按照 A — B — A39。 一 B39。 一 A 順序通電 ,每改變一次通電狀態(tài) ,轉(zhuǎn)子沿方向轉(zhuǎn)過四分之一齒距 ,即 360/(50X4)= 度。當(dāng)定子繞組按四拍和八拍通電時(shí) ,轉(zhuǎn)子分別轉(zhuǎn)過 度和 度。 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的樣機(jī)簡介 本研究選用 42BYGH101 型號的兩相永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為系統(tǒng) 的主要執(zhí)行元件。永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。此種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由定子及轉(zhuǎn)子組成。定子由娃鋼片堆疊制成 ,轉(zhuǎn)子鐵心由娃鋼片制成 ,轉(zhuǎn)子永磁體由鉛鎳鉆制成 ,轉(zhuǎn)子軸由不誘鋼材料制成。兩相永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)信息如表 所示。其外觀圖如圖 所示。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 圖 42BYGH101 型步進(jìn)電機(jī)外觀圖 表 42BYGm01 型步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 步距角 相數(shù) 電壓 /V 電流 /A 功率 /V 靜轉(zhuǎn)矩 / 定位轉(zhuǎn)矩 控制 原理及控制系統(tǒng)分類 控制原理及應(yīng)用 伺服控制系 ?統(tǒng)是以位置、速度等為控制參數(shù)的系統(tǒng) ,是一種能夠跟蹤輸入給定信號并產(chǎn)生動(dòng)作 ,從而獲得準(zhǔn)確的位置、速度等輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程按時(shí)間先后大致可分為液壓伺服系統(tǒng)、電氣伺服系統(tǒng)、氣動(dòng)伺服系統(tǒng)三個(gè)階段。液壓伺服系統(tǒng)是以液壓伺服閥作為核心元件 ,實(shí)現(xiàn)以小功率的電信號輸入 ,控制大功率的液壓能輸出的過程。隨著伺服控制技術(shù)的不斷發(fā)展 ,在二十世紀(jì)六十年代的時(shí)候 ,液壓伺服系統(tǒng)己無法滿足現(xiàn)有的伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展要求 ,電氣伺服系統(tǒng)的出現(xiàn) ,彌補(bǔ)了液壓伺服系統(tǒng)的 不足之處。電氣伺服系統(tǒng)是以伺服電機(jī)、反饋裝置和控制器組成的控制系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)具有精度高、易于控 .制等優(yōu)點(diǎn)。直到八十年代的時(shí)候 ,伺服控制系統(tǒng)掀 了薪新的一頁 ,技術(shù)方面有了較大的突破 ,氣動(dòng)伺服系統(tǒng)已經(jīng)替代了以往的伺服控制系統(tǒng) ,成為時(shí)代發(fā)展的主流控制系統(tǒng)。氣動(dòng)伺服系統(tǒng)是采用壓縮空氣作為動(dòng)力的伺服系統(tǒng)。隨著大量用戶需求的逐漸增多 ,伺服控制系統(tǒng)也在不斷更新控制方法 ,這產(chǎn)生了許多各式的配置方式。目前 ,伺服系統(tǒng)正朝著數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展隨著伺服控制技術(shù)的突飛猛進(jìn) ,伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)涵蓋許多控制領(lǐng)域。 伺服控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于半導(dǎo)體、數(shù)控機(jī)床、電子及通信設(shè)備制造業(yè)、數(shù)字化裝備制造業(yè)等方面。它具有許多學(xué)科相互交叉的性質(zhì) ,已形成了綜合性的技術(shù)體系 ,是未來極具潛力的控制理論常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 之一。 控制系統(tǒng)的分類 伺服系統(tǒng)的類型較多 ,按其系統(tǒng)的控制方式可作如下分類 :開環(huán)式伺服系統(tǒng)、閉環(huán)式伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)式伺服系統(tǒng)。 環(huán)伺服系統(tǒng)以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或電液脈沖馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件 ,其被控對象的輸出對控制器的輸入沒有影響。 環(huán)伺服系統(tǒng)如圖 所示。系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)脈沖信號 ,經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后 ,送給執(zhí)行元件 ,使其轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定 的角度 ,實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的控制。開環(huán)系統(tǒng)控制簡單 ,維護(hù)方便 ,但系統(tǒng)控制精度相對較低。 圖 開環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖 閉環(huán)伺服系統(tǒng)以伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件 ,此種伺服系統(tǒng)的輸入與輸出量之間是順向與反向作用兩者兼有的伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)如圖 所示。這種伺服系統(tǒng)的定位 ft 度由測量元件的精度所決定。位移測量元件實(shí)時(shí)檢測機(jī)床移動(dòng)部件的位移情況 ,通過反饋相關(guān)信息 ,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)伺服系統(tǒng)的控制。閉環(huán)伺服系統(tǒng)具有定位準(zhǔn)確 ,控制精度高 ,但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,成本較高。 圖 閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖 服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)通過安裝在齒輪軸上的角位移測量器件測量齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來間接測量工作臺(tái)的位移。測量器件測量出的位移量經(jīng)反饋電路返回 ,與輸入指令進(jìn)行比較 ,之后校正齒輪軸的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)位移情況。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的性能介于開環(huán)伺服與閉環(huán)伺服系統(tǒng)之間。此種伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好 ,成本低廉 ,但精度相對不高。 第三章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制器的設(shè)計(jì) 3. 1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制器的硬件組成 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制器由主控制模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、鍵盤顯示模塊、硬件抗干擾模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、電源等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖 。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 圖 系統(tǒng)組成框圖 主控制模塊 主控制模塊采用 Atmel公司生產(chǎn)的八了 AT89S51型號的單片機(jī)。 AT89S51作為步進(jìn)電機(jī)伺服控制器的核心控制器 ,主要進(jìn)行脈沖信號及方向電平的發(fā)送工作。主控制模塊的作用是控制驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部的脈沖分配器 (也稱環(huán)形分配器 )將單路脈沖轉(zhuǎn)換成多相循環(huán)變化的脈沖 ,即有一路輸入 ,多路輸出。脈沖分配器輸出驅(qū)動(dòng)電壓經(jīng)功率放大器進(jìn)行放大 ,向步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組提供所需的驅(qū)動(dòng)相序。當(dāng)鍵盤按下時(shí) ,低電平有效 ,通過與