【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 驅(qū)動(dòng)工作。此種驅(qū)動(dòng)方法相對(duì)靈活許多,且驅(qū)動(dòng)器成本低廉。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,:,確定所選取的硬件器件,并設(shè)計(jì)符合要求的硬件電路。,繪制步進(jìn)電機(jī)伺服控制器的硬件電路原理圖。,實(shí)現(xiàn)C語(yǔ)言程序的調(diào)試與編譯工作。,并調(diào)試及驗(yàn)證程序的正確性。,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。 研究路線圖2. 1兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程步進(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(hào)后,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度值。國(guó)產(chǎn)步進(jìn)、。用最大步距誤差或最大累積誤差來(lái)說(shuō)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(guò)無(wú)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(hào)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(guò)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(lái)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(lái)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。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(chǎng)的作用下,通過(guò)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(duì)復(fù)雜。 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的剖面圖兩相混合式步進(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(hào)時(shí),控制繞組就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁動(dòng)勢(shì),通過(guò)與永久磁鐵產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)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(jiàn)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(guò)四分之一齒距,即360/(50X4)=。當(dāng)定子繞組按四拍和八拍通電時(shí),。本研究選用42BYGH101型號(hào)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(chēng)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。 42BYGH101型步進(jìn)電機(jī)外觀圖 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2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(hào)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(hào)輸入,控制大功率的液壓能輸出的過(guò)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(wú)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、。直到八十年代的時(shí)候,伺服控制系統(tǒng)掀 了薪新的一頁(yè),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(hù)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(lái)極具潛力的控制理論之一。伺服系統(tǒng)的類(lèi)型較多,按其系統(tǒng)的控制方式可作如下分類(lèi):開(kāi)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(duì)象的輸出對(duì)控制器的輸入沒(méi)有影響。 。系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào),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(duì)負(fù)載的控制。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單,維護(hù)方便,但系統(tǒng)控制精度相對(duì)較低。 開(kāi)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)。這種伺服系統(tǒng)的定位ft度由測(cè)量元件的精度所決定。位移測(cè)量元件實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)床移動(dòng)部件的位移情況,通過(guò)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。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖半閉環(huán)伺服系統(tǒng)通過(guò)安裝在齒輪軸上的角位移測(cè)量器件測(cè)量齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)間接測(cè)量工作臺(tái)的位移。測(cè)量器件測(cè)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(kāi)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(duì)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(pán)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)組成框圖主控制模塊采用Atmel公司生產(chǎn)的八了AT89S51型號(hào)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(hào)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(chēng)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(pán)按下時(shí),低電平有效,通過(guò)與門(mén)觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷1與外部中斷2,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)伺服控制器的運(yùn)轉(zhuǎn)工作,同時(shí)通過(guò)單片機(jī)的P1 、RW、E引腳發(fā)送指令,選擇數(shù)據(jù)寄存器或指令寄存器來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的讀或?qū)懖僮?完成步進(jìn)電機(jī)伺服控制器的運(yùn)行狀態(tài)的顯示工作。在本課題中,約定“1”為高電平,“0”為低電平。 主控制模塊圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為一種特殊的執(zhí)行元件。它直接接入交直流電源工作時(shí),是不能工作的?；诓竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)工作的獨(dú)特性,需要為其設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)裝置,以滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常的工作狀態(tài)的要求。因此,驅(qū)動(dòng)控制模塊選用L298N與L297配合使用作為步進(jìn)屯動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊。本課題中的L297芯片及 L298N芯片可實(shí)現(xiàn)兩相雙極性步進(jìn)電機(jī)或四相單極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。而單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器,主要實(shí)現(xiàn)方向、時(shí)鐘信號(hào)的分配,驅(qū)動(dòng)控制模塊接收到控制指令后,由L297的脈沖分配器自動(dòng)產(chǎn)生勵(lì)磁相序,經(jīng)L298N的雙H橋式驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率放大,最終輸出符合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào),使得步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。L297與L298N芯片配合的優(yōu)點(diǎn)是需要的元件較少,從而使得裝配成本低,可靠性高和占空間少,并且,通過(guò)軟件程序進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制,可大大簡(jiǎn)化課題設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān),增加步進(jìn)電機(jī)伺服控制器的靈活性。為排除干擾,在單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制模塊之間,加入了 TLP521光電隔離元件,使得系統(tǒng)穩(wěn)定性更高。 驅(qū)動(dòng)模塊框圖L297芯片共有20個(gè)引腳,采用DIP20封裝形式,它需接入+5V供電。L297主要由脈沖分配器(譯碼器),兩個(gè)固定斬波頻率的PWM恒流斬波器以及輸出控制邏輯組成。它有三種模式:即半步模式?；静骄嘁幌嗉?lì)模式?；静骄鄡上嗉?lì)模式。L297的優(yōu)勢(shì)是僅需輸入方向、時(shí)鐘信號(hào)及模式信號(hào),就可對(duì)其進(jìn)行控制工作。而L297芯片的模式信號(hào)由19 (HALF/FULL)引腳設(shè)定,接入低電平時(shí),進(jìn)入全