【文章內(nèi)容簡介】 驅(qū)動工作。此種驅(qū)動方法相對靈活許多,且驅(qū)動器成本低廉。第二章 總體方案設(shè)計及步進電機的選擇步進電動機伺服控制器的技術(shù)路線包括以下六部分,:,確定所選取的硬件器件,并設(shè)計符合要求的硬件電路。,繪制步進電機伺服控制器的硬件電路原理圖。,實現(xiàn)C語言程序的調(diào)試與編譯工作。,并調(diào)試及驗證程序的正確性。,制作硬件電路板實物,加載軟件程序。,完成硬件實物的制作。 研究路線圖2. 1兩相混合式步進電動機的工作過程步進電動機的主要技術(shù)指標(biāo)包括步距角、精度、轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)頻率、運行頻率等。步距角即為步進電動機通入電信號后,電動機轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度值。國產(chǎn)步進、。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)電動機轉(zhuǎn)動一圈完成后,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機從某一不確定的位置運轉(zhuǎn),經(jīng)過無數(shù)步工作之間,角位移量誤差的最大數(shù)值。作為步進電動機的主要技術(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,電磁轉(zhuǎn)矩的最大數(shù)值。一般狀態(tài)下,反應(yīng)式步進電動機定位轉(zhuǎn)矩為0,混合式步進電動機具有一定的定位轉(zhuǎn)矩值。 在步進電動機正常的運行狀態(tài)下,全速運行而未產(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)頻率也可以用啟動頻率來進行表示。在步進電動機的工作狀態(tài)下,首先是從啟動頻率 始運轉(zhuǎn),隨著電動機轉(zhuǎn)動的頻率越來越高,電動機在某一頻率上有可能會產(chǎn)生失步現(xiàn)象,而電動機未產(chǎn)生失步前的那個極限頻率值即為運行頻率。步進電動機由定子及轉(zhuǎn)子組成。兩相混合式步進電動機有A和B兩相控制繞組,在電動機上,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)子與定子進行相互作用,實現(xiàn)電動機的JH常運轉(zhuǎn)。該電動機具有動態(tài)性能好,輸出力矩值較大,穩(wěn)定性高的優(yōu)點,其缺點是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。 兩相混合式步進電機的剖面圖兩相混合式步進電動機的工作原理:當(dāng)給步進電動機通入電信號時,控制繞組就會產(chǎn)生相應(yīng)的磁動勢,通過與永久磁鐵產(chǎn)生的磁動勢相互影響下,促使電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生,從而步進電動機的轉(zhuǎn)子會進行相應(yīng)的步進動作。兩相混合式步進電動機有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。而兩相混合式步進電動機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)=。當(dāng)定子繞組按四拍和八拍通電時,。本研究選用42BYGH101型號的兩相永磁感應(yīng)子式步進電動機作為系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件。永磁感應(yīng)子式步進電動機又稱為混合式步進電動機。此種步進電動機由定子及轉(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型步進電機外觀圖 42BYGm01型步進電機參數(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并產(chǎn)生動作,從而獲得準(zhǔn)確的位置、速度等輸出的自動控制系統(tǒng)。伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程按時間先后大致可分為液壓伺服系統(tǒng)、電氣伺服系統(tǒng)、氣動伺服系統(tǒng)三個階段。液壓伺服系統(tǒng)是以液壓伺服閥作為核心元件,實現(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、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,氣動伺服系統(tǒng)已經(jīng)替代了以往的伺服控制系統(tǒng),成為時代發(fā)展的主流控制系統(tǒng)。氣動伺服系統(tǒng)是采用壓縮空氣作為動力的伺服系統(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,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之一。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)以步進電動機或電液脈沖馬達為驅(qū)動執(zhí)行元件,其被控對象的輸出對控制器的輸入沒有影響。 。系統(tǒng)每發(fā)出一個脈沖信號,經(jīng)驅(qū)動電路放大后,送給執(zhí)行元件,使其轉(zhuǎn)動一個固定的角度,實現(xiàn)對負(fù)載的控制。開環(huán)系統(tǒng)控制簡單,維護方便,但系統(tǒng)控制精度相對較低。 開環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖 閉環(huán)伺服系統(tǒng)以伺服電機為驅(qū)動執(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度由測量元件的精度所決定。位移測量元件實時檢測機床移動部件的位移情況,通過反饋相關(guān)信息,實現(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)通過安裝在齒輪軸上的角位移測量器件測量齒輪軸的轉(zhuǎn)動來間接測量工作臺的位移。測量器件測量出的位移量經(jīng)反饋電路返回,與輸入指令進行比較,之后校正齒輪軸的實際轉(zhuǎn)動位移情況。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 步進電動機伺服控制器的設(shè)計3. 1步進電動機伺服控制器的硬件組成步進電動機伺服控制器由主控制模塊、驅(qū)動控制模塊、鍵盤顯示模塊、硬件抗干擾模塊、步進電動機、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型號的單片機。AT89S51作為步進電機伺服控制器的核心控制器,主要進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)動電壓經(jīng)功率放大器進行放大,向步進電機的兩相繞組提供所需的驅(qū)動相序。當(dāng)鍵盤按下時,低電平有效,通過與門觸發(fā)單片機的外部中斷1與外部中斷2,實現(xiàn)步進電機伺服控制器的運轉(zhuǎn)工作,同時通過單片機的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進行相應(yīng)的讀或?qū)懖僮?完成步進電機伺服控制器的運行狀態(tài)的顯示工作。在本課題中,約定“1”為高電平,“0”為低電平。 主控制模塊圖步進電動機作為一種特殊的執(zhí)行元件。它直接接入交直流電源工作時,是不能工作的?；诓竭M電動機工作的獨特性,需要為其設(shè)計專門的驅(qū)動裝置,以滿足步進電動機正常的工作狀態(tài)的要求。因此,驅(qū)動控制模塊選用L298N與L297配合使用作為步進屯動機驅(qū)動控制模塊。本課題中的L297芯片及 L298N芯片可實現(xiàn)兩相雙極性步進電機或四相單極性步進電機的驅(qū)動控制。而單片機作為系統(tǒng)的核心控制器,主要實現(xiàn)方向、時鐘信號的分配,驅(qū)動控制模塊接收到控制指令后,由L297的脈沖分配器自動產(chǎn)生勵磁相序,經(jīng)L298N的雙H橋式驅(qū)動器進行功率放大,最終輸出符合步進電動機的驅(qū)動要求的驅(qū)動信號,使得步進電機運轉(zhuǎn)。L297與L298N芯片配合的優(yōu)點是需要的元件較少,從而使得裝配成本低,可靠性高和占空間少,并且,通過軟件程序進行驅(qū)動控制,可大大簡化課題設(shè)計的負(fù)擔(dān),增加步進電機伺服控制器的靈活性。為排除干擾,在單片機與驅(qū)動控制模塊之間,加入了 TLP521光電隔離元件,使得系統(tǒng)穩(wěn)定性更高。 驅(qū)動模塊框圖L297芯片共有20個引腳,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。基本步距一相激勵模式?；静骄鄡上嗉钅Ｊ?。L297的優(yōu)勢是僅需輸入方向、時鐘信號及模式信號,就可對其進行控制工作。而L297芯片的模式信號由19 (HALF/FULL)引腳設(shè)定,接入低電平時,進入全