畢業(yè)設(shè)計-基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計-展示頁
2025-06-18 15:59本頁面
【正文】 上就是控制發(fā)脈沖的頻率。步進電機的最高啟動頻 率（突跳頻率）一般為 到 3~4KHz，而最高運行頻率則可以達到 N*102KHz， 以超過最高啟動頻率的頻率直接啟動， 會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。電機的啟動頻率、停止頻率 和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對電機進 行加減速控制。在一個 實際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負載的情況來選擇步進電機。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲 線，步進電機整個降速過程頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。 （ 5） 步進電機的加減速控制 在步進電機控制系統(tǒng)中，通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果信號變化太快，步進電機由于 leizi888 2021 慣性跟不上電信號的變化，這時就會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。為了使電機轉(zhuǎn)動平滑，減小 振動，可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細分的梯形波，可以減小步 進電機的步進角，跳過電機運行的平穩(wěn)性。調(diào)整送給步進電機的脈沖頻率， 就可以對步進電機進行調(diào)試。 （ 3） 步進電機的速度控制 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一 步。 如 果 按 反 序 通 電 換 相 ， 即 A→AC→C→CB→B→BA→A ，則電機就反轉(zhuǎn)。 （ 2） 步進電機的換向控制 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)。例如，三相步進電機在單三拍的工作方式 下，其各相通電順序為 A→B→C→A ，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別 控制 A、 B、 C 相的通斷。功率放大器主要 對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅(qū)動步進電機的目的，步進電機 的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制兩個方面。 步進電機原理及控制技術(shù) 由于步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能 直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設(shè)備 步進電機控制驅(qū)動器，典型步進 leizi888 2021 電機控制系統(tǒng)如圖 1 所示：控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連 續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把 來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進 電機驅(qū)動電源的各項輸入端，以驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動，環(huán)形分配器主要有兩大類： 一類是用計算機軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配 器。 此外作為執(zhí)行元件，步進電機是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，被廣泛應(yīng)用在各種 自動化控制系統(tǒng)中，隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，它的需要量與日俱增，在 各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。為實現(xiàn)單片機控制步進電機系統(tǒng)在 數(shù)控機床上的應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計了兩個外部中斷，以實現(xiàn)步進電機在某段時間內(nèi)的 反復(fù)正反轉(zhuǎn)功能，也即數(shù)控機床的刀架自動進給運動，隨著單片機技術(shù)的不斷發(fā) 展，單片機在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，自六十年代初期以來，步進電 機的應(yīng)用得到很大的提高。 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計 前 言 步進電機是一種進行精確步進運動的機電執(zhí)行元件，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)機械 的數(shù)字控制，為使系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護性以及性價比最優(yōu)，根據(jù)控制 系統(tǒng)功能要求及步進電機應(yīng)用環(huán)境，確定了設(shè)計系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從 而實現(xiàn)了基于 8051 單片機的四相步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過單片機 存儲器、 I/O 接口、中斷、鍵盤、 LED 顯示器的擴展、步進電機的環(huán)形分頻器、驅(qū) 動及保護電路、人機接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、單電壓驅(qū)動電路等的設(shè)計， 實現(xiàn)了四相步進電機的正反轉(zhuǎn)，急停等功能。人們用它來驅(qū)動時鐘和其他采用指針的儀器，打印機、 繪圖儀，磁盤光盤驅(qū)動器、各種自動控制閥、各種工具，還有機器人等機械裝置。步進電機是機電數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行 元件， 由于其精度高、體積小、控制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣 泛的應(yīng)用，大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及單片機技術(shù)的迅速普及，為設(shè)計功能強， 價格低的步進電機控制驅(qū)動器提供了先進的技術(shù)和充足的資源。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱硬環(huán)形分配器。從結(jié)構(gòu)上看，步進電機分為三相 單三拍、三相雙三拍和三相六拍 3 種，其基本原理如下： （ 1） 換相順序的控制 通電換相這一過程稱為脈沖分配。三相雙三拍的通電順序為 AB→BC→CA→AB ，三相六 拍的通電順序為 A→AB→B→BC→C→CA→A 。若步進電機的勵磁方式為 三 相 六 拍 ， 即 A→AB→B→BC→C→CA→A 。其他方式情況類似。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。 （ 4） 步進電機的起?？刂? 步進電機由于其電氣特性，運轉(zhuǎn)時會有步進感。在步進電機停轉(zhuǎn)時，為了防止因慣性 而使電機軸產(chǎn)生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進電 機的轉(zhuǎn)軸，使步進電機轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。所有步進電機在啟動 時，必須有加速過程，在停止時波形有減速過程。 選定的曲線比較符合步進電機升降過程的運行規(guī)律，能充分利用步進電機的有效 轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時間，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。步進電機能響應(yīng)而不失 步的最高步進頻率稱為 “啟動頻率 ”，于此類似 “停止頻率 ”是指系統(tǒng)控制信號突 然關(guān)斷，步進電機不沖過目標位置的最高步進頻率。加速過程有突然施加的脈沖啟動頻率 f0。 f/Hz fa fb 0 圖 1 步進電機運行過程中頻率變化曲線 t/s 在一般的應(yīng)用中，經(jīng)過大量實踐和反復(fù)驗證，頻率如按直線上升或下降，控 制效果就可以滿足常規(guī)的應(yīng)用要求。加速時，使脈沖頻率增高，減速則相反。速度從 v1~v2 變化，如果是線性增加，則按給定的斜率加 P 減速；如果是突變，則按階梯 加速處理。為了縮短速度轉(zhuǎn)換的時間，可以采用建立數(shù)據(jù)表 的方法。通過在不同的階段調(diào)用相應(yīng)的定時 初值，就可控制電機的運行。 ② 保證控制速度的精確性。 （ 6） 步進電機的換向控制 步進電機換向時，一定要在電機降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)在換向， 以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機。對于脈沖的設(shè)計主要要求其有一定 的脈沖寬度、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。 步進電機有如下特點： ① 步進電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累 計誤差，具有良好的跟隨性。同時，它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 ④ 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得很大
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