论步进电动机的程序控制和闭环控制

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'论步进电动机的程序控制和闭环控制'
步进电动机的程序控制和闭环控制 姓姓名名 学学号号081310317 专业名称专业名称数控技术 班班级级 指导老师指导老师 2010-11-26 摘摘要要 步进电机具有控制简便、定位准确等特点。随着科学技术的发展, 在许多领域将得到广泛的应用。 鉴于传统的脉冲系统移植性不好,本文提 出微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,用软件的方法产生控制 脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、 转动次数 和控制步进电机的运行状态。以简化控制电路,降低生产成本,提高系统 的运行效率和灵活性。在此基础上提出了双三拍步进电机程序控制的硬 件接口电路、程序流程图和汇编程序。 【关键词【关键词】】:单片机;步进电机;光电开关;PID 算法;闭环控制 绪绪言言 步进电机作为数字式执行元件,具有成本低、易控制、定为方便和布局误差不 长期累计等优点,被广泛应用在数控装置、绘图机你、机械手、印刷和包装设备等 工业领域中。 步进电机是机电一体化产品中的关键元件之一,是一种性能良好的数字化执行 元件。 它能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移, 是一种离散型自动化执行元件。 随着计算机控制系统的发展,步进电动机广泛应用于同步系统、直线及角位系统、 点位系统、连续轨迹控制系统以及其它自动化系统中,是高科技发展的一个重要环 节。 目目录录 第一章 步进电机. 1 1.1 步进电机的工作原理 1 1.2 步进电机的特点. 1 第二章 步进电机程序控制的设计. 2 2.1步进电机的传动方式. 2 2.1.1三相单三拍工作方式. 2 2.1.2三相六拍工作方式. 2 2.1.3双三拍工作方式. 2 2.2硬件接口电路. 3 2.3脉冲的形成. 4 2.4旋转方向控制. 5 2.5转速控制. 5 2.6控制程序设计. 6 第三章 步进式电动机的闭环控制设计. 9 3.1 驱动器 9 3.2 电源接线 9 3.3 控制信号接线 9 3.4 光电开关 9 3.5 硬件设计电路图 10 3.6 软件设计 12 3.6.1 控制算法比较 12 3.6.2 比例调节(P).13 3.6.3 比例微分调节(PI).13 3.6.4 比例积分微分调节(PID)14 3.6.5 PID 控制算法.14 3.6.6 位置式 PID 的控制算法15 3.6.7 增量式 PID 的控制算法.15 第四章 数据处理和分析. 17 4.1 PWM 的设定17 4.2 步进电机的测速. 17 小结. 18 致 谢. 19 参考文献. 20 咸阳职业技术学院机电工程系数控专业论文 第 1页,共 20 页 步进电动机的程序控制和闭环控制 第一章第一章 步进电机步进电机 1.11.1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行机构。在非超载的情况 下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化 的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在, 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得在速度、位置等控制领 域用步进电机来控制变的非常的简单。 1.21.2 步进电机的特点步进电机的特点 本实验所用的步进电机为感应子式步进电机(型号为 42BYG016) 。感应子式步 进电机与传统的反应式步进电机相比,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。因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自 身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作 四相运行,也可以作二相运行。 (必须采用双极电压驱动) ,而反应式电机则不能如 此。例如:四相八拍运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运 行方式.不难发现其条件为 C=,D=. 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致, 小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵活改变电 机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相) ,这样使用时,既可以作四相 电机使用,可以作二相电机绕组串联或并联使用。 (本实验采用两相四拍) 咸阳职业技术学院机电工程系数控专业论文 第 2页,共 20 页 第二章第二章 步进电机程序控制的设计步进电机程序控制的设计 2.12.1步进电机的传动方式步进电机的传动方式 2.1.12.1.1三相单三拍工作方式三相单三拍工作方式 在这种工作方式下,A、B、C 三相轮流通电,电流切换三次,磁场旋转一周,转子向 前转过一个齿距角。因此这种通电方式叫做三相单三拍工作方式。这时步距角θb (度)为 θb = 360 /mz( °) (2-1) 式中:m──定子相数; z ──转子齿数 2.1.22.1.2三相六拍工作方式三相六拍工作方式 在这种工作方式下,首先 A 相通电,转子齿与 A 相定子齿对齐。第二拍,A 相继续 通电,同时接通 B 相,A、 B 各自建立的磁场形成一个合成磁场,这时转子齿既不对准 A 相也不对准 B 相,而是对准 A、B 两极轴线的角等分线,使转子齿相对于 A 相定子齿 转过 1 /6 齿距,即 1. 5°。第三拍,A 相切断,仅 B 相保持接通。这时,由 B 相建立的磁 场与单三拍时 B 相通电的情况一样。 依次类推,绕组以 A—AB—B—BC—C—CA—A 时序(或反时序)转换 6次,磁场旋转一周,转子前进一个齿距,每次切换均使转子转动 1. 5°,故这种通电方式称为三相六柏工作方式。其步距角θb 为: θb = 360 /2mz = 180 /mz( °) (2-2) 2.1.32.1.3双三拍工作方式双三拍工作方式 这种工作方式每次都是有两相导通,两相绕组处在相同电压之下,以 AB─BC─ CA─AB (或反之)方式通电,故称为双三拍工作方式。以这种方式通电,转子齿所处的 位置相当于六拍控制方式中去掉单三拍后的三个位置。它的步距角计算公式与单三 拍时的公式相同。 由上述分析可知,要使磁阻式步进电机具有工作能力,最起码的条件是定子极分 度角不能被齿距角整除,且应满足下列方程: 极分度角/齿距角= R + k·1/m 进一步化简得齿数 z: 咸阳职业技术学院机电工程系数控专业论文 第 3页,共 20 页 z = q (mR + k)(2-3) 式中:m──相数; q──每相的极数; k──≤ (m - 1)的正整数; R──正整数,为 0、1、2、3……。 按选定的相数和不同的极数,由上式就可推算出转子齿数。 因为三相双三拍步进电机不易失步,控制精度比较高,所以本文对三相双三拍步 进电机进行控制,定子有三对磁极,运行时两相同时通电,循环带动转子转动。 2.22.2硬件接口电路硬件接口电路 传统的步进电机控制系统采用硬件进行控制,用一个脉冲发生器产生频率变化 的脉冲信号,再经一个脉冲分配器把方向控制信号和脉冲信号转换成有一定逻辑关 系的环形脉冲;经驱动电路放大后就可以来驱动步进电机了。在这种控制中,步进电 机的脉冲由硬件电路产生,如果系统发生变
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