電機實驗報告(共13頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上步進電機控制報告目錄專心-專注-專業(yè)引言本系統(tǒng)是基于MSP430的步進電機控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)精密工作臺位移、速度（滿足電機的加、減速特性）、方向、定位的控制。用MSP430F449作為控制單元，通過矩陣鍵盤實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)動開始與結(jié)束、轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動速度的控制。并且將步進電機的轉(zhuǎn)動方向，轉(zhuǎn)動速度，以及位移動態(tài)顯示在LCD液晶顯示屏上。硬件主要包括單片機系統(tǒng)、電機驅(qū)動電路、矩陣鍵盤、LCD顯示等。一 系統(tǒng)技術(shù)指標系統(tǒng)為開環(huán)伺服系統(tǒng)，執(zhí)行元件為步進電動機，傳動機構(gòu)為絲杠螺母副。工作臺脈沖當量：=0.01 mm /脈沖；最大運動速度=1.2m/min；定位精度=±

2、0.01 mm；空載啟動時間=25ms。二 總體方案2.1 任務(wù)分析 本系統(tǒng)要求脈沖當量為=0.01 mm /脈沖，而工作臺絲杠螺母副導程4mm，即電機轉(zhuǎn)動一周需要400個脈沖，所以電機的步距選擇0.9度；最大速度要求為1.2m/min（20mm/s），所以單片機輸出的脈沖頻率最大為2000Hz；空載啟動時間為25ms，所以電機的啟動頻率為40Hz。2.2 總體方案根據(jù)系統(tǒng)要求，經(jīng)過分析，可對MSP430F449單片機編程，實現(xiàn)按鍵控制和nokia5110液晶屏顯示。由于MSP430F449的I/O的電壓是3.3V，不符合L298驅(qū)動芯片的輸入電壓要求，固通過光耦隔離芯片TLP521-4，將I

3、/0的3.3V電壓提升至5V，然后接進L298來控制電機的定位，加減速，正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)精確系統(tǒng)總體框圖如圖1所示： 圖1 精密工作臺控制系統(tǒng)總體框圖三 硬件電路設(shè)計3.1 單片機控制單元單片機采用MSP430F449作為控制單元，MSP430是德州公司新開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機,由于其性價比和集成度高,它采用16位的總線,外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址,尋址范圍可達64K,還可以外擴展存儲器.具有統(tǒng)一的中斷管理,具有豐富的片上外圍模塊,片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內(nèi)

4、部振蕩器和兩個外部時鐘,支持8M 的時鐘.由于為FLASH型,則可以在線對單片機進行調(diào)試和下載,且JTAG口直接和FET(FLASH EMULATION TOOL)的相連,不須另外的仿真工具,方便實用,而且,可以在超低功耗模式下工作,對環(huán)境和人體的輻射小,測量結(jié)果為100mw左右的功耗(電流為14mA左右),可靠性能好,加強電干擾運行不受影響，適應工業(yè)級的運行環(huán)境,適合與做手柄之類的自動控制的設(shè)備.我們相信MSP430單片機將會在工程技術(shù)應用中得以廣泛應用,而且,它是通向DSP系列的橋梁,隨著自動控制的高速化和低功耗化。3.2 nokia5110液晶顯示單元 No

5、kia5110采用PHILIPS PCD8544驅(qū)動芯片驅(qū)動， Nokia5110可以顯示15個漢字，30個字符。Nokia5110通信協(xié)議是一個沒有MISO只有MOSI的SPI協(xié)議，如果單片機有富裕的SPI接口，也可以利用硬件SPI，但通常只需要軟件程序模擬即可。  Nokia5110工作電壓3.3V，正常顯示時工作電流200uA以下，具有掉電模式，適合電池供電的便攜式移動設(shè)備。電路如圖2所示：圖2 液晶接口電路SPI接口時序?qū)憯?shù)據(jù)/命令時序如圖3 所示：圖3 串行總線協(xié)議3.3 電機的選擇3.3.1 反應式步進電機（VR）反應式步進電機（VR）也叫感應式、磁滯式或磁阻式步進電動機

6、。其定子和轉(zhuǎn)子均由軟磁材料制成，定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊均勻分布小齒和槽，通電后利用磁導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為三、四、五、六相；可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出（消耗功率較大，電流最高可達20A，驅(qū)動電壓較高）；步距角?。ㄗ钚】勺龅?0）；斷電時無定位轉(zhuǎn)矩；電機內(nèi)阻尼較小，單步運行（指脈沖頻率很低時）震蕩時間較長；啟動和運行頻率較高。3.3.2 永磁式步進電機（PM） 通常電機轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊沒有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為兩相或四相；輸出轉(zhuǎn)矩?。ㄏ墓β瘦^小，電流一般小于2A，驅(qū)動電壓12V

7、）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；斷電時具有一定的保持轉(zhuǎn)矩；啟動和運行頻率較低。3.3.3 混合式步進電機（HB） 也叫永磁反應式、永磁感應式步進電動機，混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。其定子和四相反應式步進電動機沒有區(qū)別（但同一相的兩個磁極相對，且兩個磁極上繞組產(chǎn)生的N、S極性必須相同），轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復雜（轉(zhuǎn)子內(nèi)部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和槽）。一般為兩相或四相；須供給正負脈沖信號；輸出轉(zhuǎn)矩較永磁式大（消耗功率相對較小）；步距角較永磁式小（一般為1.8度）；斷電時無定位轉(zhuǎn)矩；啟動和運行頻率較高；是目前發(fā)展較快的一種步進電動機。3.3.4 電機確定 本系統(tǒng)主要

8、是應用與精密工作臺的控制，且速度不是很高，所以選用四相混合式步進電機57BYGH210，各項參數(shù)如表 1所示：表1 57BYGH210電機參數(shù)3.4 驅(qū)動電路方案選擇 步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電機驅(qū)動器來進行驅(qū)動，主要有一下幾種方式：3.4.1 單電壓功率驅(qū)動 單電壓功率驅(qū)動接口電路及單步響應曲線如下圖所示： 圖4 單電壓功率驅(qū)動接口電路 圖5單步響應曲線3.4.2 雙電壓驅(qū)動功率驅(qū)動電路如圖所示。在電機繞組回路中串有電阻Rs，使電機回路 雙電壓功率驅(qū)動接口時間常數(shù)減小，高頻時電機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一

9、般情況下，簡單單電壓驅(qū)動線路中，Rs是不可缺少的。 雙電壓驅(qū)動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅(qū)動，而在高速（高頻段）時用較高的電壓UH驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控制信號，Uh為高壓有效控制信號，U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。功率管TH和二極管DL構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當Uh低電平，TH關(guān)斷，DL正偏置，低電壓UL對繞組供電。反之Uh高電平，TH導通，DL反偏，高電壓UH對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時功耗減小。3.4.3 高低壓功率驅(qū)動 圖6 高低壓功率驅(qū)動電路高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是，不論電機 高低壓功率驅(qū)動接口工作頻率如何，均利用高電壓UH供電來提高導通相

10、繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓UL來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻Rs，消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動功率接口也有兩個輸入控制信號Uh和Ul，它們應保持同步，且前沿在同一時刻跳變，如圖所示。圖中，高壓管VTH的導通時間tl不能太大，也不能太小，太大時，電機電流過載；太小時，動態(tài)性能改善不明顯。一般可取13ms。（當這個數(shù)值與電機的電氣時間常數(shù)相當時比較合適）。3.4.4 斬波恒流功率驅(qū)動 恒流驅(qū)動的設(shè)計思想是，設(shè)法使導通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時均保持固定數(shù)值。使電機具有 圖6 斬波恒流功率驅(qū)動接口恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。這是使用較多、效果較好

11、的一種功率接口。圖6是斬波恒流功率接口原理圖。圖中R是一個用于電流采樣的小阻值電阻，稱為采樣電阻。當電流不大時，VT1和VT2同時受控于走步脈沖，當電流超過恒流給定的數(shù)值，VT2被封鎖，電源U被切除。由于電機繞組具有較大電感，此時靠二極管VD續(xù)流，維持繞組電流，電機靠消耗電感中的磁場能量產(chǎn)生出力。此時電流將按指數(shù)曲線衰減，同樣電流采樣值將減小。當電流小于恒流給定的數(shù)值，VT2導通，電源再次接通。如此反復，電機繞組電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波。圖7 斬波恒流功率驅(qū)動電路3.4.5 集成功率驅(qū)動L298芯片是一種H橋式驅(qū)動器，它設(shè)計成接受標準TTL邏輯電平信號，可用來驅(qū)動

12、電感性負載。H橋可承受46V電壓，相電流高達2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的邏輯電路使用5V電源，功放級使用546V電壓，下橋發(fā)射極均單獨引出，以便接入電流取樣電阻。H橋驅(qū)動的主要特點是能夠?qū)﹄姍C繞組進行正、反兩個方向通電。L298特別適用于對二相或四相步進電機驅(qū)動。電路如下圖所示：圖8 L298驅(qū)動電路圖3.4.6 驅(qū)動電路方案確定 驅(qū)動單元采用L298是一種雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片，內(nèi)部包含四信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進電機驅(qū)動內(nèi)含兩個H-橋的高電壓，大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯信號，可驅(qū)動46V，2A以下的步進電機。四個輸入端可控制電機的正反轉(zhuǎn)，

13、四個輸出端直接和步進電機相連，ENABLE控制電機的停轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)用的是四相步進電機，所以采用L289電機專用驅(qū)動芯片來驅(qū)動。3.5 鍵盤電路圖9 矩陣鍵盤電路功能說明：09：輸入數(shù)字，作為速度、位移的初始值；#：啟動電機向前移動；*：啟動電機向后移動；A：初始狀態(tài)下，按下該鍵，進入位移輸入模式；B：初始狀態(tài)下，按下該鍵，進入速度輸入模式；C：原始狀態(tài)。四 軟件設(shè)計軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要由一個主程序、延時子程序、nokia5110液晶驅(qū)動子程序、矩陣鍵盤掃描子程序等組成。在主函數(shù)中通過子函數(shù)調(diào)用的方法來實現(xiàn)對步進電機的控制，可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)向、移動距離、速度的設(shè)定及控制，從而控制精密工作臺移動。同時在nokia5110液晶屏上顯示距離、速度、當前的工作狀態(tài)。程序流程圖如9所示： 圖9 程序流程圖五 測試結(jié)果 經(jīng)測試，該系統(tǒng)可實現(xiàn)速度、位移的設(shè)定，并能按照設(shè)定的指標移動到相應的位置，移動速度范圍為：0.0110mm/s。六 誤差分析由于，其中0.01mm所含位移誤差是絲杠螺母副的導程誤差，屬于系統(tǒng)誤差，為縮小誤差的誤差應盡量減小。 步進電機在運行時本身存在步距角誤差，一般在3%-5%間，并且誤差不累計，即誤差角度在0.027度到0.045度，位移誤差在0.0003mm到0.0005mm。