步進電機細分驅動器的軟件設計

畢業(yè)設計開題報告電氣工程及其自動化步進電機細分驅動器的軟件設計1選題的背景、意義步進電機最早在1920年由英國人開發(fā)，50年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進電機上。步進電動機的發(fā)展與計算機工業(yè)和數(shù)字控制技術密切相關，產品按結構劃分有磁阻式、永磁式和混合型等多種形式［1］。步進電動機多用于數(shù)控車床和機器人系統(tǒng)中。在現(xiàn)代工業(yè)，特別是航空、航天、電子等領域中，要求完成的工作量大，任務復雜，精度高，利用人工操作不僅勞動強度大，生產效率低，且難以達到所要求的精度，還有一些工作環(huán)境是對人體健康有害的或人類無法到達的，這就需要數(shù)控機床和機器人來完成這些工作。另外，在計算機外設和辦公室自動化設備中也大量運用步進電機，如磁盤驅動、打印機、繪圖儀和復印機等。步進電機作為數(shù)字式執(zhí)行元件，具有成本低、易控制、定位方便和步距誤差不長、期累計等優(yōu)點，被廣泛應用在數(shù)控裝置、繪圖機、機械手、印刷和包裝設備等工業(yè)、軍事和醫(yī)療自動化領域中。在多種步進電機中，混合式步進電機集反應式和永磁式步進電機的優(yōu)點于一身，應用更加普遍。但是步進電機在應用中存在一些制約性的因素，步進電機及其系統(tǒng)表現(xiàn)出諸如低速平穩(wěn)性差、高速快速響應能力差、效率低和能耗大等。步進電機多應用于開環(huán)控制的場合，對轉子位置和角速度不做檢測，較容易在運行過程中產生失步和振蕩。另外，步進電機不能簡單地直接接到普通的交直流電源上運轉，它需要專門的驅動控制器，步進電機和與之配套的驅動控制器密不可分，在電機本體選定的情況下，驅動控制器的好壞很大程度上影響著整個系統(tǒng)的運行性能。通過研制高性能的步進電機驅動控制器可以大大改善步進電機的運行性能，這對提高我國在這方面的科學技術水平起到了一定的促進作用，拓寬了步進電機的應用領域。因此，步進電機細分驅動的軟件開發(fā)不僅有著重大的現(xiàn)實意義，而且具有極大的經濟價值。2相關研究的最新成果及動態(tài)近年來，伴隨著微電子技術大功率電力電子器件及驅動技術的進步，發(fā)達國家已普遍使用性能優(yōu)越的混合式步進電機。驅動技術采用恒相電流與細分驅動相結合，使步進電機在中、小功率控制系統(tǒng)內的精度提高，并逐步向高速大功率應用領域滲透.步進電動機最大的生產國是日本，如日本伺服公司、東方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等［2］。細分驅動的典型應用有數(shù)控機床的四軸聯(lián)動改造。由于現(xiàn)有的機床只能進行三軸聯(lián)動，而在生產中需要在圓錐面上加工凸輪運動曲線槽，通過工藝分析需要四軸聯(lián)動的加工中心才能實現(xiàn)。而現(xiàn)有立式加工中心只能實現(xiàn)x、y、z三軸聯(lián)動，配置高精度四軸聯(lián)動系統(tǒng)機床的價格超出現(xiàn)有機床數(shù)倍，為此通過對現(xiàn)有機床的改造，利用回轉工作臺實現(xiàn)第四軸，采用步進電機的細分技術實現(xiàn)高精度控制，可滿足用戶精度的要求。近年來，對于不同類型和相數(shù)的步進電機采取不同的細分電流控制策略是研究的一大熱點。如有關資料指出，對于兩相雙極型混合式步進電機，采用正余弦形的驅動電流較為理想，而對于反應式步進電機一般采用諧波較少的階梯型驅動電流較為理想。細分驅動在噴膜機中也有應用，采用8052微處理機，具有8K字節(jié)的ROM,256字節(jié)的RAM°8位DA轉換器AD7524通過鎖存器與單片機的數(shù)據線相連,構成步進電機的脈沖信號發(fā)生器，用來驅動步進電機。我們采用軟件的方法實現(xiàn)脈沖分配器。將電機四細分驅動脈沖數(shù)據存儲在內存中。當電機逆時針方向運轉時，自上而下走表索取控制量；當電機順時針方向運轉時，自下而上走表索取控制量，這樣就可以控制電機上的電流的大小。其中控制量的最高位是方向控制信號，低7位存儲電機脈沖信號的大?。?］。3課題的研究內容及擬采取的研究方法（技術路線）、研究難點及預期達到的目標步進電機的細分控制是由驅動器精確控制其相電流來實現(xiàn)的。以四相電機為例，假如電機的相電流為2A，使用常規(guī)驅動方式（如常用的恒六載波方式）驅動電機的話，電機每運行一步，其繞組內的電流將從0突然變?yōu)?A或由2A突然變?yōu)?,相電流的巨大變化必然會引起電機運行的振蕩和噪聲。如果使用細分驅動器，在10細分相狀態(tài)下進行驅動，電機每走一微步，其繞組內的電流變化只有0.2A而不是2A，這樣就大大減少了電機的振蕩和噪聲，而提高步進電機的性能才是細分的真正優(yōu)點。步進電機細分器是將驅動電流設計成可變的恒流源，通過控制繞組中的電流數(shù)值可以調整步進電機步距的大小，從而把原步距角細分成若干步來完成。即原來對應于一個電壓脈沖，轉子轉動一步為-B\經10細分后則每走一步為口-8。一般情況下，電機的定子若為m相繞組，如每次僅一相通電，那么一個循環(huán)電機轉子轉過一個齒距角E，因此，步進電機的步距角二,，為：ar 盤■:=m=360iilZ （1）其中：m為定子的繞組數(shù)，Z為轉子齒牙數(shù)。對同一臺步進電機通過改變通電方式可以減小步距角m，實現(xiàn)步進電機步距角的細分，這有利于實現(xiàn)控制系統(tǒng)的精確控制。但這種方法作用有限，不能滿足更高的精度要求。根據式（1）進一步減小步距n的途徑是增加定子相數(shù)和轉子的齒數(shù)，相應的電機成本和難度都會增加。為了達到較大的細分，就要在控制電路上采取措施。典型的方法是控制步進電機各相繞組的電流，使其按階梯上升、下降。這樣，電機繞組中的電流不是由0躍升到額定值，而是經過若干小步的變化達到額定值，所以繞組中的電流變化比較均勻。要實現(xiàn)細分驅動，就是要使電機各相繞組中的電流按一定的規(guī)律階梯上升或下降，針對這種電流波形的實現(xiàn)方法，國內外都有研究，從脈沖分配電路上看，有采用硬件細分及軟件細分的區(qū)別，硬件細分可由EPROM或GAL來實現(xiàn)，構成所謂的E+P或G+P細分驅動：從功率放大器上看，即從功率管的工作狀態(tài)來分，有放大型的也要采用開關式的；軟件細分也有多種；從階梯電流形成的角度分，有采用疊加法的，有采用PWM控制的，也有采用脈頻調制（刪）的，隨著微胡技術的發(fā)展。目前大多采用與微機相結合的方法，而疊加法目前則較少采用，下面僅從繞組中階梯型電流形成的角度來分析，以往的步進電機的細分驅動較多采用這種方法。其基本思路是把等幅等寬的方波合成麗得到階梯波。在電流的實現(xiàn)E，一般采用數(shù)字邏輯元件來構成細分脈沖分配電路，驅動回路每相設有N個支路（即設為N細分），階梯波電流的形成由這N個支路的等幅等寬的方波電流疊加得到，各支路的開閉則由細分控制器的脈沖來控制囹。由于細分驅動是要得到階梯變化的電流波形，所以利用PWM技術（脈寬調制）來代替放大狀態(tài)的功放電路，可以實現(xiàn)靈活的電流波形控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。目前隨著微機的發(fā)展，借助于微處理機較強的數(shù)字信號處理功能，結合PWM控制技術，已是步進電機細分驅動的主要發(fā)展方向之一。脈寬調制細分驅動的基本思路是：細分驅動電流的變化受控于PWM脈沖的脈寬變化，只要給驅動功率管的基極上施加一定脈寬和頻率的脈沖序列，就可在相應電機繞組上得到相應的階梯變化的電流波形。在實際系統(tǒng)中，有許多專用集成模塊可用于這種它激式電流追蹤型PWM控制，如TIA94,SG3525等。由這些模塊構成的電流控制器結構簡單、實用。在實際的步進電機驅動電路中可根據需要選擇合適的電流跟蹤型PWM控制方式。本課題使用89C51單片機進行PWM脈寬控制，由PWM產生及邏輯合成電路完成對步進脈沖的細分并且發(fā)向出驅動電路發(fā)出驅動信號從而完成對步進電機的控制。步進電機細分驅動系統(tǒng)的軟件主要由主控程序、細分驅動程序、鍵處理程序、顯示數(shù)據處理及顯示驅動程序、通信監(jiān)控程序等部分組成。其結構框圖見圖［5］：細分驅動主控制程序控制整個程序的流程，主要完成程序的初始化、中斷方式的設置、計數(shù)器工作方式的設置及相關子程序的調用等。細分驅動技術提高了步進電機各方面的綜合性能。實現(xiàn)細分驅動技術實質上就相當于增大了步進電機的運行拍數(shù)，下面就其與其它的驅動方式相比具有的優(yōu)點總結如下[6]提高步進電機的步距分辨率和步進精度。減弱低頻振蕩和噪聲。提高步進電機起動時的矩頻特性和運行的穩(wěn)定性。4研究工作詳細進度和安排2010年12月一2011年1月上旬畢業(yè)設計文獻綜述、外文翻譯；2011年1月中旬一2011年2月中旬畢業(yè)設計開題報告；2011年2月下旬一2011年5月上旬畢業(yè)設計，撰寫畢業(yè)論文初稿；2011年5月中旬一2011年5月下旬修改初稿、準備畢業(yè)答辯。5參考文獻謝輝唐勇，步進電機發(fā)展回顧與前景展望重慶三峽學院學報[J]2010,26(3)科雷德斯(香港)精密技研,步進電動機發(fā)展趨勢[EB/OL]./learn/lear—detail/asp?learn—idffi7401,2008-10-16李翠敏高有行，步進電機細分驅動