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摘要:本文阐述三相步进电动机结构与步进过程原理,通过对步进电动机的调速和正反转研究,用单片机进行软件设计,实现控制步进电动机的调速和正反转,达到控制的目的和要求。
关键词:步进电机;调速;单片机
中图分类号:TM359.9文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0058-02
一、引言
步进电机是纯粹的数字控制的电动机。它将电脉冲信号转变成电机转子的角位移,即每给一个脉冲信号步进电机就转动一个角度。步进电机是工业过程控制与仪表中常用的控制元件之一。步进电机可以直接接收数字信号,不必进行数/模转换,用起来非常方便。步进电机还有快速起停、精确步进和定位等特点,因而在数控机床、绘图仪、打印机及仪表中得到广泛的应用。
二、步进电机的工作原理
按照转子结构及材料的不同,步进电机分为反应式、永磁式和混合式三类。其中,反应式步进电机因其性价比高,应用非常广泛,在单片机系统中应用较多。下面的内容若不特别指出,均以反应式步进电机为例加以说明。
1、步进电机的结构与工作原理
步进电机实际上是一个数字/角度转换器。步进电机的励磁绕组可以制成各种相数,常见的有单相、三相、四相和五相等多种。三相步进电机的结构原理和步进过程如图1所示。从图中可以看出,电机分为转子和定子两部分。定子由电工硅钢片叠压而成,有6个等分的磁极:U、U'、V、V'、W和W'。相对的两个磁极组成一对,共有三对。每对磁极上都绕有同一绕组,也就形成了一相。这样,三对磁极有三个绕组,形成三相。类似地,四相步进电机有四对磁极、四个绕组,以此类推。每个磁极的内表面分布着大小相同、间距相同的多个(图中为5个)小齿。转子圆周表面也均匀分布着与定子小齿形状相似、齿间距相同的小齿。若转子齿数Z为40个,则齿距角为
θZ=360°/Z=360°/40=9°
反应式步进电机运动的动力来自于电磁力。当某一相定子绕组通电时,其对应的磁极就产生了磁场,并与转子形成磁路。如果这时该相定子的小齿与转子的小齿没有对齐,即处于错齿状态,则在磁场的作用下转子将转过一定的角度,使转子与该相定子的小齿相互对齐,处于对齿状态。对齿时,定子转子磁阻最小。而错齿时磁阻较大,步进电机就是磁路由较大磁阻向最小磁阻转变中转过一定的角度的。给处于错齿状态的相通电,则转子在电磁力的作用下,将向磁阻最小的位置移动,即趋向于对齿状态转动,向前转过一定角度。转到对齿状态后,若再给另一错齿状态相通电,则转子又向前转过一定角度。这就是步进电机的转动原理。由此可见,某相绕组在通电前必须处于错齿状态,而通电后则处于对齿状态,这样转子才可能向前转动。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提。
2、步进电机的控制方式
为了控制步进电机的转动,使其实现数字到角度的转换,可以由单片机按顺给电机绕组施加有序的脉冲电流。转过的角度数正比于脉冲个数,转动的速度正比于脉冲频率,转动的方向则与脉冲顺序有关。
对三相步进电机施加电流脉冲可有如下三种方式:
①单相三拍:按单相绕组顺序施加电流脉冲,一周期加电3次,顺序如下:正转:U→V→W→(U);反转:U→W→V→(U)。
②双相三拍:双相即每次对两相绕组同时通电。按双相绕组顺序施加电流脉冲,一周期加电3次,顺序如下:
正转:UV→VW→WU→(UV);反转:UW→WV→VU→(UW)。
③单双相六拍:按单相绕组与双相绕组交替方式施加电流脉冲,一周期加电6次(单相3次、双相3次),顺序如下:
正转:U→UV→V→VW→W→WU→(U);反转:U→UW→W→WV→V→VU→(U)。
单相三拍或双相三拍两种方式,每拍步进角均为3°,转子转过一个齿距角(9°)要用三拍;单双相六拍方式每拍步进角均为1.5°,转子转过一个齿距角(9°)要用六拍。六拍方式比三拍方式运行平稳,但六拍驱动脉冲的频率需要提高一倍,要求驱动开关管有更好的开关特性。另外双相与单相相比,每一拍中,双相方式都有两相通电,每一相通电时间都持续两拍。因此,双相三拍比单相三拍消耗的电功率大,当然获得的电磁转矩也大。
3、步进电机的驱动方式
步进电机常用的驱动方式有两种:全电压驱动和高低压驱动。全电压驱动是电机在移步与锁步时都加载额定电压。在这种发生下,为了防止电机过流并改善驱动特性,需加限流电阻。锁步时限流电阻要消耗大量电能,开关管的负载能力也应较大。高低压驱动是电机在移步时加载额定电压或高于额定电压,使电机在较大电流驱动下快速移步;但在锁步时加载低于额定值的电压,让电机绕组仅流过锁步所需的小电流值。这种方式可减少限流电阻的功耗,提高电机运行速度,但驱动控制电路较复杂。电路如图2所示。图中U、V、W步进电机的三相绕组。其加电过程是这样的:当电机移步时,除了按顺序给V2、V3、V4的基极施加控制信号外,还同时向V1施加信号使其导通,+24V驱动电压经V1加到步进电机的相应绕组上,实现高压移步。移步期间,二极管D1承受反压而阻断。适当延时后将V1关断,这样,锁步电压经二极管D1加到步进电机的相应绕组上,而锁步电压数值比驱动电压数值低得多,从而实现低压锁步。
用四相永磁式步进电机作为研究设计的对象。转子或定子任何一方具有永磁材料的步进电机叫永磁式步进电机,其不具有永磁材料的一方放有励磁绕组。绕组通以励磁电流后,建立的励磁与永磁材料的恒定磁场相互重要产生电磁转矩。采用的电路如图3所示。这里采用了全电压驱动方式,R为限流电阻。6个独立按键分别用来控制电机的步数增减,转速增减、转向及启动。
三、软件设计的参考程序
1、软件编制要点
P0.5口为启动按键,低电平启动。外部中断0、1(图3中P0.0、P0.1口)分别设为数增、减控制端;外部中断4、5(图3中P1.4、P1.5口)分别设为转速增、减控制端;外部中断6(图13-3中P1.6口)设为转向控制端;P0.3口设为转向标志位,低电平为正转,高电平为反转。
步进电机转速的调节可通过调节脉冲周期来实现。程序中,可设置延时子程序,改变每个脉冲期间调用延时子程序的次数或改变延时时间可实现转速控制。
2、设计的参考源程序
;防抖动延时
DELAY0:MOV R2,# OFFH;防抖动延时
LOOP40:MOVR3,# OFFH
LOOP30:DJNZR3,LOOP30
DJNZ R2,LOOP40
RET;
;正转子程序
DOENT:JBP0.3,LOOP2;P0.3为高,转反转程序
LOOP1:MOVA,# 01H;P0.3为低,正转程序……
MOVA,# 06H;P0.3为低,正转程序……
RET;
;反转子程序
LOOP2:MOV A,# 09H
MOV P2,A
LCALLDELAY
MOV A,# 08H
MOV P2,A……
RET;
;步数增加
INT0: CLR EX0;关中断
PUSHPSW ;保护现场……
LCALLDELAYO;防抖动延时……
CJNEA,# 0F0H,JIA0;步数不为FOH则加
SJMPDONE0 ;步数为FOH则不加,转出
JIA0: ADD A,# 10H ;步数增加10H,10H步对应16个齿距角……
RETI;;
;转速增加
INT5: ANLPRT1IF,# 0DFH;清外部中断5中断标志
ANLEIE2,# 0F7H ;关外部中断5……
CJNEA,# 1H ,JIA5 ;SPEED不为1H则减,1H对应实验所用步进电机最高速
SJMPDONE5;SPEED为1H则不减,转出……
ORL EIE2,# 08H ;开外部中断5
RETI
;
;
;转速控制
INT6ANL PRT1IF,# 0BFH
ANL EIE2,# 0EFH
PUSHPSW
PUSHACC
SETP RSO
LCALLDELAY0
CLRRS0
CPLP0.3 ;P0.3位取反,换转向
POPACC
POPPSW
ORL EIE2,# 10H
RETI
END
四、结束语
本文介绍的步进电动机的步数控制、正反转控制、转速控制,用单片机来实现对控制项目的研究具有较高的性价比,可以实现生产过程的自动化控制,也可以进行普通车床数控化改造,绘图仪、打印机及仪表中得到广泛的应用。人机界面良好,系统投入运行后,可获得良好效果。
参考文献:
[1]赵俊生.单片技术项目化原理与实训[M].电子工业出版社,2009,(9).
[2]赵俊生.数控机床控制技术基础[M].化学工业出版社,2006,(1).
关键词:步进电机;调速;单片机
中图分类号:TM359.9文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0058-02
一、引言
步进电机是纯粹的数字控制的电动机。它将电脉冲信号转变成电机转子的角位移,即每给一个脉冲信号步进电机就转动一个角度。步进电机是工业过程控制与仪表中常用的控制元件之一。步进电机可以直接接收数字信号,不必进行数/模转换,用起来非常方便。步进电机还有快速起停、精确步进和定位等特点,因而在数控机床、绘图仪、打印机及仪表中得到广泛的应用。
二、步进电机的工作原理
按照转子结构及材料的不同,步进电机分为反应式、永磁式和混合式三类。其中,反应式步进电机因其性价比高,应用非常广泛,在单片机系统中应用较多。下面的内容若不特别指出,均以反应式步进电机为例加以说明。
1、步进电机的结构与工作原理
步进电机实际上是一个数字/角度转换器。步进电机的励磁绕组可以制成各种相数,常见的有单相、三相、四相和五相等多种。三相步进电机的结构原理和步进过程如图1所示。从图中可以看出,电机分为转子和定子两部分。定子由电工硅钢片叠压而成,有6个等分的磁极:U、U'、V、V'、W和W'。相对的两个磁极组成一对,共有三对。每对磁极上都绕有同一绕组,也就形成了一相。这样,三对磁极有三个绕组,形成三相。类似地,四相步进电机有四对磁极、四个绕组,以此类推。每个磁极的内表面分布着大小相同、间距相同的多个(图中为5个)小齿。转子圆周表面也均匀分布着与定子小齿形状相似、齿间距相同的小齿。若转子齿数Z为40个,则齿距角为
θZ=360°/Z=360°/40=9°
反应式步进电机运动的动力来自于电磁力。当某一相定子绕组通电时,其对应的磁极就产生了磁场,并与转子形成磁路。如果这时该相定子的小齿与转子的小齿没有对齐,即处于错齿状态,则在磁场的作用下转子将转过一定的角度,使转子与该相定子的小齿相互对齐,处于对齿状态。对齿时,定子转子磁阻最小。而错齿时磁阻较大,步进电机就是磁路由较大磁阻向最小磁阻转变中转过一定的角度的。给处于错齿状态的相通电,则转子在电磁力的作用下,将向磁阻最小的位置移动,即趋向于对齿状态转动,向前转过一定角度。转到对齿状态后,若再给另一错齿状态相通电,则转子又向前转过一定角度。这就是步进电机的转动原理。由此可见,某相绕组在通电前必须处于错齿状态,而通电后则处于对齿状态,这样转子才可能向前转动。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提。
2、步进电机的控制方式
为了控制步进电机的转动,使其实现数字到角度的转换,可以由单片机按顺给电机绕组施加有序的脉冲电流。转过的角度数正比于脉冲个数,转动的速度正比于脉冲频率,转动的方向则与脉冲顺序有关。
对三相步进电机施加电流脉冲可有如下三种方式:
①单相三拍:按单相绕组顺序施加电流脉冲,一周期加电3次,顺序如下:正转:U→V→W→(U);反转:U→W→V→(U)。
②双相三拍:双相即每次对两相绕组同时通电。按双相绕组顺序施加电流脉冲,一周期加电3次,顺序如下:
正转:UV→VW→WU→(UV);反转:UW→WV→VU→(UW)。
③单双相六拍:按单相绕组与双相绕组交替方式施加电流脉冲,一周期加电6次(单相3次、双相3次),顺序如下:
正转:U→UV→V→VW→W→WU→(U);反转:U→UW→W→WV→V→VU→(U)。
单相三拍或双相三拍两种方式,每拍步进角均为3°,转子转过一个齿距角(9°)要用三拍;单双相六拍方式每拍步进角均为1.5°,转子转过一个齿距角(9°)要用六拍。六拍方式比三拍方式运行平稳,但六拍驱动脉冲的频率需要提高一倍,要求驱动开关管有更好的开关特性。另外双相与单相相比,每一拍中,双相方式都有两相通电,每一相通电时间都持续两拍。因此,双相三拍比单相三拍消耗的电功率大,当然获得的电磁转矩也大。
3、步进电机的驱动方式
步进电机常用的驱动方式有两种:全电压驱动和高低压驱动。全电压驱动是电机在移步与锁步时都加载额定电压。在这种发生下,为了防止电机过流并改善驱动特性,需加限流电阻。锁步时限流电阻要消耗大量电能,开关管的负载能力也应较大。高低压驱动是电机在移步时加载额定电压或高于额定电压,使电机在较大电流驱动下快速移步;但在锁步时加载低于额定值的电压,让电机绕组仅流过锁步所需的小电流值。这种方式可减少限流电阻的功耗,提高电机运行速度,但驱动控制电路较复杂。电路如图2所示。图中U、V、W步进电机的三相绕组。其加电过程是这样的:当电机移步时,除了按顺序给V2、V3、V4的基极施加控制信号外,还同时向V1施加信号使其导通,+24V驱动电压经V1加到步进电机的相应绕组上,实现高压移步。移步期间,二极管D1承受反压而阻断。适当延时后将V1关断,这样,锁步电压经二极管D1加到步进电机的相应绕组上,而锁步电压数值比驱动电压数值低得多,从而实现低压锁步。
用四相永磁式步进电机作为研究设计的对象。转子或定子任何一方具有永磁材料的步进电机叫永磁式步进电机,其不具有永磁材料的一方放有励磁绕组。绕组通以励磁电流后,建立的励磁与永磁材料的恒定磁场相互重要产生电磁转矩。采用的电路如图3所示。这里采用了全电压驱动方式,R为限流电阻。6个独立按键分别用来控制电机的步数增减,转速增减、转向及启动。
三、软件设计的参考程序
1、软件编制要点
P0.5口为启动按键,低电平启动。外部中断0、1(图3中P0.0、P0.1口)分别设为数增、减控制端;外部中断4、5(图3中P1.4、P1.5口)分别设为转速增、减控制端;外部中断6(图13-3中P1.6口)设为转向控制端;P0.3口设为转向标志位,低电平为正转,高电平为反转。
步进电机转速的调节可通过调节脉冲周期来实现。程序中,可设置延时子程序,改变每个脉冲期间调用延时子程序的次数或改变延时时间可实现转速控制。
2、设计的参考源程序
;防抖动延时
DELAY0:MOV R2,# OFFH;防抖动延时
LOOP40:MOVR3,# OFFH
LOOP30:DJNZR3,LOOP30
DJNZ R2,LOOP40
RET;
;正转子程序
DOENT:JBP0.3,LOOP2;P0.3为高,转反转程序
LOOP1:MOVA,# 01H;P0.3为低,正转程序……
MOVA,# 06H;P0.3为低,正转程序……
RET;
;反转子程序
LOOP2:MOV A,# 09H
MOV P2,A
LCALLDELAY
MOV A,# 08H
MOV P2,A……
RET;
;步数增加
INT0: CLR EX0;关中断
PUSHPSW ;保护现场……
LCALLDELAYO;防抖动延时……
CJNEA,# 0F0H,JIA0;步数不为FOH则加
SJMPDONE0 ;步数为FOH则不加,转出
JIA0: ADD A,# 10H ;步数增加10H,10H步对应16个齿距角……
RETI;;
;转速增加
INT5: ANLPRT1IF,# 0DFH;清外部中断5中断标志
ANLEIE2,# 0F7H ;关外部中断5……
CJNEA,# 1H ,JIA5 ;SPEED不为1H则减,1H对应实验所用步进电机最高速
SJMPDONE5;SPEED为1H则不减,转出……
ORL EIE2,# 08H ;开外部中断5
RETI
;
;
;转速控制
INT6ANL PRT1IF,# 0BFH
ANL EIE2,# 0EFH
PUSHPSW
PUSHACC
SETP RSO
LCALLDELAY0
CLRRS0
CPLP0.3 ;P0.3位取反,换转向
POPACC
POPPSW
ORL EIE2,# 10H
RETI
END
四、结束语
本文介绍的步进电动机的步数控制、正反转控制、转速控制,用单片机来实现对控制项目的研究具有较高的性价比,可以实现生产过程的自动化控制,也可以进行普通车床数控化改造,绘图仪、打印机及仪表中得到广泛的应用。人机界面良好,系统投入运行后,可获得良好效果。
参考文献:
[1]赵俊生.单片技术项目化原理与实训[M].电子工业出版社,2009,(9).
[2]赵俊生.数控机床控制技术基础[M].化学工业出版社,2006,(1).