基于51系列单片机控制步进电机调速闭环系统设计
1.1
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。
1.2
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。
1.3
相数:产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。
拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即
步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度(转子齿数J*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。
1.4
1)步距角精度:
2)失步:
3)失调角:
4)最大空载起动频率:
5)最大空载的运行频率:
6)运行矩频特性:
1.5
控制系统的组成方框图如下:
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20161101/318249_1_0.jpg)
1)脉冲信号的产生
2)信号分配
感应子式不仅以二、四相电机为主,二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍两种,
3)功率放大
功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流(而样本上的电流均为静态电流)。平均电流越大电机力矩越大,要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
步进电机一经定型,其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高,力距越大则要求电机的电流越大,驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下:
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20161101/318249_1_1.jpg)
4)功率放大细分驱动器
在步进电机步距角不能满足使用的条件下,可采用细分驱动器来驱动步进电机,细分驱动器的原理是通过改变相邻(A,B)电流的大小,以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20161101/318249_1_2.jpg)
二、驱动器
由于单片机的I/O不具有直接驱动步进电机的能力,故在本系统中需要步进电机驱动器,我们选择驱动器为KD-221,该驱动器具有输入电压范围广,控制信号输入方式多样等特点。其具体接法如下:
2.1、电源接线:
三、光电开关
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