計算機測控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1、計算機測控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)12013113 段軍合1. 參考書目：書名：步進電機控制技術入門 王鴻鈺 編著2. 主要內容：2.1 步進電機介紹步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得步進電機在速度、位置等控制領域的控制操作非常簡單。雖然步進電機應用廣泛，但它并不像普通的直流和交流電機那樣在常規(guī)狀態(tài)下使用，它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用.因此.用

2、好步進電機也非易事，它涉及機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。2.2步進電機的結構 步進電機主要由兩部分構成定子和轉子。它們均由磁性材料構成。 以三相為例其定子和轉子上分別有六個、四個磁極。 定子的六個磁極上有控制繞組，兩個相對的磁極組成一相。步進電機剖視圖2.3 步進電機的工作原理 步進電機有三線式、五線式和六線式，但其控制方式均相同，都要以脈 沖信號電流來驅動.假設每旋轉一圈需要200個脈沖信號來勵磁，可以計算出每個勵磁信號能使步進電機前進1.8°。其旋轉角度與脈沖的個數(shù)成正比。步進電動機的正、反轉由勵磁脈沖產生的順序來控制。六線式四相步進電機是比較常見的，它的控制等效電路如

3、下圖所示。它有4條勵磁信號引線A,/A，B,/B 通過控制這4條引線上勵磁脈沖產生的時刻，即可控制步進電機的轉動.每出現(xiàn)一個脈沖信號，步進電機只走一步。因此，只要依序不斷送出脈沖信號，步進電機就能實現(xiàn)連續(xù)轉動。2.4 勵磁方式步進電機的勵磁方式分為全步勵磁和半步勵磁兩種。其中全步勵磁又有一相勵磁和二相勵磁之分;半步勵磁又稱一二相勵磁。假設每旋轉一圈需要200個脈沖信號來勵磁，可以計算出每個勵磁信號能使步進電動機前進1.8°。簡要介紹如下。一相勵磁在每一瞬間，步進電機只有一個線圈導通.每送一個勵磁信號，步進電機旋轉1.8，這是三種勵磁方式中最簡單的一種。其特點是:精確度好、消耗電力小，

4、但輸出轉矩最小，振動較大。如果以該方式控制步進電機正轉，對應的勵磁順序如下表所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電機反轉。表中的1和0表示送給電機的高電平和低電平。二相勵磁在每一瞬間，步進電動機有兩個線圈同時導通。每送一個勵磁信號，步進電機旋轉1.8。其特點是:輸出轉矩大，振動小，因而成為目前使用最多的勵磁方式。如果以該方式控制步進電機正轉，對應的勵磁順序見下表。若勵磁信號反向傳送，則步進電機反轉。一二相勵磁為一相勵磁與二相勵磁交替導通的方式。每送一個勵磁信號，步進電機旋轉0.9。其特點是:分辨率高，運轉平滑，故應用也很廣泛。如果以該方式控制步進電機正轉，對應的勵磁順序見下表。若勵磁信號反向傳送，

5、則步進電機反轉。微處理機驅動電路電機負載運用微處理機的開環(huán)系統(tǒng) 2.5 步進電機的控制要點 開環(huán)控制 上圖是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)的方框團?？刂菩盘柨梢杂晌⑻幚頇C產生， 也可以用某種形式的時序電路產生。不管這種信號怎樣產生，設計者都需要 知道它在定時上有些什么限制。例如：特定負載轉矩的最高步進頻率；又 如：電機加速負載慣量的時間等。 開環(huán)控制方案中，負載位置對控制電路沒有反饋，因此，步進電機必須 正確地響應每次激磁變化。如果激磁變化太快，電機不能夠移動到新的要求 的位置，那么，實際的負載位置相對控制器所期待的位置將出現(xiàn)永久誤差。 如果負載參數(shù)基本上不隨時間變化，則相控制信號的定時比較簡單。但是，

6、在負載可能變化的應用場合中，定時必須以最壞(即始大負載)情況進行設 定。當然，這樣確定的控制方案對所有共他負載并非站住。 優(yōu)點：簡單，成本低。 閉環(huán)控制 在閉環(huán)控制的步進電機系統(tǒng)里，不斷檢測轉子的瞬時位置，并把它反 饋到控制單元上。每一步命令都在電機令人滿意地響應了前面的命令后才 發(fā)出， 因此，電機不可能失步。啟動控制單元相序發(fā)生器電機負載位置檢測器步進命令減法計數(shù)器制動停止啟動時送數(shù)步進電機的閉環(huán)控制系統(tǒng) 第一步快定到時，位置檢測器產生一個送到減法計數(shù)器和控制單元去 的脈沖。減法計數(shù)器減一，即負載相對目標的位置減一。注意：開環(huán)控 制時，減法計數(shù)器只記錄需要送給電機的步進命令數(shù)，并不保證這些步

7、數(shù) 是否已經執(zhí)行。而閉環(huán)控制小，減法計數(shù)器記錄的是實際的負載位置。 送到控制單元的位置檢測脈沖用來產生下一步命令。負載越重，達到 第一步位置所花的時間越氏，相繼的步進命令之間的時間間隔也越長，自 動適應了比較慢的加速速率。與外環(huán)控制一樣，電機最終能達到的最高工 作頻率由電機和負載特性決定。 電機開始減速的時刻出減法計數(shù)器決定。減速期間，執(zhí)行的步數(shù)取決 于負載條件。慣量大、轉矩小的負載比慣量小、轉矩大的負載需要更多步 數(shù)減速。不過，通常以最壞的負載條件來設定減速期間執(zhí)行的步數(shù)。如果 實際的負載條件沒有最壞條件那么嚴重，那末，系統(tǒng)在達到目標位置前的 步進速率將低下啟停頻率，故能可靠停止。當減法計數(shù)

8、器為零時，表示要 求的步數(shù)已經執(zhí)行完。這時，減法計數(shù)器發(fā)一個停止信號給控制單元，禁 止以后的步進命令，系統(tǒng)工作告一段落。 由此可見，閉環(huán)控制的激磁定時隨負載條件而改變，它能夠產生接近 最佳的速度曲線和快速對負載定位。對許多用戶來講，直接監(jiān)視負載位置 是這種控制方式的最有吸引力的特性。這種特性使步進命令和轉子位置之 間不可能失步，即使在最壞的負載條件下也如此。 閉環(huán)系統(tǒng)中，位置檢測器常用光學傳感器嚨波形檢測電路實現(xiàn)。光學 檢測是傳統(tǒng)的檢測方法，但成本高，特別對小步距角的電機而言。波形檢 測法是新的檢測方案之一。它利用動生電壓對相電流的調制來檢測轉子的 位置。3. 重點內容3.1 齒距角、步距角和

9、轉速大小與什么有關？ 步距角：指當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按 設 定的方向轉動一個固定的角度。它的旋轉是以固定的角度一步 一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達 到準確定位的目的。以表示。它不受電壓波動和負載變化的 影響，也不受溫度、振動等環(huán)環(huán)境因素的干擾。 計算：步距角的大小由轉子的齒數(shù)、運行相數(shù)m所決定。他們之間 可表示為： 齒距角t: 步距角: 意義：步距角越小，精確度越高。 增加相數(shù)和增加轉子齒數(shù)都可以減少步距角，目前多用增加齒數(shù) 方法減小步距角。 步進電機的轉速 (r/min)3.2 3相步進電機的三種工作方式下定子繞組的通電順序?三相單三拍 其

10、通電順序為 ABCA。“三相”是指三相步進電機,“單”是指每次只有一盯繞組通電,“三拍”是指三種通電狀態(tài)為一具循環(huán)。這種方式每次只有一相通電,容易使轉子在平衡位置上發(fā)生振蕩,穩(wěn)定性不好.而且在轉換時,由于一相斷電時,另一相剛開始通電,易失步（指不能嚴格地對應一個脈沖轉一步）,因而不常采用這種通電方式。雙相雙三拍 其通電順序為ABBCCACB。這種通電方式由于兩相同時通電,轉子受到的感應力矩大,靜態(tài)誤差小,定位精度高,而且轉換時始終有一相通電,可以工作穩(wěn)定,不易失步.三相六拍 其通電順序為AABBBCCCAA。這是單、雙相輪流通電的方式,它具有雙一拍的特點,且由于通電狀態(tài)數(shù)增加一倍,而使步距角減

11、少一倍。 3.3 步進電機的技術指標(1)步進電機的靜態(tài)指標 相數(shù)電機內部的線圈組數(shù)。目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同。一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°，三相為0.75°/1.5°、五相為0.36°/0.72°。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求.如果使用細分驅動器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。 步距角表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250

12、A型電機的值為0.9°/1.8°(表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°)，這個步距角可稱為“電機固有步距角”，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。 拍數(shù)完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài).或指電機轉過一個步距角所需脈沖數(shù)。以四相電機為例，有四相四拍運行方式，即AB-BC-CD-DA-AB:四相八拍運行方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 定位轉矩電機在不通電狀態(tài)下，轉子自身的鎖定力矩(由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成). 保持轉矩步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的

13、參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成了衡量步進電機最重要參數(shù)之一。比如，當人們說2N·m的步進電機時，在沒有特殊說明的情況下，是指保持轉矩為2N·m的步進電機。(2)步進電機的動態(tài)指標步距角精度步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差，用百分比表示:誤差/步距角X100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。失步電機運轉時運轉的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)，稱為失步。失調角轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度.電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。最大空載起動頻率電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。最大空載運行頻率電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。運行矩頻特性電機在某種測試條件下，測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性。它是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據，如圖所示。電機一但選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然.電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流(而非靜態(tài)電流)，平均電流越大，電機輸出力矩越大.即電機的頻率特性越硬。 力矩與頻率關系曲線 其中:曲線3電流最大或電壓最