步进电机微机控制系统.pptx

3.1 步进电机工作原理与结构第1页/共54页A、B、C三相通电一周，转子旋转90，即一个齿距角。第2页/共54页一相绕组通电，称为一拍；转子旋转的角度为一个步距角；磁场旋转一周（360），需A、B、C三相绕组轮流通电一个周期，即需三拍，称单三拍。A-B-C-A顺序，正转A-C-B-A顺序，反转第3页/共54页定子绕组电流波形：单三拍ABCABCAABC第4页/共54页双三拍：ABBCCAABBCCAABABC第5页/共54页六拍（单双拍）：AABCABBBCCCAAABBBCCCA对于四相步进电机：单四拍、双四拍、八拍第6页/共54页几个概念：工作频率：步进电机输入脉冲的频率fw步进周期：每转动一步所需的时间Tw进齿周期：转子转动一个齿距所需时间齿距角：ZR转子齿数步距角：k=1,2;m相数;N拍数步进电机的转速：,rpm例：ZR40，t t99，b3 或1.5 第7页/共54页三种工作方式比较：工作工作方式方式步进步进周期周期每相每相通电通电时间时间相电相电流流高频高频特性特性转矩转矩电磁电磁阻尼阻尼振荡振荡功率功率损耗损耗单拍单拍TWTW小小差差差差差差多多小小双拍双拍TW2TW较大较大一般一般一般一般较好较好少少大大单双拍单双拍TW3TW最大最大好好好好较好较好极少极少中中第8页/共54页步进电机需满足：1.形成错齿：定子绕组磁极的分角度不能被齿距角整除。120/90 4/32.实现对齿：定子绕组磁极的分角度被齿距角除后所得的余数，应是步距角的倍数，且倍数值和相数不能有共因子。120/90 余30 ，是30 或15 的1倍或2倍，和相数3没有共因子。第9页/共54页定子相数越多，精度越高，但电源复杂。一般做到六相。定子每个磁极上做出若干小齿。第10页/共54页3.2 步进电机的特性一、静转矩特性（矩角特性）失调角：转子受到负载转矩Mc的作用，偏转一定角度。当电磁转矩Mm与负载转矩Mc相等时，转子处于平衡状态。tt/2-t/2-静转矩特性：静态时电机静转矩与转子失调角的关系Mmf（），近似为一正弦曲线。-/2-/20Mm静稳定区 不稳定平衡点最大静转矩Mmax0 0稳定平衡点第11页/共54页二、动稳定区 从一种通电状态转换到另一种通电状态，不会引起失步的区域。-+bc+bc 单三拍，bc2/3 六拍，bc/3 拍数越多，动稳定区越接近静稳定区，运行时越不易失步。第12页/共54页三、动态矩频特性步进电机连续运行时，用于克服负载转矩和加减速惯量而不失步运行的最大转矩（失步转矩）与频率的关系，M（f）。Mf第13页/共54页工作方式对矩频特性的影响：1.61.250.1第14页/共54页四、起动惯频特性起动频率：步进电机由静止突然起动，能够不失步完成起动并进入正常运行所能达到的最高频率。起动频率与转子转动惯量J及负载转矩Tc的关系称为起动惯频特性。fqTc.J第15页/共54页五、单步运行与振荡单步运行指转动一步或工作频率很低的情况。在摩擦力矩和各种阻尼的作用下，振荡逐渐衰减，最后稳定在平衡位置。t第16页/共54页3.3 步进电机的驱动电路一、单电压驱动电路当相控制为00时，T T截止。当相控制为11时，T T导通。U=I(RU=I(RO O+r+r）ROLrRdDTU相控制i第17页/共54页当相控制为00有效时，U2U2截止，T2T2导通。当相控制为1无效时，U2导通，T2截止。二、高低压（双电压）驱动电路ROLrR2D2T236V相控制T1D15V5VR1单稳触发高压触发高压控制R3U1U2第18页/共54页工作过程：高压工作：t1t2，T1、T2导通，D1、D2截止。低压工作：t2t3，T1截止，D1导通。关断：t3以后，T1、T2截止，绕组放电。高压控制高压触发相控制绕组电压绕组电流36V5Vt1t2t3L（r）D2R236V 地5V D1R0第19页/共54页第20页/共54页三、斩波型功率放大电路1.斩波恒流驱动电路T8导通T8截止VsVp，T4截止VinVbiLVbiL恒流采样电阻参考电压第21页/共54页2.斩波平滑功放电路RdDLrTUVin&VmVbiL与单电压驱动电路比较：无Ro；控制电路由门电路组成工作时，Vin输入步进方波，Vm输入一个脉冲序列VinVmiL第22页/共54页六拍运行方式：每拍运动增量为步距角其原因是：AABB一、基本原理单三拍运行方式：每拍运动增量为步距ABABABAAB3.3 步进电机的细分驱动电路第23页/共54页细分控制：通过控制绕组中电流的数值，调整步进电机的步距大小，使步距角细分成若干步的步进电机控制方法就叫做细分控制。一、基本原理AABAB第24页/共54页二、可变细分控制功率放大电路利用D/A转换器，输出可变的电压信号，经放大，比较放大，线性功率放大控制绕组电流的变化。MCUD/AAMP比较放大R第25页/共54页单片机输出数字量0255,当输出255时对应电流为额定值，细分步数必须整除255。如3、5、15、17、51、85。细分为3步，对应的数字量为55H、AAH、FFH细分为15步，对应的数字量为11H、22H、33H、44H、55H、FFH.注意：控制三相步进电机时，需要三组同样的D/A转换器。功率放大管工作在线性区，效率低。MCUD/AAMP比较放大R第26页/共54页三、数字脉宽调制细分控制电路说明：功放管工作在开关状态，基极加一系列的脉宽调制波，绕组得到细分控制所需的电流。当脉宽调制波Vb的脉宽较大时，产生阶梯边沿当脉宽调制波Vb的脉宽较小时，产生稳定平均电流Ia单片机控制脉宽值，则控制电流变化。ttVbiLMCUAMPiLVbU第27页/共54页-求Ts求THttVbiLTsTHTLIaIaIaTrTs上升到Ia-Ia：第28页/共54页求TL由放电电路：在脉底宽度，iL由Ia+Ia降到 Ia-Ia：ttVbiLTsTHTLIaIaIaTrTs第30页/共54页第31页/共54页Ij+1IjIk+1IkVbiLTHTLTUTD上升下降tt阶梯上升时间（Ij Ij+1）：（由TH公式）阶梯下降时间（Ik+1 Ik）：（由TL公式）第32页/共54页利用数字脉宽调制进行细分控制：产生上升阶梯波时，先输出脉宽为TU的脉冲，然后产生脉宽为TH、脉底为TL的序列脉冲。产生下降阶梯波时，先输出宽度为TD的脉底，然后产生脉宽为TH、脉底为TL的序列脉冲。VbTHTLTUTDtTHTLTHTL上升下降第33页/共54页3.5步进电机的单片机控制单片机光电隔离光电隔离驱动电路驱动电路驱动电路光电隔离步进电机P1.0P1.1P1.2ABC第34页/共54页3.5 步进电机与微型机的接口电路微机控制技术0 00 01 10 01 11 11 10 00 0第35页/共54页一、单三拍控制通电的相 ABC A3位BIN001010100001代C的BIN 001001001 010010010 100100100 001001001P1.0P1.1P1.2ABC100010001100使用带进位的循环移位法（红色表示进位位）使用的指令：MOV A，#49H /CLR C ;赋初值,清进位 RLC A ;正转 RRC A ；反转CyD7D0第36页/共54页二、双三拍控制通电的相ABBCCA AB低3位HEX3H6H5H3H带C的BIN011011011B 110110110B 101101101B 011011011BP1.0P1.1P1.2ABC110011101110使用带进位的循环移位法（红色表示进位位）使用的指令：MOV A，#0DBH /CLR C ;赋初值,清进位 RLC A ;正转 RRC A ；反转第37页/共54页四相步进电机对于四相步进电机来说：1、单四拍时序字节为00010001B,使用RL或RR指令2、双四拍时序字节为00110011B,使用RL或RR指令与三相步进电机相比，四相步进电机的驱动时序有什么不同？三相步进电机的驱动时序必须加上Cy位，而四相电机不用Cy位。三相用RLC指令，而四相用RL指令D7D0第38页/共54页一、利用软件延时，控制步进电机转N步说明：前进步数：30H控制字（时序字节）：31H步进周期（ms）:32H正反转标志：F0,0表示正转，1表示反转。MOV30H,#N;总步数MOV31H,#49H;单三拍（双三拍为DBH）CLRF0;正转MOV32H，#0AH；步进周期10msLCALLSTEPSBSJMP$第39页/共54页STEPSB子程序STEPSB:MOVR4,30H；取总步数MOVA,31H；时序字节CLRCLOOP:MOVP1,A；输出控制字MOVR7,32H；取延时ms数LCALLDELAY；调用延时程序JBF0,REV；判断正反转标志RLCA；正转SJMPNEXTREV:RRCA;反转NEXT:DJNZR4,LOOPRETDELAY：MOVR6，#248；延时(R7)1ms子程序NOPDJNZR6，$DJNZR7,DELAYRET第40页/共54页单片机上机程序CTRLequ8002H；步进电机地址STEPN0equ100；总步数SIN_4equ#11H；单四拍DU_4equ#33H；双四拍DLYCequ10；ORG0HStart:MOVSP,#60HMOVR4,#STEPN0；步数CLRF0LCALLSTEPSB；调用子程序SJMP$第41页/共54页STEPSB子程序STEPSB:MOVDPTR,#CTRL;指向步进电机的地址MOVA,#SIN_4；设置为单4拍LOOP:MOVXDPTR,A；输出到步进电机MOVR7,#DLYCLCALLDELAY；延时DLYCmsJBF0,REV;判断正反转RLA；正转SJMPNEXTREV:RRA;反转NEXT:DJNZR4,LOOP；判断步数RET第42页/共54页2利用定时器T0（方式1）定时，主程序加上MOVTMOD,#01MOVTL0,#XLMOVTH0,#XHSETBTR0WAIT:JBC TF0,TIMUP ；SJMPWAITTIMUP:MOVTL0,#XLMOVTH0,#XH；重装定时器MOVP1,ARLCA;正转，如果是四相，用RLADJNZR3,WAITSJMP$如果不使用时序字节的循环方式，也可以使用查表方式，第43页/共54页三相六拍方式将控制模型建成表格ACACBCBAB一周标志01H 05H04H 06H02H 03H00H反转表格AABBBCCCA一周标志01H 03H02H 06H04H 05H00H正转表格第44页/共54页三相六拍方式的程序清单：ORG0MOVSP，#60HMOV30H,#200MOV31H,#10CLRF0LCALLCTRLDSSJMP$.CTRLDS:MOV R4,30H MOV R0,#0 CLR C ORL C,F1 JC CTR11 MOV DPTR,#CWTAB;SJMP CTR12CTR11:MOV DPTR,#CCTAB;CTR12:MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A MOV R7,31H LCALL DELAY INC R0 ;偏移量加1 MOV A，R0 MOVC A，A+DPTR CJNE A，#00H，CTR14 ；一周结束？MOV R0，#00H ；是一周，R0回零CTR14：DJNZ R4，CTR12 ；判断步数 RETCWTAB：DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H，00HCCTAB：DB 01H，05H，04H，06H，02H，03H，00H第45页/共54页CTRLDS:MOVR4,30HMOVR0,#0；查表偏移量CLRCORLC,F1JCCTR11MOVDPTR,#CWTAB;正转SJMPCTR12CTR11:MOVDPTR,#CCTAB;反转CTR12:MOVA,R0MOVCA,A+DPTRMOVP1,AMOVR7,31HLCALLDELAYINCR0;偏移量加1MOVA，R0MOVCA，A+DPTRCJNEA，#00H，CTR14；一周结束？MOVR0，#00H；是一周，R0回零CTR14：DJNZR4，CTR12；判断步数RETCWTAB：DB01H，03H，02H，06H，04H，05H，00HCCTAB：DB01H，05H，04H，06H，02H，03H，00H第46页/共54页补充：四相八拍的控制表格CWTAB：DB01H，03H，02H，06H，04H，0CH，08H,09H,00HCCTAB：DB01H，09H，08H，0CH，04H，06H,02H,03H，00H第47页/共54页3.6 步进电机的加减速控制第48页/共54页 步进电机运行的速度图已知：f0启动，H步;fH匀速，P-H步;大减速：fH到fm走R步;一般减速：fm到f0走S步求：加速度a,减速度b1、b2,以及各段周期Tx012HPP+RP+R+S步数f频率f0fxfHfm第49页/共54页 1.线性加速阶段：第50页/共54页小结1：在线性加速阶段，先根据fH和f0求得加速度a再求出在第X步（x=1,2,3,H）的步进周期Tx当X=1时，T1=1/f0第51页/共54页2.匀速阶段：运行频率为fH,步进周期为TH=1/fH3.第一减速阶段的加速度和步进周期当y=1时，T1=1/fH第52页/共54页4.第二减速阶段的加速度和步进周期第53页/共54页谢谢您的观看！第54页/共54页