控制电机课程设计步进.doc
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1、目 录摘要1第1章 设计课题简介21.1引言21.2课题背景31.3 技术概述31.4设计的目的与意义41.5选择方案51.5.1步进电机的概述51.5.2步进电机工作原理51.5.3 控制方案6第二章 步进电机的驱动62.1驱动器的选择62.1.1 L297L298功能分析及驱动特性72.2 驱动器的芯片连接7第三章 电路分析113.1脉冲发生器电路113.2正转反转控制电路133.3起动及变速控制电路13第四章 个人小结15参考文献16附录1 电路图17附录2 实物图18 摘要步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件,具有快速起动和停止的特点。其驱动速度和指令脉冲能严
2、格同步,具有较高的重复定位精度, 并能实现正反转和平滑速度调节。它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响, 因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。此次课题在分析了步进电机的驱动特性、斩波恒流细分驱动原理和混合式步进电机驱动芯片L297L298的性能、结构的基础上,设计出了步进电机驱动电路。关键词:步进电动机,555定时器,L297,L298第1章 设计课题简介1.1引言步进电动机是用电脉冲信号进行控制,将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机,它最突出的优点是可以再宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速,快速启停、正反转控制及制动等,并且其组成的开环系统简单、廉价
3、、可行性强,因此在自动化设备及各种控制装置等众多领域有着广泛的应用。随着微电子和计算机设计的发展,步进电动机的需求量与日俱增,研制步进电动机的驱动系统具有十分重要的意义。本文选用的步进电机是四相电机,采用的方法是利用L297集成芯片,产生四相驱动信号,控制L298双H集成电路来驱动步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进电机接受到一个脉冲信号,步进电机就按设定的方向转动一个固定的角度(称为步距角),它的旋转时以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲频率来控制电机转动速度和加速度,从而达到调速的目的。通过L297控制L298来驱动步进电机,控制电机的正反转和启停。基于L
4、297/L298驱动芯片的步进电机驱动系统,采用恒流斩波方式驱动。其中L297是步进电机控制器,适用于双极性两相步进电机或单极性四相步进电机的控制。用L297输出信号可控制L298双桥驱动集成电路,用来驱动电压最高为46V,总电流为4A以下的步进电机。L297也可用来控制由达林顿管组成的分立电路,以驱动更高电压,更大电流的步进电机。L297只需要时钟、方向和模式输入信号,相位由内部产生,从而减轻微处理器和程序设计的负担。L297采用固定斩波频率的PWM恒流斩波方式工作。L297主要由译码器,两个固定斩波频率的PWM恒流斩波器以及输出控制逻辑组成。L298是用驱动步进电机的集成电路,采用双桥接方
5、式驱动,由于是双极性驱动,步进电机的定子励磁绕组线圈可以完全利用,是步进电机达到最佳的驱动。1.2课题背景步进电机以其独特的特点可以在无速度传感器和无位置传感器系统中实现精确的开环状态定位或同步运行。我们通过调节发送给步进电机的步进脉冲个数来实现精确的位移或者角度定位,而调节发送的步进脉冲频率就可以实现速度调节,这些都有利装置或设备的小型化和低成本,因而在众多领域中得到广泛的应用。步进电机的使用性能与它的驱动电路有密切的关系,随着电子技术的发展 ,使步进电机的控制电路和功率驱动电路发生了很大变化,特别是集成电路的推广和微机的普及应用,更使步进电机驱动电源的研制上了一个新台阶,使其性能指标有了显
6、著的提高。国内对这方面的研究一直很活跃,但是可供选用的高性能的步进电机驱动电源却很少,而且国内的驱动电源方面基本都存在着体积大、外形尺寸不规则、性能指标不稳定及远没有达到系列化等问题,这就给驱动电源的选用和安装带来了极大的不便,国外虽然有通用的各种类型的步进电机驱动电源,但大都存在一些问题,如价格昂贵,与我国的系统连接不匹配等问题。如前所述,步进电机伺服系统的性能,不仅与步进电机本体的特性有关,而且还与步进电机的控制方式、驱动电源的特性及负载特性有着密切的关系,特别是驱动电源技术方面,对步进电机运行性能的改善,如高频力矩的提高,步距分辨率的提高,单步振荡及振动的消除等方面起着至关重要的作用。1
7、.3 技术概述在电气时代的今天,电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产还是在日常生活中的家用电器,都大量地使用着各种各样的电动机。因此对电动机的控制变得越来越重要了。电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术化。步进电机是机电控制中一种常用的执行机构,其原理是通过对它每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制,所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。通俗地说:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的
8、方向转动一个固定的角度(及步进角)。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量,从而达到准确定位的目的。同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的,现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM),混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7。50;反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1。50,但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为
9、1。8“而五相步进角一般为0。720。这种步进电机的应用最为广泛。步进电机的一些基本参数:电机固有步距角:它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0。90/1。80(表示半步工作时为0。90、整步工作时为1。80),这个步距角可以称之为“电机固有步距角”,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数:是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0。90/1。80、三相的为0。750/1。50、五相的为0。
10、360/0。720。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分动器,则“相数”将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。保持转矩 :是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。比如,当人们说2 Nm的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2 Nm的步进电机。步进电机的一些特点:一般步进电机的精度为步进角的3%-5%,且不累
11、积。步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在130C以上,有的甚至高达200C以上,所以步进电机外表温度80C-90C完全正常。步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。介绍步进电机的一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况
12、下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。1.4设计的目的与意义掌握步进电机的工作原理及控制方法,本次设计任务要完成的目标是:控制实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速、停止;实现步进电机的细分控制;控制器满足步进电机的幅频特性等功能。1.5
13、选择方案1.5.1步进电机的概述步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构,由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。脉冲输入越多,电机转子转过的角度就越多,输入脉冲的频率越高,电机的转速就越快。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度,从而达到调速的目的。步进电机种类,根据自身的结构不同,可分为常用三大类:反应式(VR,也称磁阻式)、永磁式(PM)、混合式(HB)。其中混合式步进电机兼有反应式和永磁式的优点,它的应用
14、越来越广泛。1.5.2步进电机工作原理 图1 是一个四相磁阻式步进电机的结构示意图,该电机定子上有8 个凸齿,相距180的两个凸齿构成一相,每一相上的线圈反相连接,这样8 个齿就构成四相,AA1、BB1、CC1、DD1,因此称为四相步进电机1。图1 四相磁阻型的步进电机结构示意图当有一相绕组被励磁时,磁通从正相齿,经过软铁芯的转子,并以最短的路径流向负相齿,而其他的六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短,在磁场力的作用下,转子被迫转动,使最近的一对齿与被励磁的一相对准。在图1 的a 图中B 相被励磁,转子与B相对准。在这个位置上,再对A 相进行励磁,则转子在磁场作用下顺时针转过15,如图1 的b
15、图所示,这样步进电机就转过了一个步距角。继续对C 相进行励磁,转子在磁场的作用下进一步顺时针转过15,到达c 图所示的位置,又转过了一个步距角。再对D 相进行励磁,又产生了一个新的磁场,在磁力的作用下转子又转过一个步距角15。这样步进电机的四相完成一个通电循环,若要继续转动,就继续顺次励磁,即步进电机按照ABCDA顺序顺次励磁,那么电机就不停地转动;若要电机反转,只需要改变电机的励磁顺序,按照ADCBA的次序励磁即可。一般对步进电机采用半步驱动,即四相八拍工作方式,使步进电机每次励磁转过1 /2 的步距角,即每次改变励磁方式步进电机转过7.5,它的励磁方式是AABBBCCCDDDAA,若要反转
16、也是只需改变励磁方式即可,即按照AADDDCCCBBBAA,采用八拍工作方式使得电机的转动更加稳定,也进一步增强了步进电机的控制精度。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数),可以改变步长的大小。它们之间的相互关系,可由下式计算: L =3600 /(PNC) 式中:L为步长;P为相数;N为转子齿数;C为通电方式。在图1中,步长为150,表示电机转一圈需要24步。1.5.3 控制方案步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,因此非常适合于单片机控制。步进电机最大特点是,它是通过输入脉冲信号来进行控制的,即电机的总转动角度由输入脉冲数决定,而电机
17、的转速由脉冲信号频率决定。脉冲信号是由555定时器组成的多谐振荡电路产生,用L297输出信号可控制L298双H桥驱动集成电路,用来驱动步进电机。此次我们选用的步进电机为四相八拍混合式步进电机42BYGHM47-1684A,参数具体如下:电压2.8v,电流1.68A,电阻1.65 欧姆,电感.,步距角精度5%。 第二章 步进电机的驱动2.1驱动器的选择步进电机广泛应用于数控机床、机器人、遥控、航天等领域,特别是微型计算机和微电子技术的发展,使步进电机获得了更为广泛的应用。但其步距角较大、分辨率低、易发热等缺点往往满足不了工业上的精确定位和大扭矩控制。为解决上述问题,本电路采用芯片L297L298
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