步进电动机（共7篇）
步进电动机 篇1
摘要：步进电机是一种纯粹的数字控制电动机,又称为阶跃电机或脉冲电机。是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机,也可以看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。它能将输入电脉冲信号转换成机械的运动量加以输出。每一个主令脉冲都可以使步进电机的转轴前进一个步距角,并依靠它特有的定位转矩将转轴准确地锁定在空间位置上,在实际工程中有着广泛的应用,文章主要探讨了步进电动机原理及其驱动电路的特点。
关键词：步进电动机,数字控制,驱动电路
传统电动机作为机电能量转换装置,在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天,传统电动机的功能已不能满足各种运动控制系统的要求。为了适应这些要求,发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统,其中较有自己特点,且应用十分广泛的一类便是步进电机。近50年来,步进电机迅速发展而成熟起来,从发展趋向来讲,步进电机已经能与直流电动机,异步电动机,以及同步电动机并列,成为电动机的一种基本类型,步进电机己成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。
1 步进电机的工作原理
步进电机是一种完成增量运动的电磁机械。它能将输入电脉冲信号转换成机械的运动量加以输出。每一个主令脉冲都可以使步进电机的转轴前进一个步距角,并依靠它特有的定位转矩将转轴准确地锁定在空间位置上。步进电机是离散型自动化执行元件,是自动控制系统中的重要执行部件,它在系统中可实现变换脉冲数为转轴的角位移,起电磁制动器、电磁差分器、电磁减速器和角位移发生器等。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的元件,其转轴输出的角位移量与输入的脉冲个数有关,通过控制输入脉冲个数来控制步进电机的角位移量,而通过控制脉冲频率可实现调速。
步进电机只要由定子和转子组成。定子的主要结构是绕组,两相电机即有两个绕组,其它以此类推。绕组按一定的通电顺序工作,这个通电顺序称为步进电机“相序”。转子的主要结构是磁性转轴,当定子中的绕组在相序信号作用下有规律的通电,断电工作时,转子周围就会有一个按规律变化的电磁场,因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上,转子总是力图转动到磁阻最小的位置,正是这样,让转子按一定的步距角转动,使转子发生转动。步进电机步距角θ的计算公式:θ=360°/NZ,其中N为步进电机中一个通电循环的拍数,Z为转子齿数。其中常见的反应式步进电机分为转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠成的。定子上有6个磁极(大极),每2个相对的磁极(N、S极)组成1对,共有3对。每对磁极都缠有同一绕组,也即形成一相,这样3对磁极有3个绕组,形成三相。可以得出,四相步进电机有4对磁极、四相绕组,五相步进电机有5对磁极、5相绕组……依此类推。每个磁极得内表面都分布着多个小齿,它们大小相同,间距相同。电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量中)当转子与定子错开一定角度产生力,力矩与电机有效体积正比,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。
2 步进电动机的驱动电路
步进电机驱动系统中,控制器与驱动器之间的连接分为串行和并行控制两种。串行控制时,控制器输出时钟脉冲串和方向电平,靠驱动器中的脉冲分配器转换并行驱动信号,去控制各相绕组的导通或截止。这里时钟脉冲的有无决定了步进电机的运行或停止,脉冲频率决定步进电机运行的速度,方向电平决定运转的方向。并行控制时,控制器直接输出各相绕组导通或截止的并行信号,此时,脉冲分配器设在控制器中,除了由软件来代替脉冲分配器的功能外,不论是串行控制还是并行控制,整个系统中都必须有脉冲分配器这个环节。大部分PLC调速器采用与该PLC能够配套的驱动器和对应的步进电机,如图1所示。
步进电机可直接用数字信号控制,无需反馈可开环工作,无累积定位误差,控制精度高,因此被广泛用于数字控制和计算机控制等精密定位的控制系统中。可编程序控制器PLC是一种适于工业现场控制的技术平台。PLC综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术,使用面向过程、面向用户的简单编程语言,用户可通过软件设计,实现各种复杂的逻辑控制。
从应用的角度来看,制约步进电机的两个问题是失步和振荡,由于步进电机在大多数情况下采用开环运行的方式,它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电机本身。在多种情况下会产生失步,比如启动或停止频率超过突跳,电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率,所带负载转矩超过了启动转矩,共振等。通过改善驱动器的性能,可以减小运行中失步的可能。步进电机低频振荡是另一个需要解决的问题。步进电机在极限频率下做连续步进运行,即改变一次通电状态,转子转过一个步距角。如果阻尼较小,这种运动是一个衰减的振荡过程,转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下来。每来一个脉冲,转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充,这种能量越大,振荡越厉害。当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振荡频率时电机会出现严重的低频振荡,甚至失步导致无法工作,一般不允许在共振频率下运行。
3 结束语
步进电机伺服系统具有价格低,简单,可靠等交直流伺服系统无法比拟的优点,但由于它的运行速度低、驱动器效率低和发热量大等缺点,使它的使用范围受到限制,针对存在的问题,随着新材料、电机设计与制造技术,电力电子技术、微电子技术、控制技术等的进步,为步进电机驱动器性能的提高提供了条件,出现了许多步进电机驱动控制方式。步进电机控制系统由控制器,驱动器和步进电机组成。它们之间是相互配套的,目前的驱动器一般都为集成产品,而不是由分离产品构成,主要应用于各种工业场合,而对于小型水电站及对步进电机要求较低的场合,良好的步进电机驱动电路,应该是能够使步进电机在较大的转速范围内都有很强的负载能力。且要运转平稳,降低噪音,还要在一定程度上提高步进精度。
参考文献
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步进电动机 篇2
步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构, 也就是说, 当步进驱动器接收到一个脉冲信号时, 它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度 (即步进角) 。因此, 可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。目前PLC控制的全自动生产线和简单机器人的驱动电动机多采用成本较低的步进电动机, 但步进电动机大多采用开环控制, 无法满足对工件运行定位的精度要求。因此, 笔者采用一种同步感应器结合软件编程的方法, 将原来的开环控制变成闭环控制, 从而提高了控制精度。
1 步进电动机定位精度不高的原因分析
步进电动机定位精度不高的原因主要包括:
(1) 失步
步进电动机的运行一般要经过升频、恒速、降频等过程, 如图1所示[1], 其中L2段为恒速运行, L1段为升频, L3段为降频。如果在L1段和L3段, 即上升段和下降段的控制频率变化大于步进电动机的响应频率变化, 那么步进电动机就会失步, 导致步进电动机停转。失步会影响系统的正常工作, 使控制精度达不到要求。因此, 在步进电动机变速运行过程中, 需要正确选择控制频率。由于各种型号的步进电动机频率响应不同, 故需选择不同的控制频率[2]。一般选择控制频率为均匀变化, 即变化值为恒定值, 则步进电动机的转速也是均匀上升或下降。只要控制频率的变化小于步进电动机的响应频率变化, 步进电动机的转速就跟随控制频率变化, 从而不产生失步。
(2) 细分数设定不合理
在系统频率允许的情况下, 尽量选用高细数。细分后电动机的步距角由下列公式计算:对于两相、四相等整步步距角电动机, 细分后的步距角为θ/n, 其中θ为整步步距角, n为细分数, 例如细分数设定为40、驱动0.9°/1.8°电动机, 细分后的步距角为1.8°/40=0.045°;对于三相、五相等反应式步进电动机, 细分后的步距角为α/n, 其中α为半步步距角, 在上例中, 细分后的步距角为0.9°/40=0.022 5°, 那么电动机的运转分辨率为每个脉冲0.045°。电动机的精度能否达到或接近0.045°, 还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。
(3) 步进电动机传送带和齿轮距精度带来误差
在步进电动机控制中, 最大速度 (MAX-speed) 和启动/停止速度 (SS-speed) 的设置量必须满足一定要求。最大速度应在电动力矩能力的范围内, 启动/停止速度也应该满足电动机在低速时驱动负载的能力。若设置过低, 则在开始、结束时可能摇摆或颤动, 过高则会使电动机在启动时丢失脉冲, 并且负载在试图停止时会使电动机超速, 这样就造成步进电动机所控的设备不能精确定位。除此以外, 其它设备也会带来同样的问题。例如传输带的齿轮间距大或者齿轮距分布不均匀等许多问题, 最终导致控制无法精确定位。
2 步进电动机控制改进方案
步进电动机开环控制流程如图2所示。从图2可看出, 常规下步进电动机为开环控制, 上述几种误差最终导致控制设备不能精确定位。为了解决该问题, 提出在步进电动机所驱动的设备运动轨迹上增加感应同步器作为检测装置 (检测、滤波等电路设计在本文不作阐述) , 构成闭环系统[3,4], 如图3所示。
图4为直线式感应同步器工作原理。图4 (a) 中余弦绕组C中的电流在绕组中的感应电动势之和为零, 该位置称为感应同步器的零位置。当滑尺向右移动W/8距离处于如图4 (b) 所示的位置时, 保持激励电压不变, 余弦绕组C左侧导片在定尺绕组中的感应电动势比右侧导片的感应电动势大, 定尺绕组中的感应电动势的总和就不再为零, 其感应电流的方向如图4 (b) 所示。可以得出, 定尺绕组的感应电动势随着滑尺的右移而增大, 在向右移动到W/4位置时达到最大值, 如图4 (c) 所示。滑尺继续向右移动, 定尺绕组的感应电动势又逐渐减小, 当移动到W/2位置时又恢复到零, 如图4 (d) 所示。滑尺再继续向右移, 定尺绕组中又开始有感应电动势输出, 但此时感应电动势的极性发生了改变。在滑尺向右移到3W/4位置时, 定尺绕组中的感应电动势达到负的最大值, 如图4 (e) 所示。滑尺继续向右移动, 定尺绕组中的感应电动势会逐渐减小。当移动距离为W时, 回复到图4 (a) 所示的位置状态, 定尺绕组中的感应电动势也恢复到开始时的零态, 只是相对位置右移了1个周期, 继续移动将重复以上过程。可见, 当滑尺绕组上激励电压一定时, 定尺绕组输出的感应电动势是滑尺相对位置的正弦函数, 如图4 (f) 所示。其表达式为ec=Emsin
3 软件设计
下面以YL-335自动生产线为例, 用PLC-200位控模块编程方法加以说明[5,6]。供应站到加工站之间的直线距离为470 mm, 若选用3S57Q-04056三相步进电动机, 其步距角为1.8°, 采用对应的驱动器细分数为32。由L=Ndθ/360n可计算出所需脉冲数为601 600个, 其中d=5 mm, 为同步齿轮距。在使用位控向导编程时, 运动包络定义为“相对位置”, 在“脉冲栏”所填脉冲数的值稍大于所计算的值即可。在绘制包络、设置软件参数时, 步进电动机运行到感应同步器的位置点时速率应较低, 否则会使电动机振动, 运行不平稳。可通过软件编程使最终精度由感应同步器的精度确定, 但感应同步器需要安装在精确定位点的中心线上。对应的程序流程如5所示。首先在程序的第一个扫描周期复位所有存储器, 当主程序运行到PT0_RUN程序时, 初始化位控编程的所有重要参数。若按“START” (启动) 按钮 (I0.0) , 这时“运动子程序”按照所设计好的运动包络运行, 当运行到装有感应同步器的固定点时, 由它产生的感应电压通过放大、整形变成方波, 将该信号接入点I0.3, 使I0.3接通位控编程的手动子程序 (PTO_MAN) 。一旦手动子程序启动, 其它子程序自动停止, 这时计数器对I0.3的上升沿计数, 到达预置数时, 停止手动子程序, 步进电动机停止运转。
4 结语
通过改进控制电路, 增加感应同步器和信号检测、放大、整形等电路后, 再对应软件编程, 将原来步进电动机开环控制改为闭环控制, 整个控制精度有了较大的提高。运行中若出现误差, 只需要调整软件中计数器的值即可, 调试方便。原来影响控制精度的几种原因, 随着位控手动子程序的启动而消失。最终控制精度由感应同步器和PLC的扫描周期 (即响应时间) 决定, 增加的设备经费远小于采用伺服电动机来提高精度的费用。在实际YL-335自动生产线安装调试过程中, 通过改变计数器设置值等软件方法能够很方便地实现准确定位, 控制精度得到了较大的提高。
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步进电动机 篇3
随着医院患者检验标本数量及检验参数的不断增多,传统手工标识检验试管的工作模式已逐渐暴露出其缺点和问题。以住院患者为例,由于医院在采集任何检验标本前,都需先对盛装标本的试管进行标识并选择相应的试管,而且还需要在试管外贴上包含科室、床号、姓名、性别、住院号、检验项目、检验目的及送验日期等信息的试管标签。若采用传统的手工粘贴试管标签工作模式,护士首先需从实验室信息系统(laboratory information system,LIS)中获取当天需要进行检查的患者信息及相应的检验项目明细,然后将每个患者对应的试管标签进行打印,最后采用手工的方式将标签一一粘贴到对应的试管上。当检验标本数量增加时,手工粘贴试管标签的工作将消耗大量的时间和人力。据临床实践统计,若采用手工粘贴方式对住院患者常见的血常规检查标本进行贴标工作,粘贴600个患者的试管标签就需要4名工作人员花费约90 min才能处理完成,所以这种工作模式已不能满足规模较大的医院对检验工作效率和质量的要求[1]。因此本研究研制一种基于步进电动机的试管自动贴标系统,使试管标签的打印和粘贴过程实现自动化操作,以提高检验标本标识工作的效率和质量。
2 系统整体设计
试管自动贴标系统的主要功能,是将从LIS获得的患者相关信息及检验项目打印到试管标签上并通过相应的机械动作结构自动将标签粘贴到管壁上。除与LIS进行交互的上位机控制软件外,整个贴标系统还包括以单片机为主控制芯片的打印贴标控制系统以及以步进电动机为主要执行机构的机械动作单元[2],系统结构如图1所示。
要实现试管标签的自动打印粘贴,首先需要分析标签粘贴动作的流程。如图2所示,整个系统的贴标动作可分解为:(1)根据需要贴标试管的容量对试管承托臂的高度进行调整,使标签粘贴在试管外壁合适的位置上并等待试管的放入;(2)待试管放入后夹紧试管,使其紧贴转动轴轮,让试管能在电动机的带动下旋转;(3)系统内部打印机将相关信息打印至标签上,标签在试管的转动牵引下自动粘贴到试管上;(4)松开试管并使承托臂自动下摆,让试管可以自动跌落至完成抽屉中,贴标动作完成。配合上位机控制软件不断地将需要打印的患者信息和检验项目发送至下位机控制系统,整个贴标系统可实现试管标签粘贴的流水线操作,大大提高标本标识工作的效率和质量。
3 系统硬件电路设计
下位机控制系统整体硬件电路结构如3所示,主要包括以单片机作为控制芯片的主控制电路、以光电传感器作为主要位置传感器的动作单元位置反馈电路、步进电动机驱动电路以及周边外围电路[3]。
3.1 主控制电路及位置反馈电路的设计
STC11F60XE单片机是STC公司设计生产的单时钟/机器周期(1T)单片机,是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代51系列单片机,其指令代码完全兼容传统51单片机指令,但执行速度是传统51单片机的8~12倍。下位机系统其中一个重要的功能是要实现试管标签的打印,因此控制芯片在与上位机进行通信的同时,还需要与打印机单元进行通信,以发送实际的打印指令。但在传统51单片机的硬件资源中通常只配备了1个串行通信口,若要实现双串口通信,则需额外添加开关电路对串口进行多路切换。而STC11系列单片机可直接通过对内部特殊功能寄存器的操作使P3.0、P3.1引脚切换到P1.6,P1.7引脚上,以此将串口在P3口和P1口之间来回切换,可在不额外添加开关电路的情况下低成本实现1个串口作为2个主串口的分时复用,其电路如图4所示。
此外,由于步进电动机属于开环控制元件,因此单片机无法直接获取由步进电动机驱动的机械动作单元的位置状态。为提高打印贴标过程的安全性和可监控性,实现整个动作过程的闭环控制,在下位机控制系统中还需要包括机械动作单元位置的反馈电路。位置反馈电路以欧姆龙公司生产的EE-SH3系列光电传感器作为主要位置传感器,EE-SH3系列光电传感器为透过型光电传感器[4],其电路如图5所示。当发光二极管与光敏三极管之间没有被遮挡时,光敏三极管处于导通状态,电路输出为高电平;而当机械结构在运动中到达一定位置时,发光二极管与光敏三极管之间被预先设计在结构上的位置挡片遮挡,此时光敏三极管处于截止状态,电路输出为低电平。单片机通过读取位置反馈电路的输出状态即可获得机械动作单元的位置状态信息,从而实现打印贴标过程的闭环控制。
3.2 步进电动机驱动电路的设计
下位机控制系统另一个重要的功能是驱动机械动作单元实现试管标签的自动粘贴。根据对标签粘贴动作流程的分析可知,整个贴标动作是由多个贴标分解动作按照一定先后顺序组合而成。各个分解动作需要依靠对动作单元进行准确的定位控制来实现,考虑到步进电动机具有能够准确定位的特性,因此以步进电动机作为执行单元控制机械动作单元完成自动贴标动作。下位机控制系统的步进电动机驱动电路以THB6128芯片作为驱动芯片。THB6128芯片是东芝公司生产的高细分两相混合式步进电动机驱动专用芯片,该芯片具有以下特点:双全桥MOSFET驱动,低导通电阻Ron=0.55Ω;最高耐压40 VDC,峰值电流2.2 A,工作电流1.5 A;多种细分驱动可选;自动半流锁定功能;快衰、慢衰、混合式衰减等3种衰减方式可选;内置温度保护及过流保护等[5]。驱动电路如图6所示。
利用THB6128驱动芯片,单片机只需要按实际设计要求输入步进脉冲信号CLK及方向信号CWW,即可驱动步进电动机工作。管脚FDT为衰减方式控制引脚,调节该引脚输入电压可以选择不同的衰减方式,从而获得更好的驱动效果。管脚VREF为驱动电流设定引脚,调节该引脚的输入电压即可设定驱动电流值。通过拨码开关S1可改变芯片M1、M2和M3引脚的输入值,根据输入值的不同可选择8种电动机细分驱动模式,最高可达128细分,如表1所示。
此外,在主控制电路与步进电动机驱动电路之间需加入光电隔离电路。由于2个部分电路使用的电源大小不同,且电流大小差距较大,为防止驱动电路对控制电路产生干扰,单片机输出的控制信号需经过光电隔离处理后,方可输入至步进电动机驱动电路。光电隔离电路采用共阳极接法[6,7],电路如图7所示。
4 系统软件设计
4.1 单片机控制程序设计
单片机控制程序主要包括液晶显示控制、串行通信控制以及步进电动机控制等3个大部分,程序流程如图8所示。当系统上电时,首先需要对液晶显示及串口通信进行初始化。由于系统采用了大小为240×320的26万色TFT彩色液晶显示屏,显示屏以ILITEK公司的ILI9325芯片作为显示驱动芯片,因此需要对驱动芯片中相应的显示参数进行初始化后方可使液晶正常显示。此外,在系统第一次上电时,还需要调用步进电动机控制程序并结合位置传感器的状态对所有机械动作单元进行1次位置复位,使系统在接收打印指令前处于初始状态。动作单元复位后,即可通过上位机控制软件向下位机串口发送需要打印的患者信息及检验项目内容。在对接收的打印指令进行解释后,便进入试管标签的打印及自动粘贴过程。待整个过程结束后,还需对动作单元再进行1次复位操作,以便接收下一条打印指令。
由于采用了THB6128芯片作为步进电动机驱动芯片,因此简化了步进电动机控制程序的编写过程。控制程序只需要实现步进脉冲序列的输出、步进电动机运行方向的控制以及协调多个步进电动机依次动作,便可驱动整个系统机械动作部分按照贴标动作要求工作,无需再为实现步进电动机的细分驱动花费额外的代码空间资源,使控制程序变得更加简洁。步进脉冲序列的输出采用软件延时的方式实现,延时时间与实际应用要求的步进脉冲频率相关,步进脉冲频率的计算公式为:
以系统采用的35系列两相混合式步进电动机为例,由于电动机的步距角为1.8°,在采用32细分驱动情况下,电动机旋转360°需要360°/(1.8°/32)=6 400个脉冲。若需要让电动机每120 r/min,则脉冲频率为(6 400×120)/60=12.8 k Hz。因此对应的软件延时时间为(1/12 800)/2=39.062 5μs。通过延时程序使单片机IO口在高低电平之间切换,即可产生步进脉冲的输出。THB6128芯片内部还集成了脉冲分配电路,因此只需要改变芯片CW/CWW引脚的输入值,即可将输入的步进脉冲信号按一定的励磁逻辑关系输出至步进电动机相应的励磁绕组上,实现电动机运行方向的改变。最后控制程序只需要按照贴标动作的要求使控制驱动电路的单片机IO口对不同的驱动电路输出步进脉冲及方向信号,便可使步进电动机带动相应的机械动作单元完成标签粘贴动作。
4.2 上位机控制软件设计
上位机控制软件最主要的功能是为自动贴标系统与医院现有LIS之间提供一个可交互的接口平台。贴标系统所打印的患者信息及检验项目内容,都需要通过上位机控制软件从LIS中获得。而在获得打印内容的同时,贴标系统还需要往LIS发送一个用于记录患者检验项目是否已进行打印的状态标识作为反馈信息。
由于在临床实际应用中,每天需要标识的试管数量较多,且一个患者可能包含多项检验项目,若每打印一个患者的信息都需要重新查询LIS,势必会增加LIS的负担,因此控制软件采用先下载后打印的方式批量处理打印信息。以住院患者为例,护士通过操作上位机控制软件从LIS中下载当天所有需要做检验的住院患者信息及检验项目信息,然后软件会将已下载的相关信息存入预先建立在本地的缓存数据库内。在所有打印信息下载完毕后,控制软件会以单个患者为单位从本地缓存数据库中逐条读出打印信息,并将其内容按照系统自定义的通信指令格式重新组合,最后把重组后的打印指令通过串口发送至下位机系统中。控制软件与下位机的通信指令格式如表2所示,打印指令按照其对系统的不同作用进行拆分组合,每条通信指令中都包含了指令帧头、指令长度、指令内容及累加检验等4项内容。下位机系统根据指令帧头的不同对指令内容进行不同的解释,并将解释后的指令用于控制内部机械动作单元及标签打印机完成标签打印及自动粘贴过程。
打印指令的重组发送过程无需使用者参与,控制软件会根据下位机系统的反馈信息自动完成患者信息及检验项目内容的发送,使整个贴标过程实现流水线操作,大大提高标本标识工作的效率和质量。
5 结束语
本文从硬件设计和软件设计2个方面介绍了一种基于步进电动机的试管自动贴标系统。该系统的优点是结合了传感器技术和自动化控制技术,使试管标签的打印和粘贴过程实现自动化操作。对于规模较大的医院,在门诊及住院患者检验标本数量及检验参数不断增多的情况下,该系统很好地弥补了传统手工标识试管工作模式的缺点与不足,降低了手工粘贴试管标签工作所消耗的时间和人力,提高了检验标本标识工作的效率和质量,在医院的临床实际应用中具有广阔的前景。
摘要：目的:为解决传统手工粘贴检验试管标签工作模式存在的缺点和问题,研制一种基于步进电动机的试管自动贴标系统。方法:将传感器技术和自动化控制技术相结合,通过对标签粘贴过程的分析及软硬件的设计,实现试管标签的自动打印和粘贴。结果:结合上位机控制软件的使用,实现了试管标签打印粘贴的流水线操作,成功构建了基于步进电动机的试管自动贴标系统。结论:该系统弥补了传统手工标识试管工作模式的缺点与不足,在医院的临床实际应用中具有广阔的前景。
关键词：步进电动机,自动化,标签粘贴
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步进电动机 篇4
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的一种控制元件,也称为脉冲电机,输入一个电脉冲,就转过一个固定的角度(大小都可以作调整),一步一步地转动。步进电机已得到广泛的应用,如数控机床、自动记录仪、计算机的外围设备、遥控装置等。
2 工作原理
步进电机属于一种控制电机,它是在一般旋转电机理论的基础上发展起来的具有特殊用途的小功率电机,就电磁过程及所遵循的基本电磁规律来说,与常规的电机没有本质的差别。但控制电机主要是作信号的传递和转换,对它们的要求是运行的可靠性及快速反应的高精度、步进电机具有较好的定位精度、无漂移和累积定位误差,能跟踪一定范围的脉冲列。步进电机与交、直流伺服电机相比,在低速运行时有较大噪声和振动,在过载或高转速运行时会产生失步现象。因此利用步进电机控制机床的进给运动,限制了数控机床的精度和可靠性。但由于步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统,因其简单的结构、低廉的价格和可靠的性能,在经济型数控机床中得到了广泛的应用,在我国机床行业的数控化进程中占有重要的地位。步进电动机经常被用于精确定位的场合,因而保证步进电机不发生失步至关重要。
步进电动机正常工作时,每接收一个控制脉冲就移动一个步距角,即前进一步。实际上步进电机每走一步,转子的角位移与设计的步距角有一定的步距误差。若连续地输入控制脉冲,电动机就相应地连续转动,上述步距误差形成累积值。但因为转子转过一圈后,又回至上一转的稳定位置,因此,步距误差不会无限累积。步进电动机失步包括丢步和越步。丢步时,转子前进的步数小于脉冲数;越步时,转子前进的步数多于脉冲数。一次丢步和越步的步距数等于运行拍数的整数倍。丢步严重时,将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动,越步严重时,机床将发生过冲。步进电动机是开环进给系统中的一个重要环节,其性能直接影响着数控系统的性能。电动机失步会影响数控系统的稳定性和控制精度,造成数控机床加工精度下降。
3 失步原因的分析及解决方法
(1)转子的速度慢于步进电动机的旋转磁场速度
转子的速度慢于步进电动机的旋转磁场速度,即低于换相速度时,步进电动机会产生失步。这是因为输入电动机的电能不足,在步进电动机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转速度,从而引起失步。由于步进电动机的动态输出转矩随着连续运行频率的上升而降低,因而,凡是高于该频率的工作频率都将产生丢步。这种失步说明步进电动机的转矩不足,拖动能力不够。解决方法:(1)使步进电动机本身产生的电磁转矩增大。为此可在额定电流范围内适当加大驱动电流;在高频范围转矩不足时,可适当提高驱动电路的驱动电压;改用转矩大的步进电动机等。(2)使步进电动机需要克服的转矩减小。为此可适当降低电动机运行频率,以便提高电动机的输出转矩;设定较长的加速时间,以使转子获得足够的能量。
(2)转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度
转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度,这时定子通电励磁的时间较长,大于转子步进一步所需的时间,则转子在步进过程中获得了过多的能量,使得步进电动机产生的输出转矩增大,从而使电动机越步。当用步进电动机驱动那些使负载向下动作的机构时,更容易产生越步现象,这是因为负载向下运动时,电动机所需的转矩减小。解决方法是减小步进电动机的驱动电流,以降低步进电动机的输出转矩。
(3)步进电动机及所带负载存在惯性
由于步进电动机自身及所带负载存在惯性,使得电动机在工作过程中不能立即起动和停止,而是在起动时出现丢步,在停止时发生越步。解决方法:通过一个加速和减速过程,即以较低的速度起动,而后逐渐加速到某一速度运行,再逐渐减速直至停止。进行合理、平滑的加减速控制是保证步进驱动系统可靠、高效、精确运行的关键。在实际应用中,由于起动频率比运行频率低得多,通常采用自动升降频的方式,先在低频下使步进电机起动,然后逐渐升至运行频率。当需要步进电机停转进,先将脉冲信号的频率逐渐降低至起动频率以下,再停止输入脉冲,步进电机才能不失步地准确停止。
(4)步进电动机产生共振
共振也是引起失步的一个原因。步进电动机处于连续运行状态时,如果控制脉冲的频率等于步进电动机的固有频率,将产生共振。在一个控制脉冲周期内,振动得不到充分衰减,下一个脉冲就来到,因而在共振频率附近动态误差最大会导致步进电动机失步。解决方法:适当减小步进电动机的驱动电流;采用细分驱动方法;采用阻尼方法,包括机械阻尼法。以上方法都能有效消除电动机振荡,避免失步现象发生。
步进电动机 篇5
关键词：步进电动机,细分驱动,斩波,FPGA
1 引言
在许多科学仪器(如医疗仪器、生化和理化检测仪器、生命科学仪器等)中经常大量采用二相步进电动机作为定位执行部件。步进电动机以其低廉的价格、可开环控制及运行时无累积误差等优点,在这些领域里得到了广泛的应用;但同时,它也存在着低频振荡、电磁噪声大、高频输出转矩下降明显等缺点。采用恒转矩细分驱动技术可以很好地解决步进电动机运行时的上述缺点。目前普遍采用的方法主要有两种:一种是由中规模(MSI)数字电路、运放和模拟分立元件以及驱动器件等构成的控制系统,该种方式适用于功能比较简单、性能要求比较低的应用场合;另一种是采用单片机取代前一种方式中的数字电路部分来构成一个步进电动机控制系统,此种方式中可由任务要求的功能复杂程度和性能的高低不同来选择相应的单片机和外围器件。由于单片机本质上是程序控制器件,所以当应用于功能、性能和速度都要求比较高的场合时,一般的单片机不能满足要求,只有高档的单片机才能胜任。但高档单片机用于细分驱动时往往要浪费许多内部资源,同时也增加了系统的设计成本。为了节约成本,对于比较简单的步进电动机控制可由用户应用系统中的单片机来兼职完成。但是,当需要高速、高精度和(或)频繁地对步进电动机进行细分控制时,就要占用大量的单片机机时和内部资源,从而会严重影响到用户应用功能的执行与实现。采用FPGA器件就可很好地解决上述诸多问题。
采用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)来取代步进电动机的细分控制系统中的单片机或数字逻辑部分,由于任务相对比较单一,所以可以在实现高效的细分驱动功能的前提下,提高速度和降低系统造价。具体说来,即是把步进电动机细分控制系统中的各相细分电流值给定单元、控制逻辑单元和斩波控制模块都集成到单片FPGA芯片内,而用户应用系统的微控制器(MCU)只需给本细分驱动控制系统提供步进步数、转动方向、细分数和启停等信息,就可以精确控制步进电动机的运行,从而大大减轻了用户应用系统中的微控制器的负担,使其可以在实时控制场合完成更加复杂的控制算法等重要任务。
2 恒转矩细分驱动原理
步进电动机细分控制,从本质上讲就是控制步进电动机各相励磁绕组中的电流,使其内部的合成磁场为旋转磁场,从而实现步距角的细分。合成磁场矢量的幅值决定了电动机旋转转矩的大小,相邻两合成磁场矢量之间的夹角决定了步距角的大小。我们知道:合成电流的矢量与合成的磁场矢量近似成正比,因此,控制步进电动机的合成磁场矢量也就是控制通入步进电动机各绕组的电流值的大小。一般采用的细分方法为一相绕组通以恒定的电流,而另一相绕组的电流按阶梯方式变化,从而使合成磁场矢量均匀旋转。图1(a)为采用这种细分方式时两相混合式步进电动机四细分时的合成磁场矢量图,从图中可以看到,步进电动机运行过程中各相电流合成矢量的幅值不断变化,其中最大合成矢量幅值是单相通电时幅值的倍,这也是此种细分方式下步进电动机运行不稳定的主要原因。
那么如何获得恒幅合成磁场矢量呢?由同步电动机工作原理可知:空间角互差90°放置的两相定子绕组分别通以电气角互差90°的正弦波电流,合成的磁场为圆形旋转磁场。基于这一原理,在两相混合式步进电动机的两相绕组中分别通以幅值按正弦规律变化、相位相差90°的阶梯波电流,就能得到图1(b)所示的恒幅电流矢量[1]。通入的阶梯电流阶梯越小,越接近正弦波,步距角也越小。理论上,无限细分的结果就是相位互差90°的正弦波。本设计就采用“阶梯正弦波”细分方法控制步进电动机。
3 系统整体实现
某精密仪器要求的定位精度折合成机械角度为0.009°/每步,所选两相混合式步进电动机的步距角为1.8°,即要求驱动器至少达到1.8/0.009=200细分的驱动效果。本系统可以提供最大256细分的驱动精度,能够满足设计要求。两相混合式步进电动机细分驱动系统的整体实现如图2所示,它主要由FPGA控制模块、功率驱动单元、电流反馈单元等组成,其中FPGA是整个控制系统的核心。
步进电动机A、B两相绕组中按cos/sin规律变化的阶梯电流波存储在FPGA内部的LPM_ROM单元中,FPGA控制逻辑根据控制信号的要求把LPM_ROM单元中存储的步进电动机电流设定值与绕组中的实际采样电流进行比较,根据比较结果输出PWM波通过功率驱动级控制步进电动机各相电流按设定的“阶梯正弦波”规律变化,从而获得所需要的细分精度来驱动步进电动机运转[2]。光耦隔离电路采用高达10 MHz的高速光耦6N13。
3.1 FPGA软件设计
FPGA选择EP1K50TC144-1芯片,其内部的设计主要由分频器、A/D转换控制模块、斩波控制输出模块、地址计数模块和存储步进电动机A、B两相参考电流的LPM-ROM等组成,如图3所示。LPM-ROM中的电流数据在地址计数器的作用下加载到斩波控制单元的一端,与步进电动机绕组中的反馈电流进行比较,根据比较的结果调制相应斩波控制信号,控制绕组的通断电时间,使反馈电流始终跟随设定电流,保持为一个恒定值。
地址计数模块是一个1 024进制的计数器,用来指定LPM_ROM的输出地址,通过VHDL语言编程的方法实现,其模块图如图4所示,COUNTER在时钟输入端clk、复位输入端rst、方向控制端dir、使能控制端en、细分控制端subdiv[2..0]的控制下输出地址指针AD[9.0],可以通过控制各输入端控制步进电动机的旋转方向、工作/停止和运行频率,例如:在dir=en=rst=0,subdiv[2..0]=“011”时,在clk的每一个上升沿,输出AD[9..0]加8,实现步进电动机的8细分。
由于本系统要实现的最大细分数为256,对于两相混合式步进电动机一个周期要走256×4=1 024步,所以LPM_ROM的地址宽度取为10(210=1 024),每相数据宽度取为8(28=256),则两个输出端需要16位的数据宽度,分两组分别加载到斩波控制单元的输入端。LPM_ROM中的初始数据通过加载MIF文件得到,MIF文件可以由C语言或MATLAB语言等高级语言编程得到,生成初始数据文件后,转化成后缀为MIF的文件,用MAX+PLUSII加载到FPGA芯片中即可。本MIF文件就是在TC3.0平台上用C语言编程得到的。对于FPGA内部LPM_ROM空间较小的芯片,考虑到正余弦信号的对称性,可以只用1 024/4=256 B的存储单元,其他单元的数据可以通过逻辑及数学转换得到。
本设计采用它激式斩波恒流驱动的方式使步进电动机绕组中的电流在每一个细分步里保持为一个恒定值[3]。FPGA按照某一固定频率采样步进电动机绕组电流,并与设定的绕组电流进行比较,根据比较结果调制相应斩波控制信号,控制绕组的通电时间,使反馈电流始终跟随LPM_ROM中的设置电流。驱动电路板上提供了一个20 MHz的有源晶振,FPGA通过内部的分频电路,生成频率为20 kHz的时钟,实现定频斩波控制,且两相是同频斩波,不会产生差拍现象,消除了电磁噪声。斩波恒流驱动的具体实现过程如图5所示,Vb为反馈值与设定值的比较结果,根据Vb的值确定斩波控制信号Vd是否导通,从而保证步进电动机绕组中的电流为设定的恒定值。
步进电动机A相斩波恒流控制电路在FPGA内部的具体实现电路如图6所示,反馈电流IAF[7..0]与设定电流IA[7..0]通过比较器进行比较,比较结果加到D触发器的清零端,当IAF大于IA时,比较器输出清零信号到D触发器的清零端,D触发器在时钟信号的上升沿实现输出清零;当IAF小于IA时,D触发器输出跟随输入,由于D端接高电平,输出也为高电平。通过不断比较,D触发器输出PWM信号控制步进电动机A相驱动电路通断,使A相绕组电流始终保持为设定电流。为了防止因为设定电流和反馈电流对比较器的A、B输入端赋值时各位的非同步性引起的输出波形带毛刺现象,D触发器的时钟输入信号也同时加到比较器的时钟输入端,在时钟上升沿对IAF[7..0]和IA[7..0]进行比较。
3.2 驱动电路设计
两相混合式步进电动机A相全桥驱动电路如图7所示,选择功耗极低的HIP4081芯片作为H桥驱动芯片。该芯片可提供1 MHz的开关速率,工作电压为12 V,输入兼容5～15 V的逻辑电平。功率开关管是功放电路中的关键部分,影响着整个系统的功耗和效率,选择高频MOS功率场效应管IRF540作为开关管,其参数为:VDSS=100 V,RDS(on)<77 mΩ,ID=22 A。IRF540导通电阻很小,即使步进电动机长时间运转,MOS管本身的温升也比较低,无须外加风扇[4]。
利用设计的驱动器驱动某两相混合式步进电动机,在频率为2k Hz、64细分的条件下运行时,测得A相绕组电流波形如图8所示,从图中可以看到步进电动机绕组电流曲线光滑,电动机运转平稳,在细分步内电流脉动较小。
4 结论
基于现场可编程门阵列设计的两相混合式步进电动机驱动器,可以实现对步进电动机高达256微步的细分,并且把A/D转换控制电路、斩波控制电路集成到了FPGA芯片内部,大大提高了系统的集成度。步进电动机在精密仪器中应用时,如果让它按照微步细分角一步一步运行,考虑到运行频率的限制,再加上细分,步进电动机运行的很慢,本设计中微控制器根据上位机提供的步进电动机运行步数,把步进电动机运行过程自动分解成整步、半步或者1/4步等加上微步的方法运行,这样不仅定位精度没有打折扣,并且大大提高了步进电动机的定位速度[5]。实际应用证明,该驱动器基本克服了步进电动机低速振动大和噪声大的缺点,电动机在较大速度范围内转矩保持恒定,提高了控制精度,缩短了定位时间,减小了发生共振的概率,具有很好的稳定性、可靠性和通用性。
参考文献
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[3]乐创自动化技术有限公司.基于CPLD的混合式步进电动机驱动器设计[J].自动化信息,2007(9):44-45.
[4]邹道生.EDA技术在步进电动机驱动中的应用[J].江西师范大学学报:自然科学版,2006,30(6):350-354.
步进电动机 篇6
1 步进电动机加减速定位控制原理
针对步进电动机因起动频率过高可能造成的“失步”(失去同步)现象,我们可以通过加速→恒定高速→减速→恒定低速→锁定,就可以既快又稳地准确定位,如图1所示。
用单片机对步进电动机进行加减速控制,实际上就是控制每次换相的时间间隔。升速使脉冲逐渐加密,减速时则相反。若单片机使用定时器中断方式来控制电动机的速度,那么加减速控制实际上就是不断改变定时器的装载值的大小。
2 利用Proteus进行仿真电路设计
Proteus是电路分析软件,特别适合单片机等自动控制系统的分析和仿真。Keil软件是和该电路分析软件配套使用的编程软件。
本文介绍的方案是以51单片机为控制器,将单片机产生的数字控制信号加在电机驱动模块芯片上以控制步进电机。通过操作按键,实现步进电机的正反转及步数设置,设计方案采用了PWM技术来控制步进电机,不断改变单片机的数字控制信号来改变步进电机的转速。运用软件与硬件相结合的控制方法,实现单片机对步进电机的加减速定位控制。硬件电路框图如图2所示,电路由以下部分组成:显示模块、AT89C51单片机、按键模块、电机驱动模块ULN2003A和步进电机。
3 仿真效果
参照图2,在Proteus软件的环境环境下,搭建仿真电路如图3所示。图中,U1为单片机AT89C51,LCD1为显示模块,KEY1~KEY3为按键模块,U2为电机驱动模块ULN2003A,示波器A、B、C、D端口分别测试单片机提供给步进电机的4路数字控制信号。在Keil环境下进行源程序编译和联调仿真,按照加减速定位控制原理编写源程序,编译生成扩展名为“.HEX”的目标代码文件。在Proteus中,双击单片机AT89C51,在其中选取Keil下生产的目标代码文件。设置时钟频率,开始仿真,可以看到步进电机的运转平稳。加速阶段PWM控制波形如图4(a)~(d)所示,其中(c)和(d)之间省略了fk在40脉冲/s至9990脉冲/s的各档频率仿真波形。仿真波形显示,在加速过程中,PWM脉冲控制信号逐步加密(其中图a~c的时间轴单位长度为20ms,图d的时间轴单位长度为20us),即频率在逐步提高,直到10000脉冲/s。同时步进电机转速也在逐步提高。减速阶段的PWM控制波形与加速阶段的PWM控制波形变化恰好相反,PWM脉冲控制信号逐步稀疏,直到10脉冲/s。同时步进电机转速也在逐步降低。恒定高速或恒定低速阶段,PWM脉冲控制信号维持频率最高或最低恒定不变。同时步进电机转速也维持最高或最低恒定不变。运用Proteus和Keil对步进电机控制进行了加减速定位控制的软硬件的设计。仿真结果表明:采用加减速定位控制方法的步进电机控制系统工作稳定,步进电机可以平稳的加减速或恒速运行,避免了失步现象。控制步进电机的数字信号清晰有规律,并且与理论分析一致。
4 结语
本文针对可能出现的“失步”问题,采取加减速定位控制原理,并利用仿真软件进行仿真,方便的得出比较满意的控制效果。计算机仿真等数字技术的应用,对于分析和解决问题起到了事半功倍的作用。
摘要：步进电动机运用广泛,易于实现自动数字控制。本文针对步进电动机起动容易出现的“失步”现象,采取加减速定位控制的方法,并利用Proteus软件建立了步进电机加减速定位控制的电路仿真模型,在Keil软件下进行源程序编译和联调仿真。仿真结果显示在该种控制方法下,步进电机运行效果良好。
关键词：步进电动机,“失步”现象,加减速定位控制,Proteus Keil
参考文献
[1]康健,王国战,刘静,卢超.Proteus环境下步进电机的控制研究[J].湖南工程学院学报,2010(3):31.
[2]张靖武,周灵彬.单片机系统的Proteus设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.
步进电动机 篇7
关键词：直流无刷电机,无位置传感器,反电动势,步进启动,直流无刷电机调速系统,换相
0 引言
直流无刷电机 (Brushless DC Motor, 简称BLDCM) 因其体积小、重量轻、易调速、性能可靠等优点, 广泛应用于办公自动化、家用电器及工业机器人等设备中[1]。传统的三段式启动虽然可以正常启动电机, 但国内外对其的理论研究却并不多。本文将对三段式的启动方法做深入的理论分析, 为步进启动提供理论支持, 并在最后给出实测波形。
根据直流无刷电机有无位置传感器可以将其分为有位置传感器式和无位置传感器式直流无刷电机。由于现代自控设备对体积提出了更高的要求, 所以无位置传感器式直流无刷电机得到了越来越广泛的应用。无位置传感器式直流无刷电机对转子位置的检测有反电动势法、续流二极管电流通路检测法等方法。长期以来国内外研究开发了无刷直流电机的多种无传感器控制技术, 其中最简单而实用的方法是基于反电动势检测[2]。基于反电动势检测的直流无刷电机控制系统对主控制器的要求比较高, 所以一般都采用DSP, 文献[3~5]均是采用DSP作为主控制器的直流无刷电机控制系统, 效果良好。
1 基于反电动势检测的无位置传感器无刷直流电动机的运行分析
图1为星形连接三相桥式逆变电路。在图1中, 上桥臂三个开关管Q1、Q3、Q5采用P沟道功率MOSFET, 栅极电位低电平时导通;Q2、Q4、Q6采用N沟道功率MOSFET, 栅极电位高电平时导通, A、B、C为电机三相绕组。在图1中, 在由微控制器组成的控制电路的控制下, 上、下两个开关管不能同时导通, 通过控制开关管Q1~Q6中的两个按照一定顺序轮流导通, 电机电枢同时有两相通电, 当按表1所示顺序轮流一周导通时, 电机就旋转一周, 电机的此种导通方式被称为三相六状态通电方式。需要注意的是, 同一桥臂上下两个开关管必须保留足够的死区时间。
对应表1的开关关系, 由图2可以看出, 通过控制开关管的轮流导通, 电机中通电的绕组也随之改变, 从而转子所处的磁场总在不停地旋转, 以此驱动电机转动。在电动机正常转动时, 由反电动势法检测到转子位置的信息, 按照一定的触发换相逻辑, 通过微控制器输出相应的PWM波, 控制开关管次序导通, 带动电机内部磁场旋转, 从而达到驱动电机转动的目的。
注:表1中, AB表示电流由A相流向B相, 其余同理。
2 直流无刷电机的步进启动分析
采用反电势换相方式工作的无刷直流电机在静止时无感应电动势, 因此没有自起动能力[6]。电机启动的关键在于以正确的相序通电[7]。此时我们必须通过人为控制, 给电机施加一个由低频到高频不断加速的换相信号, 使电机绕组轮流通电, 从而“拖动”电机旋转, 当电机达到一定转速时, 再切换到直流无刷电机运行状态。这个过程称为步进启动技术, 包括转子定位、步进启动和正常运行三个状态。
在电动机启动时, 我们必须通过控制器产生加速的换相命令, 即我们要通过控制器控制图2中各个状态的导通时间。针对表1和图2, 在步进启动阶段, 为了便于分析, 我们将电机圆周展开成一条直线, 如图3所示, 其中, θ1~θ6为转子转过第一转所经过的六个状态, θ7~θ12为转子转过第二转所经过的六个状态, ……, 由图2可以看出, 电机总是在不停地重复这六个状态, 且电机机械位置已经固定, 换相时刻只跟转子相对磁极位置有关, 故可得θi=θi+1 (i=1, 2…) 。由于电机处在加速启动状态, 随着换相信号的频率逐渐升高, 每个状态所持续的时间必然逐渐减少, 设定:状态i (i=0, 1, 2, …) 的持续时间为ti, 必有ti<ti+1 (i=1, 2…) 。这种情况一直继续到电机启动成功、步入正常运行状态为止。如果能推导出各状态持续时间之间的关系, 我们就可以“拖动”电机, 从而达到电机启动的目的。
对于旋转电机, 有:
式中Tem为电动机的电磁转矩, 单位为N·m;
Tl为负载转矩, 单位为N·m, 不妨假设为恒负载转矩, 则Tl为一个常数;GD2为电动机飞轮惯量, 单位为kg·m2, 飞轮转矩GD2可以从相关产品目录查到, 在电机给定的情况下, 该值也可看作一个常数;n为电动机转速, 单位r/min。其与电动机转动角速度Ω的关系为:
根据三相无刷直流电动机的基本公式, 有:
式中CT为电机的转矩系数, 在电机一定时, 该值为常数;为电机磁通量, 单位为Wb, 由于直流无刷电机采用的是永磁体, 故该值也为一个常数;Ia为电枢绕组电流, 单位为A, 对于Ia, 有:
式中Us为电源电压;UT为开关管导通压降, 此值在开关管导通时极小, 约为0.7 V左右, 在理想情况下, 该值为零, 在本文中, 我们认为UT=0;E为电机的反电动势, 单位为V, 对E, 有:
其中Ce为电机的电动势常数, 电机给定时, 该值为常数。
整理上列各式, 可得:
令, 则式 (6) 可化为:
式 (7) 是一个常系数一阶微分方程, 求解可得:
式中c为常数, 由微分方程的初始条件得到。
由图2, 在电机开始启动的时刻, Ω (0) =0, 由此可得:
故式 (8) 可化简为:
根据式 (9) , 由图3可得式 (10) ,
以ti (i=1, 2, …) 作为变量, 由:
联立以上方程, 可得到式 (12) :
可解得:
因此, 在步进启动阶段, 每一次换相后, 该相通电的持续时间我们可以通过式 (13) 得出。由此式可以看出, 在无刷电机启动的时候, 每一相通电的时间是逐渐减少的。按照此种关系拖动电机旋转, 可以达到电机安全启动的目的。
3 实验分析
根据上述启动理论, 我们做了相应的实验验证。由于意法半导体公司的STM8S系列微控制器抗干扰性强, 性价比高, 我们采用该系列微控制器SMT8S做主控芯片, 控制输出PWM及换相等。由SMT8S作为主控芯片制作的控制器如图4所示。
新西达电机被广泛应用于航模等自控要求较高的场合中, 我们采用新西达电机做被控对象, 试验中所用电机型号为新西达2212无刷电机, 由上述控制器与电机联合调试, 如图5所示。
对图5所示的直流无刷电机调速系统进行试验, 得到的启动波形如图6所示。
4 结束语
本文通过对直流无刷电机步进启动的分析, 得到了步进启动阶段三相六状态时每一个状态应持续的时间之间的关系, 为直流无刷电机的步进起动提供了理论支持。最后, 制作实物直流无刷电机调速系统进行试验验证了上述结论的可行性。
参考文献
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