步进系统

步进系统（通用12篇）

步进系统 篇1

摘要：本设计通过开发运用微型计算机系统, 输出控制时序来控制步进电机运转, 针对步进电机的工作状态, 输出对应的音频或光、显示信息。本次设计的创新点是结合温度保护程序, 通过比较当前温度与设定的温度值控制步进电机停止转动, 保护步进电机。

关键词：步进电机,微机,汇编,控制

1 星研集成环境介绍

(1) 提供DOS、WIN95/98/ME/NT/2000/2003/XP二个版本的集成环境软件, 与KEIL公司提供的C51调试软件很大部分相同, 也有自己的特色。集编辑编译器 (VC++风格) 、项目管理、编译、连接、错误定位、下载于一体, 并提供调试功能。

(2) 功能强大的项目管理功能:现在单片机软件越来越大, 也越来越复杂, 维护成本也很高。通过项目管理可化大为小、化整为零, 便于管理。项目管理功能也使多模块、多语言混合调试成为可能。支持宏汇编、C、PLM语言混合编程, 有强大的项目管理功能, 含并且包含调试与该项目相关的仿真器件、相关文件、编译软件以及编译连接控制等硬软件信息。

(3) 本次设计基于星研集成环境, 所有硬件、软件环境都已集成。

2 编写步进电机汇编程序的方法

2.1 8255可编程并行接口芯片介绍

8255可编程外围接口芯片是Intel公司生产的通用并行I/0接口芯片, 它具有A、B、C三个并行接口, 用+5V单电源供电, 能在以下三种方式下工作:

方式0—基本输入/出方式;方式1—选通输入/出方式;方式2—双向选通工作方式。

2.2 编程中三个重要的参数

(1) 运转步数N:操控步进电机的定位精度。

(2) 延时时间DELAY:控制步进电机步进的速率。

(3) 温度:控制步进电机停止工作的最大温度。

3 工作过程

3.1 步进电机的概述及四相八拍步进电机的工作原理:

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。此步进电机工作方式为四相八拍, 由单极性直流电源进行供电。只需变换不同合适的时序对步进电机的各相绕组通电, 就可以使步进电机步进转动。

四相步进电机按根据电顺序的不同, 可以分为单四拍、双四拍等工作方式。单四拍和双四拍的步距角相等, 但是单四拍的转动力矩较小。而八拍工作方式的步距角是单四拍以及双四拍的一半, 所以, 八拍的工作方式不但可以保持较高的转动力矩而且可以提高控制精度。

3.2 步进电机的工作方式:

35BYJ46有四个相“ABCD”, 如果对每个相单独依次通电, "A-B-C-D", 旋转一周需要磁场换相四次, 称为四相单四拍;如果每次两相一组同时通电, "AB-BC-CD-DA", 这称为四相双四拍;而单四拍和双四拍相互交替使用, 则称为四相八拍, 如:"A-AB-B-BC-C-CD-D-DA"、"AB-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DA-DAB", 此时磁场旋转一周需要换相八次。四相八拍与四相四拍相比, 步距角减少了一倍, 这有利于削弱振荡, 从而提高了电机的带负载能力。

3.3 控制原理

步进电机通过顺序切换它的每相线圈电流来使电机作步进式旋转运动, 相应的驱动电路通过脉冲控制, 因此调节脉冲频率可调整步进电机的转速。另外, 由于电机存在转动惯量, 故其转动速度还受到驱动功率大小的影响, 若脉冲的频率大于某一固定值 (本系统f>100hz) , 电机将不再转动。

4 设计系统的操作

4.1 怎样改变电机的转速

程序下载好后在试验箱上可以通过按键改变步进电机的转速, 按键A可以改变步进电机的转动方向, ‘1’是顺时针, ‘0’是逆时针;B按键可增大步进电机的转速, C键可减小步进电机的转速, D键能控制步进电机工作, A、B、C任一按键的改变都会使步进电机停止转动。

4.2 通过实验找出电机转速的上限, 如何能进一步提高最大转速

例示程序速度最大显示为B, 即“11”, 通过更改步进延时可以增大转动速度。当转速调至C, 即“12”时, 步进电机开始转速很快, 然后会停止转动, 因为步进电机转动惯量的存在, 故其转动速度还受到驱动功率大小的影响, 若脉冲的频率大于某一固定值 (本系统f>100hz) , 电机将不再转动。故想要进一步提高转速, 应该增大驱动功率。

4.3 怎样能使电机反转

按键A可以改变步进电机的转动方向, ‘1’是顺时针, ‘0’是逆时针;若在程序中修改, 则只需将MOV bclockwise, 1改为MOV bclockwise, 0则会使按键控制效果相反。

4.4 通过其它外设的检测 (如光电) , 控制步进电机的停、转

本次设计我通过将步进电机与温度计结合, 设计出了一个用温度控制步进电机停止转动的程序, 即当温度超过40度时控制步进电机停止转动。可以实现步进电机的基本功能, 也可以实现温度的测量。

5 实验数据分析

实验测得的数据因计时水平有限以及视觉误差存在误差, 故不是很精确, 但却很明显的反应了增加速度等级可以增加转速, B级速度为最大值。若速度再次增加, 因为步进电机转动惯量的存在, 故其转动速度还受到驱动功率大小的影响, 若脉冲的频率大于某一固定值 (本系统f>100hz) , 电机将不再转动。在具体实验中可通过温度控制部分将设定温度值改为15度进行测试, 理论上可以在15度时将步进电机的转动终止。

参考文献

[1]http://wenku.baidu.com/link?url=Srp-voo Rr Il Vcyvz5DKKFTv Rr5A4d9ES1VG696c L5GWLCPJk VWth9V01Yd Ujq1f M2_8zbrp N3Cf L8f6Tk IAcb Qgiz99DM_Bde S3Endi5j K3

[2]杨季文著.80X86汇编语言程序设计教程[M].清华大学出版社, 1998.

[3] (美) Kip R.Irvine著:Intel汇编语言程序设计 (第四版) [M].电子工业出版社, 2004.

步进系统 篇2

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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。

步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）

永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；

反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；

混合式步进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

1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

一.工作原理

（一）反应式步进电机

1、结构：

电机转子均匀分布着很多小齿（1，2，3，4，5），电机定子有三个励磁绕阻（A，B，C），A与齿1相对齐，B与齿2错开1/3て，C与齿3错开2/3て，A与齿5相对齐...。将定子和转子展开如下

2、旋转：

如A相通电，B、C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐；如B相通电，A、C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移2/3て；如C相通电，A、B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐；如A相通电，B、C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て。这样经过A、B、C、A分别通电，齿4移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A、B、C、A...通电，电机就向右旋转；如按A、C、B、A……通电，电机就向左转。由此可见：电机的位置和速度由导电脉冲数和频率成一一对应关系，而方向由导电顺序决定。

不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑，往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。但经过理论分析及大量的实验证明：细分数如果超过10，电机带负载后，就会产生跳步和失步现象。

不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移

1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

3、力矩：

电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）。当转子与定子错开一定角度时，产生的吸引力 F=K*dФ/dθ成正比。其中磁通量Ф=Br*S（Br=N*I/R为磁密，S为导磁面积，N*I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻），θ为错齿量，K为系数。可见，F与L*D*Br成正比（L为铁芯有效长度，D为转子直径）。

力矩=F*D/2，因此，力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（设为线性状态），即电机有效体积越大，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。

（二）感应子式步进电机（永磁式）

1、特点：

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。

感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。

例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=。

一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。

2、分类

感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。

3、步进电机的静态指标术语

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 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

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）。每转步数：电机每转一转所转过的步数。

定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。

保持扭矩：电机绕组通电不转动时的最大输出扭矩值。

工作扭矩：电机绕组通电转动时的最大输出扭矩值。注意：保持扭距比工作扭矩大，选电机是要以工作扭矩为选择依据。

静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

4、步进电机动态指标及术语：

1、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。

3、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

5、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。这个速度远大于启动频率。

6、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下左图所示：其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。

电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如上右图所示。其中，曲线3电流最大、或电压最高；曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。

7、电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然。为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应远离共振区。

现在，步进电机的发展非常迅速，如德国百格拉公司的交流伺服电机运行性能的步进电机系统，其三相混合式步进电机采用交流伺服原理工作，运用特殊精密机械加工工艺，使步进电机定子和转子之间间隙仅为50um，转子和定子的直径比提高到59%，大大提高了电机工作扭矩，特别是高速时的工作扭矩。由于定子和转子上磁槽数远多于五相和两相混合式步进电机，使三相混合式步进电机可以按五相和两相混合式步进电机的步数进行工作。电机的扭矩仅与转速有关，而与电机每转的步数无关，例如：2Nm电机在每转500步和10000步，800转/分时的扭矩都是1.75Nm。在低速时运行极其平稳，几乎无共振区，高速时扭矩大，运行特性类同交流伺服电机。

二.步进电机选用

（一）力矩与功率计算

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：

P= Ω·M

Ω=2π·n/60

P=2πnM/60

其中P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米。

P=2πfM/400(半步工作）

其中f为每秒脉冲数（简称PPS)

（二）步进电机的选择

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1、步距角的选择

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

2、静力矩的选择

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

3、电流的选择

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）

综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：

三.应用中的注意点

1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。

2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。

3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。

4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。

5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。

6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。

7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。

8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。

9、应遵循先选电机后选驱动的原则。最好采用同一生产厂家的控制器、驱动器和电机。

10、应注重可靠性而轻性能、重品质而轻价格。

步进系统 篇3

过去的电气控制技术主要以低压继电触器为主，控制方便简单，但很难大范围深度地使用。目前，先进的电气控制技术主要有现场总线技术、伺服系统技术、人机界面技术、PLC控制技术等，控制方式及其系统有PLC控制系统、自动控制系统、DCS集散系统、FCS现场总线控制系统等。其中伺服系统是自动控制系统中的一类，它是伴随控制论、微电子、和电力电子等技术应用而发展起来的，最早出现于20世纪。近十几年，新技术革命使伺服系统及其技术突飞猛进，其应用几乎遍及社会各个领域，所以其重要性不言自明。

二、步进伺服系统

电气控制中伺服系统有速度伺服控制和位置伺服控制，可以有交流伺服、直流伺服、步进伺服、液压伺服、气压伺服等。采用步进电机控制的伺服系统称为步进伺服系统，是一种将电脉冲信号转换成角位移的系统。可在宽广的范围内调速。特别适合于开环控制。又因步进电动机输出轴的角位移与输入脉冲成正比，转速与脉冲频率成正比，转向与通电相序有关，当它转一周后，没有积累误差，具有良好的跟随性，因此步进伺服系统具有很好的实用性。

（一）步进伺服系统的组成

步进伺服系统主要由指令脉冲信号、步进电动机驱动电路、步进电机、步进电机扭矩放大器、执行机构、反馈环节等组成。

（二）步进伺服系统的分类及基本特征

没有反馈环节的部分叫做开环控制，因为其没有位置和速度反馈回路，因此省去了检测装置，系统简单可靠，具有结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低等一系列优点，在中小型机床和速度、精度要求不十分高的场合得到了广泛的应用，并适合于发展功能简化的经济型数控机床和对现有的普通机床进行数控化技术改造。

在整个控制环节里，有部分反馈环节的伺服控制系统称为半闭环伺服系统；如果角度、位置和速度反馈形成封闭的系统，就称为闭环控制伺服系统，闭环系统是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当处理自动给出驱动脉冲串。因此采用闭环控制可以获得更加精确的位置控制和更高更平稳的转速，从而提高步进电机的性能指标，可以具有更大的通用性。其控制方案主要有核步法、延迟时间法、用位置传感器等。

三、步进伺服系统的控制

（一）步进伺服系统的控制元件

步进伺服系统的控制元件为步进电动机，工作时，步进电动机的控制绕组受电脉冲信号控制，靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大后使控制绕组按规定顺序轮流接通直流电源。

步进电机主要分为转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进电机，用永久磁铁做转子的“永磁式”步进电机，感应子式步进的混合式步进电机，目前反应式步进电机用得最多。步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应角位移或直线位移的机电执行元件，步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。步进电机的运动状态是步进形式的，故称为“步进电动机”。

其通电方式有“拍”、“单”、“双”，其中相数、拍数、步距角为其主要参数。

步进电机动态特性主要有步距角精度，失步，失调角，最大空载起动频率，最大空载的运行频率，运行矩频特性。矩频特性是电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

（二）步进伺服系统的控制原理

步進伺服系统主要分为开环、半闭环、闭环控制系统，其控制基本要求为：精度高（0.01—0.001mm)，响应快（小的跟踪误差），调速范围宽（1：100，1：1000），低速大转距(电机可以直接连丝杠)，较强的过载能力(数分钟内,电枢电流大于额定值4—6倍)，能频繁起停，正反向运动。步进伺服系统控制的驱动电源包括环形分配器和功率放大器两部分。其中环形分配器是按一定的顺序导通和截止功率放大器，使相应的绕组通电或断电，它由门电路、触发器等基本逻辑功能元件组成，目前有硬件环形分配器和软件环形分配器。其通电顺序为AB-B-ABC-C-BC-A.

功率放大器的输出直接驱动电动机的控制绕组，由于从环形分配器输出的电流只有几个毫安，而一般步进电机的励磁电流需要几安到几十安，因此需要功率放大器进行功率放大和电流放大。功率放大器的性能对步进电动机的运行状态有很大影响。关键是要提高电动机的快速性和平稳性。目前国内使用的步进电机的驱动电路主要有单电压恒流功放电路、高低压（双电压）功率放大电路、调频调压功放电路。其中斩波型功放电路克服了电压恒流功放电路、高低压（双电压）功率放大电路谷点现象，得到广泛应用。

四、步进伺服系统的应用及其发展前景

因为步进伺服系统具有快速起停、精确步进以及能直接接受数字量等特点，其在各种应用场合得到广泛应用。例如军事上，雷达天线的自动瞄准跟踪控制，冶金行业，运输行业绘图机、打印机及光学仪器等，在工业工程控制的位置控制系统中PLC应用，在机械制造行业中，应用最多最广泛，如各种高性能机床运动部件的速度控制、运动轨迹控制等。未来随着工业以太、现场总线技、先进控制技术的PCS的发展将向着通信自动化、智能化、电子化快速发展。

五、结语

电气控制中伺服系统在现在社会技术发展中的重要作用促使其快速发展和应用，其中以步进电机为控制元件的步进伺服系统更在各种位置和速度控制中体现了其重要性，通过本文的介绍，可以比较清楚地了解和认识到步进伺服系统的组成及其特征还有其控制原理等方面的知识，可以为这方面的研究提供一定的参考和指导作用。

参考文献：

[1]敖荣庆，袁坤．伺服系统[M]．航天工业出版社，2006.

三轴步进电机控制系统 篇4

1 眼底照相系统

眼底照相系统主要由以下3个部分构成:

(1) 三个二相步进电机及相应控制器构成三轴电机系统;

(2) 电机驱动器负责接收控制命令参数及发送脉冲给相应电机;

(3) 上位机由遥控面板或软件实现。

其系统工作流程:由眼底照相系统软件进行瞳孔自动定位和聚焦,调用“爬山算法”确定焦距及瞳孔位置, 再发送相应的控制指令给下位机,控制电机移动从而调整相机至置最佳位置,周而复始直至最佳位置。眼底照相系统流程图见图1。

2 系统硬件设计

2.1 三轴二相步进电机及驱动器

此系统采用的电机与驱动器均为金坛市三鑫电机有限公司产品:

二相步进电机型号:42BYGH107 步进电机是一种用电脉冲信号进行驱动控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件。

二相混合式步进电机驱动器型号:SH-2024B 该型号驱动器具有工作电压范围宽、效率高,相电流、细分数可调,自动半流的特点,相电流设定从0.5～2 A,细分数 设定有2,5,10,20,40共5档,可满足微步距驱动的要求。

2.2 控制板

控制板基于STC89C58RD+专用电机控制板,为本实验室开发,具有如下功能:

(1) 五轴步进电机控制(15路数字信号输出);

(2) 16路开关量输入,路开关量输出,4路功率驱动输出;

(3) 128×64图形液晶显示、30个可编辑功能键、15个LED灯指示;

(4) 全光电隔离、双电源供电、高运行可靠性;

(5) 高速CPU,ISP串口编程,可直接通过通信口修改软件,无需拆下电路;

(6) 一路RS 232通信接口,可与PC机远程通信,实现远程监控功能。

(7) 可能过RS 232通信接口外接副机遥控板,减少控制板接线,提高可靠性。

控制器电路见图2。

3 系统软件设计

系统采用RTX51TINY操作系统,共创建如下进程:初始化进程INIT,串口通信进程COM,电机转动进程IOCIRCLE及串口中断函数serial ()。

各进程功能介绍下:

进程INIT():串口初始化函数serial(),各参数初始化,创建COM,IOCIRCLE进程,删除自身。

串口初始化serial():判断串口得到的控制字是否有误(采用偶校验),有错直接返回,正确则唤醒进程COM()。

进程COM():判断控制字类型,更改

相应寄存器的值,并调用IOCIRCLE()进程。

进程IOCIRCLE():依据各寄存器值,控制电机的运动状态。

流程图见图3,指令结构见图4。

4 结 语

将传统的手控眼底照相系统改进为自动控制,实现了上位机系统的简化,上位机只需要发送相应的控制命令即可实现对三轴步进电机的控制,此三轴步进电机系统很容易改进成多电机系统。

本系统的上位机实现遥控板控制与软件控制,软件控制若采用Java实现则可搭建B/S架构,实现远程控制。

摘要：该三轴电机控制系统应用于眼底照相系统,实现相机的准确移动与定位。系统采用STC89C58RD+芯片,并以RTX51TINY为操作系统,结合上位机控制三轴电机的上下、左右、前后与加减速运动。上位机只需通过发送简单的指令即可控制三轴电机的运动从而实现相机的三维运动,自动完成眼底照相过程。

关键词：三轴,两相步进电机,RTX51,TINY,串口

参考文献

[1]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[2]李朝青.PC机与单片机&DSP数据通信技术选编[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

步进电机 控制原理 篇5

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，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，而电机的转速由脉冲信号频率决定。

步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：

(1)控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配，

例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。

(2)控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

(3)控制步进电机的速度

步进系统 篇6

关键词：太阳能；自动跟踪；步进电机细分驱动；跟踪精度

能源短缺问题是目前许多国家面临的重要问题，太阳能作为一种清洁无污染的能源，有着巨大的开发前景。我国是一个太阳能资源较为丰富的国家，充分利用太阳能资源，有着深远的能源战略意义。利用太阳能的关键是提高太阳能电池板采集太阳能的效率，太阳能电池板接受太阳光的直射，由此得到太阳最大光照强度，从而最大限度的采集太阳能，目前太阳能电池板普遍采用半自动单轴跟踪方式[1][2][3]和电池板固定朝南安装的方式[4]。这些方法存在的缺点是：转换效率较低、跟踪适应能力弱、跟踪精度低。本文根据太阳运行规律，结合光电传感器设计太阳能自动跟跟系统。设计硬件和软件控制流程，深入地分析比较步进电机一般驱动和细分驱动对太阳能自动跟踪精度的影响。该系统跟踪能双轴跟踪，精度高，适应性强，有望在光伏发电中使用。

1 太阳能自动跟踪系统的设计

1.1 太阳运行规律

为了提高太阳能电池板对光能的采集效率，需要尽可能的保持太阳光垂直照射到太阳能电池板上。从高度角方位角两个物理量是可以描述太阳的这种位置变化的[5]，太阳能电池板对高度角和方位角的跟踪就能保证阳光垂直照射电池板，但是在一般情况下还需要光电传感器反馈来对跟踪的误差进行修正，以提高自动跟踪的精度。

太阳高度角α

sinα=sin?准sin?啄+cos?准cos?啄cos?棕(1)

太阳方位角γ

sinγ=(2)

式中：φ是当地纬度，δ是太阳赤纬角，ω是太阳时角太阳赤纬：

?啄=23.45sin()(3)

式中：n是积日，一月一日为1，一月二日为2，……太阳时角

ω=15(12-t)(4)

式中：t是一天当中的时刻。

由式(1)-(4)可计算出太阳高度角和方位角，以此进行两个角度的双轴跟踪，来实现太阳能自动跟踪。

1.2 系统总体设计

太阳能自动跟踪系统的总体结构框图如图1所示。整个系统分为六个部分：时钟模块，初始位置校验，单片机模块，驱动模块，光电检测模块和太阳能电池板。单片机是整个跟踪系统的核心，负责运算和控制。时钟模块主要把全年每天的时间提供给单片机。驱动模块包括光电隔离、步进电机驱动和步进电机，为了消除干扰，单片机和步进电机驱动之间需要加隔离；由于是在高度角和方位角两个方向上进行双轴跟踪，因此需要两个相同的驱动模块。传感器模块包括四象限探测器、信号处理电路和A/D转换电路。太阳光线垂直照射四象限探测器时，它四个象限的输出电流等；

当发生偏移时，四个象限的电流不等，通过四象限探测器的这种特点检测太阳光是否直射太阳能电池板。信号处理电路负责信号采集放大，把电流信号转化为相应的电压量并放大后，通过A/D后送入单片机运算分析并发出控制信号给步进电机。

1.3 硬件设计

系统的控制核心采用的单片机是AT89S51；时钟芯片是DS1302；日出初始位置校验需要使用微动开关，系统使用三洲集团乐拉电器厂的 LXW5-11G2。

光电检测部分：(1)四象限探测器具有低暗电流，高可靠性、高均匀性、高对称性，盲区小的优点，系统采用的四象限探测器为Pacific Silicon Sensor的QP20-6TO8S。四象限探测器示意图如图2所示，器件是反向偏置的半导体二极管阵列，其工作原理是：当太阳光垂直照射器件各个象限时，各个象限输出的光电流ia、ib、ic、id相等；而当目标发生偏移时，各个象限的输出光电流不等，光电流经信号变换及放大后变为相应的电压量，太阳运动的两个偏移量由式(5)[6]算出，由此可测出太阳的方位，从而起到跟踪的作用。四象限探测器能在东西方向(方位角方向)和南北方向(高度角方向)上进行双轴跟踪。并且通过四个象限的电流和还可以进行阴晴天的判断，晴天时，太阳光线强，所产生的电流大，阴天时产生的电流小，因此确定一个阈值就能判断天气，经实验后得这个阈值为1.12V。(2)测量四象限探测器其中一个象限所用的光电探测电路如图3所示，每个象限都使用完全相同的光电探测电路。电阻把光电二极管输出的光电流转换为电压信号，运放将这个压信号作适当的放大，四象限光电探测器所产生的阻抗电流，其值一般为mA级[7]，经试验后知需要放大的倍数为2倍。(3)转换器采用的是ADC0809，它是8位逐次逼近式A/D转换器，其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。

Δx=(5)

Δy=(6)

驱动模块在2.2中会详细介绍。

1.4 软件设计

软件流程图如4所示。系统初次使用时进入时钟芯片的初始化，中断的初始化设置。刚日出时，进行初始位置校验，即单片机发出信号控制电池板由头一天运动的反方向旋转，直至碰到限位开关后停止，此时的位置作为初始位置，初始位置太阳能电池板的高度角方位角是确定的。此后由时钟提供的日出日落时间，和单片机储存的事先计算好的日出日落时间比较，若在日出后日落前，传感器电路由此时的光照强度判断是否为晴天，若为晴天，进行时钟跟踪，即把单片机里事先存储的太阳高度角方位角数据与上一次(每天日出时的为初始位置)的高度角方位角比较得出角度差值，转化成脉冲数后单片机控制步进电机转过相应的角度，这以后使用传感器电路检测阳光是否垂直照射电池板，若没有，则把信号发送给单片机进行处理，再使电机带动电池板旋转；若为阴天，则只进行时钟跟踪。一次跟踪完成后，等待1.5分钟，进行下一次的跟踪，如此反复进行。

2 步进电机的驱动

步进电机的驱动方法可分为细分驱动和非细分驱动。细分驱动就是把步进电机的步距角细化，使步距角分辨率提高；在非细分驱动中，步进电机的步距角只有整步和半步两种。

2.1 步进电机细分驱动的原理

在步进电机非细分驱动电路中，各相绕组的电流只有零和某一额定值两种状态，相应的各绕组产生的磁场也是只有零和某一额定值两种状态。控制定子绕组中的电流变化，使合成磁势以微步距转动，可实现对步进电机原有步距角细分，使转子以较小的步距增量旋转，提高步进分辨率。细分控制的基本思想是在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定电流的一部分[8]，这样步进电机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，从而使转子每步运行角度也只是步距角的一部分。

式6为两相混合式步进电机细分的数学模型

ia=insin(s)ib=incos(s)(6)

式中：ia是A相电流，ib是B相电流，in是额定电流，n是细分数，s是步数

为了实现恒力矩驱动，并保持力矩输出为最大值，相电流的变化取三角函数关系。

两相混合式步进电机4细分电流状态图如图5所示。可以看出，初始时A相电流ia=0，B相通额定电流in；第一步时，A相电流ia=insin(22.5°)=0.38in，B相电流ib=incos(22.5°)=0.92in；第二步时，ia=0.71in，ib=0.71in，……

2.2 步进电机细分驱动的实现

文中设计的太阳能自动跟踪系统的步进电机细分驱动采用THB6064H来实现，采用两相混合式步进电机，其整步步距角是1.8°/步，半步是0.9°/步。THB6064H是一个PWM斩波式正弦波微步步进电机驱动器。它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、CMOS功率放大等电路。其主要参数和性能指标如下：

(1)单芯片两相正弦细分步进电机驱动。

(2)采用高耐压BiCD工艺。

(3)可实现正反转控制。

(4)可选择细分控制(1/2，1/8，1/10，1/16，1/20，1/32，1/40，1/64 )。

(5)高输出耐压。

(6)高输出电流。

(7)有输出监视管脚。

(8)芯片内部有过热保护和过流检测电路。

单片机与步进电机细分驱动连接电路如图6。单片机P0.2端发出高电平信号经过光电隔离芯片TLP521，使能端EN变为高电平，芯片开始工作；CW/CWW端为步进电机正反转控制端，用高低电平控制；CLK端为脉冲输入端。拨码开关确定细分数后，步进电机细分后的步距角也随之确定，需要步进电机转多大角度，只需转换为脉冲数后通过P0.1向CLK端发送脉冲即可，为了避免步进电机过冲，而且在太阳能自动跟踪系统中使用，也不必过快旋转，所以脉冲频率不能太高。用THB6064H芯片设计的步进电机细分驱动电路的外围电路简单，可靠性高，并且与单片机的连线只有三根。

3 步进电机驱动方法对太阳能自动跟踪精度影响的研究

在太阳能自动跟踪系统中，每一个模块对跟踪精度都有影响，本文重点研究步进电机驱动方法对跟踪精度的影响，必须使其他因素理想化，排除它们对跟踪系统精度的影响，采用仿真进行研究。

以南宁市夏至日高度角跟踪为例，日出时间为当地真太阳时5时14分，日落时间为当地真太阳时18时46分。

3.1 自动跟踪未采用细分驱动

对南宁市夏至日高度角数据进行研究后发现，间隔时间为4.5分钟时，太阳高度角的变化大约为0.9°，所以在不采用细分驱动时太阳能电池板在高度角上的调整至少需要间隔4.5分钟。

间隔4.5分钟，无细分高度角跟踪图如图7所示。图中的阶梯波形曲线为高度角跟踪曲线，另一条曲线为实际的南宁市夏至日高度角曲线。不对光电传感器部分进行仿真。

在阶梯波中，电池板转动小角度所需要的时间相对于数分钟的等待时间来说是非常短暂的，所以忽略电池板转动所需要的时间。系统的跟踪过程为：每隔4.5分钟计算出高度角差值，除以半步步距角0.9°，得到所需脉冲数，由于脉冲只能是整数，所以对所得数据进行四舍五入处理，将得到的脉冲数发送使步进电机带动电池板转动。

跟踪的最大误差是 9.14°，平均误差是3.96°。通过实验发现，步进电机在没有采用细分驱动时震动和噪声比较大，每一个脉冲的旋转角度误差是比较大的，由于仿真中是假定此时一个脉冲使步进电机旋转0.9°，所以实际的要比理想化的跟踪误差要偏大。

不考虑反馈，出现累积误差，配上传感器电路作为反馈修正，可消除部分累积误差，但是步进电机的最小旋转角度是0.9°，对于诸如1.3°，2.4°这样的离0.9°的整数倍较远的角度偏差改良效果不佳，所以用光电传感器电路进行反馈时对跟踪精度的改良效果也十分有限。

此时电池板的等待间隔时间至少是4.5分钟，在这段时间内电池板的角度是不变的，但是太阳高度角是一直在变化的，所以等待时间越长，则电池板采集太阳能的效率就会越低。

3.2 自动跟踪采用细分驱动

间隔1.5分钟，采用32细分高度角跟踪图如图8所示，其跟踪过程与图7类似。采用32细分驱动，0.0563°/步，间隔时间缩短，跟踪的最大误差是1.25°，平均误差是0.9°。由图8可知，跟踪误差比不采用细分驱动时明显减小，精度提高，细分驱动后步进电机运行稳定，每个步进精度接近于0.0563°，采用传感器电路进行反馈补偿后可进一步提高跟踪精度，此时的补偿效果优于一般驱动。

间隔1.5分钟，64细分高度角跟踪图如图9所示，其跟踪过程与图7类似。跟踪的最大误差是0.4°，平均误差是0.16°。64细分驱动后精度比32细分进一步提高，并且64细分驱动时还可进一步缩短间隔时间。对于一般的实际应用来说，64细分，间隔1.5分钟，再配以光电传感电路进行角度反馈补偿是完全能满足太阳能自动跟系统的精度要求。

基于缩短等待间隔时间，传感器对小角度补偿时误差减小和步进电机运行稳定三方面来考虑，太阳能自动跟踪系统中步进电机驱动应采用细分驱动，这样可以大幅提高跟踪精度，充分利用太阳能资源。

4 结束语

文中设计以单片机为核心的太阳能自动跟踪系统，系统为双轴跟踪，能自动检测昼夜和判断天气状况。自动跟系统采用预先计算好的太阳位置进行自动跟踪，晴天时光电传感器对可能出现的误差进行修正，减小跟踪误差。深入地分析比较系统中步进电机驱动采用一般驱动与细分驱动对跟踪精度的影响，得出结论，与采用一般驱动方法的系统相比，采用步进电机细分驱动的太阳能自动跟踪系统跟踪精度高，有效地提高太阳能利用率。

参考文献

[1] 陈维，李戬洪.太阳能利用中的跟着控制方式的研究[J].新能源及工艺2003，3:18-21

[2] 李申生，太阳能[M].北京:北京人民教育出版社，1998

[3] 言惠，太阳能—21世纪的能源[J].上海大中型电机，2004，4:1-9

[4] 田玮，王一平，韩立君.聚光光伏系统的技术进展[J]，太阳能学报，2005，26:597-604.

[5] 伍春生，刘四洋，彭燕昌等.基于PIC16F877A自动太阳跟踪器的设计[J].现代电子技术2007，20:147-153

[6] 马玲，沈小丰，叶巍.一种新型光电定向系统的实现[J].电子工程师，2006，5:3-4

[7] 许守平，李斌，马胜红.槽式太阳能热发电跟踪控制系统的研究[J].计算机测量与，2008，16:1635-1637

[8] 惠晶，肖荣.一种实用的步进电机细分驱动控制[J]微电机.2009.42:87-89.

作者简介

高磊(1985-)，男，硕士，从事自动化研究。

谢玲玲(1980-)，女，博士，从事DC-DC开关变换器的建模与控制研究。

步进电机控制系统的设计 篇7

关键词：运动控制卡,步进电机,VC++,开环控制,设计

0引言

常用的运动控制系统有单片机、PLC、专用控制系统和“PC+运动控制卡”等,随着信息处理速度要求和运动控制精度的提高,“PC+运动控制卡”的控制方式成为运动控制的发展趋势,相对于其他运动控制形式, 其具有运行轨迹复杂准确、柔性强等优点。目前,大多数的主流运动控制系统都采用了这种方案[1]。

本文主要介绍采用“IPC+运动控制卡”的方式来对机械臂末端手爪步进电机进行控制。IPC(工业控制计算机)是专门针对工业生产而设计的PC机,当机械臂运行到指定位置和姿态时,IPC控制步进电机控制卡发送脉冲和方向信号,步进电机开始工作,在不损坏目标的前提下,对目标进行抓取或释放等动作。

1步进电机控制系统的硬件构成

控制系统的上位机采用研华610H工控机,其具有环境适应能力强、信息处理速度快等优点,负责整个控制系统的协调运动。下位机采用研华公司的PCI1243U四轴步进电机控制卡,PCI-1243U运动控制卡函数库由系统初始化函数、运动控制函数、数字量输入输出函数及时间控制函数等4部分组成[2],通过自带的DLL驱动程序,可以极为方便地用VC++等软件来进行开发。

步进电机采用和利时公司的森创两相混合式步进电机42BYG250BK-SASSML-0151。步进电机每接收一个脉冲信号便旋转一定角度,该角度称为步距角,通过控制脉冲的个数来实现对步进电机的精确控制。步进电机驱动器采用森创两相步进电机细分驱动器SD20403,其采用32位DSP数字控制方式,具有低振动、 低噪声和低功耗等优点。控制系统硬件电路连接图如图1所示。

2步进电机控制系统的软件开发

为了使整个控制系统上位机软件协调一致,皆采用VC++6.0来进行开发[3]。研华公司提供了动态链接库和各种VC++开发的范例,可进行学习借鉴,大大降低了开发难度。

首先是对步进电机控制卡进行设置,利用研华公司提供的Subroutine.cpp文件,将其添加到新建的工程中,然后根据实际要求来修改里面的内容。以Set machine parameter为例,其默认的设置为:

我们根据脉冲+方向的驱动器控制模式,需要将其脉冲模式设置为ADM_PULSE_DIR,修改如下:

其余参数皆采用默认值即可。运动控制卡的其他设置方法与之类似,具体定义可参考PCI-1243U软件手册。

当机械臂各关 节电机运 行到指定 位置时,PCI1243U打开,读取参数设置,步进电机开始运行,手爪闭合完成抓取动作。位置判断和步进电机运动控制代码如下:

其中,m_f_num1~6是1~6号电机的目标位置,由运动学的逆解求得;dAP1~6是1~6号电机的实际位置,由电机编码器读取。因为存在一定的误差,目标位置和实际位置两者不可能完全相等,所以当两者之差小于50cts时,我们就认为已经到达了指定的位置,此时步进电机开始反转,旋转的脉冲数具体根据目标的大小来人工确定。目标的释放则是根据1~6号电机的实际位置接近于0时,认为其已经回零到达初始位置,步进电机正转相应的脉冲数,目标便能释放。至此,整个抓取释放工作完成。

为了监控步进电机的运行状态,需要对其位置和速度进行读取和显示,其代码如下:

为了在运动过程中遇到紧急情况时能够保证人员和财产的安全,因此我们需要添加步进电机急停按钮, 其代码如下:

3结语

步进系统 篇8

关键词：模糊控制,仿真,步进电机,驱动控制

0 引言

步进电机能将输入的数字脉冲转换为角位移输出,易于用计算机进行控制。步进电机是伺服系统中应用最为广泛的执行元件。在自动控制、移动机器人等工程领域,有至少三分之二的伺服控制系统是步进驱动系统[1]。然而,基于开环控制的步进驱动系统存在振荡和失步,在很多需要精确控制的工程领域会导致许多问题。因此,研究开发步进电机的高精度驱动控制系统具有重大的现实意义。对于步进电机这种内部参数非线性且强耦合的系统,普通PID控制的效果不够理想。而模糊控制本质上就是一种非线性控制,非常适合步进电机系统的控制驱动。

1 课题来源

多金属结核是一种蕴藏在6000米深海底的极赋经济价值的矿产资源。近十几年来,中国已投入大量人力物力对多金属结核采矿系统和开采技术进行了深入的研究。鉴于深海作业环境的特殊性和复杂性,深海多金属结核的开采面临着诸多困难和风险。因而,我国对多金属结核采矿系统进行了虚拟样机的建模和计算仿真。同时,必须采用实验手段验证建模仿真结果的合理性和正确性。研制深海采矿系统的测控实验系统正是为了这一目的而展开的[2]。而测控系统中最重要的部分之一就是步进电机的驱动控制系统。高性能的控制策略能使实验系统具有高精度和更好的稳定性,它对于实验数据的正确性和准确性至关重要。

测控实验系统的结构框图如图1所示。

2 步进驱动系统的控制策略与仿真研究

2.1 步进电机升降速曲线选择

常见的升降速曲线主要有阶梯升降速、加速度恒定升降速和定常数递减升降速三种。阶梯升降速方法的缺点是步进电机在速度阶跃时容易失步。加速度恒定升降速方法未充分考虑步进电机输出力矩随速度变化的特性,在高速时也会失步。定常数递减的升降速方法的缺点是低频时升速太慢,高频时升速太快。以上三种升降速曲线都不够理想,因此应该在研究步进电机的运动特性的基础上设计其升降速运行曲线。

由步进电机动态特性可知其惯性扭矩为:

上式中:J是系统总转动惯量;ω是电机角速度;β是机械阻尼和电磁阻尼系数;ε是角加速度;TL是摩擦阻力矩和负载力矩;Te是步进电机电磁转矩。

由式(1)可知,步进电机的转矩在驱动脉冲频率较低时比较大,随着频率的上升近似于线性下降。在升速阶段,为了提高系统的快速性,应使角加速度ε尽可能大。在保证步进电机不失步的前提下,转子角加速度ω正比于频率f对时间的微分。步进电机的升速曲线如图2所示。降速曲线为升速曲线的对称曲线。这种升降速曲线能充分利用步进电机的有效转矩。快速响应性好,并且可以防止失步和过冲,容易在微处理器控制的驱动器上实现。

2.2 步进电机的数学模型

由两相混合式步进电机的电气与电磁回路结构,可得出其线性等值回路如图3。两相混合式步进电机的仿真模型可以归结为两相绕组回路的电压方程和转子的运动方程。转子的运动方程参见式(1),回路的电压方程如式(2)所示:

上式中,eA、eB为A、B绕组中的运动电势,UA、UB为端电压;RA 、RB为A、B绕组的线圈电阻;iA、iA为绕组电流;LA、LA为绕组自感;MAB为绕组互感,一般来说,两相步进电机相间互感较小,可忽略不计。

根据式2和步进电机的动态特性,电机单相通电时,角位移的传递函数为:

式中,KC、KE、Km分别为常数、电动势系数、转矩系数。

根据实验系统要求选定了步进电机型号,各个常数相应确定。本实验系统选用的是Kinco公司的2 S 8 6 Q - 8 5 B 8型步进电机,其参数为:保持扭矩8.5N.m,转子惯量3.4Kg.cm2,额定电流6A/Phase,步进角1.8o。将各个参数代入式(3)得到对应的角位移传递函数。

2.3 步进驱动控制系统的模糊控制研究与仿真分析

在深海采矿测控实验系统中,步进电机通过传动机构驱动模拟集矿机等部件运动,如果步进电机超调或者旋转速度大幅度波动,势必影响力学实验数据的精确度和可靠性。由于步进电机具有内部各状态变量高度非线性并相互耦合的特性,难以用简单的数学模型来进行描述,如果采用经典的控制理论难以满足系统的控制要求。模糊控制则不依赖于控制对象具体的数学模型,而是通过利用模糊集合理论将专家知识或者熟练操作人员的经验形成语言规则直接转化为控制策略,高效率地做出正确的处理和判断。因此,对于步进电机驱动控制系统,模糊控制是一种非常合适的选择[3]。

2.3.1 模糊控制单元结构

深海采矿测控实验系统中的步进驱动控制系统速度控制单元结构框图如下所示:

模糊控制系统选用二维控制器,输入为速度偏差e和偏差变化率Δe。PID控制的初始值采用Ziegler-Nichols方法确定。模糊控制单元的输入是预定的目标速度r,旋转编码器测得的步进电机实际转速作为反馈输入,然后计算转速偏差e和偏差变化率ec,经过量化和模糊化后作为模糊控制器的输入信号,利用模糊规则判决后输出模糊控制量,模糊控制量再经过解模糊后输出步进电机转速的精确增量,与上一个控制周期的转速相加后输出[4]。

模糊控制器采用两输入单输出结构,两路输出控制采用相同的控制规则表和参数。经过模糊算法后,实际输出速度为v’(k)=v’(k-1)+u(k)。为了有效防止步进电机因为控制量的突变而失步,系统输出v’需要积分平滑才得到速度v。

2.3.2 模糊控制规则的选择

步进电机的模糊控制系统有三个模糊变量:偏差e、偏差变化率ec和输出u。一般而言,控制语言的变化值越多,描述就越精确,控制精度也越高,控制效果越好,但过细的划分将会使控制规则复杂,计算量增加,实现难度加大。在模糊控制器中,和U的模糊子集取相同的语言值,即{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},对应的论域[-3,-2,-1,0,1,2,3]。

在模糊控制器中,隶属函数用于将实际的输入量转变为模糊量。形状越陡的隶属函数其分辨率越高,控制灵敏度也越高。而形状越缓的隶属函数其控制特性越平稳,系统稳定性越好。在实际系统中,速度的反馈量都会含有噪音。因此,隶属函数的选择还应考虑反馈量噪音的问题。三角形函数形状比较简单又易于计算,而且同其它复杂的隶属函数得出的结果相差很小,具有很好的性能。在本模糊控制器中,和U的隶属函数均选用三角形函数,如图5所示。

为了使模糊控制器得到较好的控制效果,当速度的偏差较大时,模糊规则应使控制器的输出尽可能减小偏差;当速度的偏差较小时,模糊规则尽可能维持系统的稳定性,尽量避免超调[5]。

常用的解模糊方法有最大隶属度法、中位数法和加权平均法等等。使用中位数法的模糊控制器类似于多值继电器,使用加权平均法的模糊控制器类似于PI控制器。这两种方法都优于最大隶属度法。图6为三种模糊推理和解模糊方法得到的控制结果示意图。

从上图可以看出,图(a)的最大隶属度法具有多值继电器的特性,不利于系统稳定;图(b)和图(c)比较接近。模糊推理方法对模糊控制器性能的影响比解模糊方法小。本模糊控制器采用MinMax推理和加权平均法解模糊。

2.3.3仿真结果

图7为模糊控制器的控制效果曲面图。图8和图9为给定速度200转/分,稳态误差选5%时,分别采用经典PID控制器和模糊PID控制器得到的速度仿真曲线。由图可知,模糊控制的上升时间略有增加,但超调量比经典PID控制小得多,稳定性更好,系统的总体性能大大提高。

3 结论

动中通步进跟踪系统的设计与仿真 篇9

自20世纪60年代以来, 卫星通信已成为当代最有竞争力的通信手段。卫星通信具有可保密通信、通信覆盖区域大、通信距离远、通信成本不随距离增加等特点, 使其在各个行业都得到了广泛应用。鉴于车辆、舰船和飞机等运动载体在运动中的卫星通信系统中具有重要意义, 人们称之为“动中通”[1]。基本原理是安装卫星天线的移动载体, 如飞机、轮船和汽车等能够与卫星建立通信链路并在载体移动中保持通信链路的畅通。因其灵活、机动、通信距离不受限制、保密性强, 且能军、民两用, 是一种发展潜力大、经济效益显著的卫星通信系统, 这可由其在移动指挥如C2 ( Command and Control) 系统、电视现场直播、海洋勘测及应急通信等中的应用略见一斑[2,3,4,5,6,7]。

安装在移动载体上的天线系统不应影响载体的性能, 因而天线跟踪系统应以一种简洁有效的方式来实现。传统的跟踪技术, 如手动/程序跟踪、步进跟踪、圆锥扫描跟踪、单脉冲跟踪和电子波束倾斜跟踪等是针对固定地球站而开发出来的跟踪算法。后4种跟踪算法在捕获到卫星信号后, 能自动跟踪卫星, 因而被统称为自动跟踪技术。同圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪相比, 步进跟踪系统的实现不需要引入额外的器件, 从而降低系统的复杂性和成本。自N. N. Tom和G. P. Heckert在1970年提出步进跟踪算法之后[8], 由于其具有设计简单、成本低而且跟踪系统的实现和更改不需改变系统原有的硬件结构, 因而它不仅在固定地球站系统中应用广泛而且也在动中通中得到了广泛的应用[9,10]。

本文在分析研究动中通跟踪问题的基础上, 对步进跟踪的算法进行了设计和仿真验证, 对步进跟踪算法中步长的选择提供了依据。

1问题描述

为了接收到卫星信号, 必须将移动地面站的天线波束对准卫星。天线波束的指向由移动站至卫星方向的方位角和俯仰角所确定。而这2个角度由移动地面站所处的地理位置 ( 经度和纬度) 和同步轨道卫星所处赤道上空的经度决定。设移动站所在经度与卫星所在经度的差值为φ, 地面站所在纬度为θ, 则移动站至卫星方向的目标方位角和俯仰角为:

式中, r为地球半径6 378 km; R为卫星距地心的高度42 218 km。方位角以正北为零度, 顺时针方向为正, 俯仰角以水平为零度, 水平面上方为正。

根据式 ( 1) 计算出移动站至卫星方向的目标方位角和俯仰角后, 通过移动站的天线控制器使天线波束视轴对准卫星, 进行通信。由于卫星摄动、载体运动、陀螺漂移及周围环境等干扰的存在而导致指向误差的产生, 因此, 为了实现移动地面站与卫星的持续通信, 天线必须始终以一定的精度在方位面和俯仰面跟踪目标卫星以消除指向误差对通信质量带来的影响。天线指向误差的示意图如图1所示。

2算法的原理及实现步骤

步进跟踪又称极值跟踪, 它是一步一步地控制天线在方位面内和俯仰面内以一个微小的角度作阶跃状转动, 使天线逐步对准卫星, 直到接收到的信号幅度达到最大值后, 系统才进入休息状态。经过一段时间后, 再开始进入到跟踪状态, 如此周而复始地进行工作。步进跟踪的原理框图如图2所示。

在这种方式中, 天线的进动分为搜索步和调整步2种, 搜索步动作后, 整个跟踪系统就开始工作, 包括对信号数据取样、场强记忆和比较等, 待经过若干次搜索, 并确定天线应该转动的方向后, 天线就回到原来位置, 然后向卫星方向转动一步, 这最后的一步就称为调整步。所以调整步与搜索步的主要区别在于调整步动作后天线不会回到原处, 而搜索步则不一样, 不管搜索步动作多少次, 只要完成规定的次数后, 天线就回到原处, 接着天线就转动一个调整步。在实际系统中它们可以是分开的, 也可以是同一步。同一步的逻辑关系简单, 但由于干扰的影响会引起误动作。如果搜索步与调整步分开, 如搜索开始时, 天线先向前行进4步取场强值为A, 然后向后退8步取场强值为B。如果A > B, 则调整步走5步, 相当于天线在原出发点向前调整1步; 如果A < B, 则调整步走3步, 相当于天线在原出发点后退一个调整步。相距8步的2个信号的差值比较大, 一般不会引起误动作[11]。

双向搜索式的步进跟踪以其简单而在动中通跟踪系统的设计中得到了广泛的应用, 步进跟踪控制策略如图3所示。

双向搜索式步进跟踪的具体工作步骤如下:

①根据指向信息控制天线波束大致指向卫星方向, 如图3的O点;

②以O点为基点控制天线波束在方位或俯仰面内以固定步长分别向正反方向转动, 如图3的A点和B点;

③抽样并比较A点和B点接收信号的强度;

④推导出天线波束的转动方向并以O点为基点使天线波束在方位或俯仰面内以固定步长转动到B’点;

⑤等待并设置B’点为下一次调整的基点, 即O←B’;

⑥在方位和俯仰面内交替重复步骤② ~ 步骤⑤。

从步进跟踪的工作步骤可以看出, 跟踪就是通过调整天线波束的方位角和俯仰角以实现接收信号强度的最大化。

3计算机仿真实验

下面通过仿真实验, 对双向搜索式步进跟踪在动中通的应用进行分析。

在仿真条件的设置中, 以2008年6月9号发射的位于东经92. 2°的直播卫星———中星9号为目标卫星; 载体在北京市周围运动, 北京位于东经116. 45°, 北纬39. 92°, 载体的地理位置信息可通过GPS的输出数据解算获得。通过式 ( 1) 可得移动载体位于北京时天线波束的目标方位角和俯仰角分别为35. 08°和37. 48°。系统的信 噪比 ( SNR) 为20 dB, SNR = 20·log V s (/ V) n , 式中V s 为带噪声时接收信号的幅度值; V n 为系统噪声的幅度值。

由于运动载体距离目标卫星比较远, 因此当载体在小范围运动时, 天线波束的目标方位角和俯仰角的值基本不变。如当载体在北京周围运动时, 天线波束的目标方位角和俯仰角的值基本为常值, 分别为35. 08°和37. 48°。

模拟仿真时, 天线波束的初始指向为半波束范围内的随机指向。天线在不同步长时波束的方位角和仰角如图4和图5所示。

为了看清天线的动态调整过程, 天线波束在步长为ρ 3 dB /12时跟踪曲线的轮廓图如图6所示。仿真图中步长中的参数ρ 3 dB 为天线的半波束宽度。

从仿真结果可以看出, 双向搜索式步进跟踪可以实现天线波束对目标卫星的自动搜索和跟踪, 从而实现接收信号的最大化。算法在不同步长时步进跟踪性能如表1所示。从表1中可以看出, 步长的选择对于算法的性能起着关键的作用。算法的步进次数随着步长的增大而减少, 步长较小时算法虽有较高的跟踪精度, 但此时算法易受外界干扰如车体的快速运动而丢失信号。因此, 算法中的步长不能取得太小。

4结束语

跟踪算法是动中通系统得以实现的关键技术[12]。在分析研究动中通跟踪问题基础上, 对传统的跟踪算法在动中通的应用进行了分析, 给出了双向搜索式步进跟踪的原理并对算法的实现进行了设计。最后对影响步进跟踪算法的关键因素步长的选择进行了计算机仿真, 仿真结果为实际步长的选取提供了有效依据。

参考文献

[1]郝路瑶, 赵建勋, 苏刚.车载“动中通”伺服系统的研究与仿真[J].电光与控制, 2007, 14 (4) :177-179.

[2]郝路瑶, 姚敏立, 许华春.一种改进的“动中通”步进跟踪算法[J].电光与控制, 2010, 17 (12) :64-65.

[3]王海新.动中通步进跟踪系统的改进[J].中国科技信息, 2009 (9) :23-24.

[4]THEODORE E I, WEXLER R S.Commercial Ku-band SATCOM On-the-move Using a Hybrid Tracking Scheme[C]∥Proceedings of IEEE Military Communications Conference MILCOM, 2001:780-784.

[5]WILCOXSON D, SLEIGHT B, BUCHMAN D.Ku-band SATCOM On-the-Move Network[C]∥Proceedings of IEEE MILCOM, 2005:17-20.

[6]SATOH M, LI H B.Helicopter Satellite Communication System Developed for Transmission of Disaster and Emergency Information[C]∥Proceedings of the 21st International Communications Satellite Systems Conferen-ce and Exhibit, AIAA, 2003:2 003-2 319.

[7]CHUJO W.Helicopter Satellite Communication System for Disaster Control Operations[C]∥The 6th Asia-Pacific Seminar on Next Generation Mobile Communications, 2005:39-52.

[8]TOM N N, HECKERT G P.Step Track-a Simple Autotracking Scheme for Satellite Communication Terminals[C]∥The 3rd Communications Satellite Systems Conference, Los Angeles, CA, 1970:1-12.

[9]CHO C H, LEE S H, KWON, et al.Antenna Control System Using Step Tracking Algorithm with H∞Controller[J].International Journal of Control, Automation, and Systems, 2003, 1 (1) :83-92.

[10]PARK Kim J K, JIN T S H.Simplified Fuzzy-pid Controller of Data Link Antenna System for Moving Vehicles[J].PRICAI 2006, LNAI4099, 2006:1 083-1 088.

[11]郝路瑶, 赵建勋, 苏刚.“动中通”稳定与跟踪技术[J].雷达与对抗, 2006 (2) :48-51.

多点步进电机的远程位置控制系统 篇10

精确位置控制是精密仪器制造业、航天业以及军事领域中不可缺少的重要环节[1],这些领域中常常会遇到控制现场不便接近或存在危险性的问题,因此远程位置控制就具有非常重要的研究意义。已经广泛覆盖的因特网为实现远程控制提供了可能,并且具有通信速率高、可靠性高和成本低等诸多优势。本设计中的远程位置控制系统将因特网作为通信介质,同时应用TCP(Transmission Control Protocol)协议保证数据准确传输,能实现控制中心同时对多台步进电机的远程位置控制。

步进电机的开环位置控制虽然易于实现,但随着工业应用的不断深入和相关技术的发展,开环控制尚不能满足精密位置控制系统不断提高的精度要求,因此需要使用更为精确的闭环控制。还考虑到步进电机的扰动扭矩以及机械系统的阻尼、刚度惯量等因素,传统的PID控制方法无法提供最佳的PID参数[2],因此本文将专家经验与数字PID控制方法相结合设计出改进专家PID算法,并应用到位置控制系统中,有效抑制了步进电机定位过程中的过冲现象,大大提高了系统的控制精度,很好的解决了以上问题。

系统的核心控制器CompactRIO是NI公司生产的一款坚固耐用、可重新配置的嵌入式测控系统,包括实时控制器、可重配置的FPGA(现场可编程门阵列)和工业级I/O模块。内嵌FPGA的可重配置机箱是CompactRIO的核心,机箱中的FPGA直接和每个I/O模块相连,控制器可高速访问I/O电路与步进电机的驱动电路,无论在数据运算还是数据通信都十分快速,保证了系统的实时性。

本文将介绍系统的硬件结构,重点研究改进专家PID算法在精确位置控制中的实现方法,并分析了TCP协议在系统远程控制中的应用。

1 系统硬件结构

1.1 系统整体硬件结构

系统硬件的核心是cRIO-9014嵌入式实时控制器,该控制器带有10/100 BaseT以太网端口,可通过PC接入因特网。配合cRIO-9014选用了8槽cRIO-9112可重新配置的嵌入式机箱,支持所有CompactRIO I/O模块,使用Xilinx Virtex-5系列FPGA核心,具有超强的处理能力。选用了8通道、5 V/TTL高速双向数字I/O模块NI-9401为步进电机驱动模块提供控制时序信号,由于NI-9401具有100 ns超高速数字输入/输出功能,基本消除了系统响应延迟。还选用了16位模拟输入模块NI-9215来实时采样步进电机的位置电压信号,NI-9215具有四通道100 KS/s的同步采样速率,可以满足对多点控制的要求。I/O模块的选择充分考虑了远程定位系统控制信号的频率以及采样信号的分辨率和采样率的要求。控制器结构如图1所示。

系统硬件除了核心控制器CompactRIO外还包括上位机、由单片机和电机驱动芯片LM298构成步进电机驱动电路、步进电机位置信号采集电路和多台步进电机。系统整体结构如图2所示。

安装了LabVIEW应用程序的PC作为系统的控制中心,与在控制现场载入了LabVIEW应用程序的CompactRIO控制器进行远程通信。通过接入网络,控制中心将各台步进电机的目标位置信息发送到控制现场的控制器,同时控制器将采集到的各台步进电机的实时位置反馈到控制中心。

CompactRIO将从控制中心接收到包含各台电机控制信息的数据报译码,得到十进制的位置角度值和控制器初始参数值,然后将各电机目标位置角度值与电机的实时位置角度值送入改进专家PID控制器进行比较分析。根据分析结果,数字量I/O模块NI-9401向电机的驱动控制模块中的单片机的I/O口发送控制信号,实现对步进电机的位置控制。

1.2 步进电机驱动控制电路结构

步进电机的驱动控制电路主要包括Atmel公司的ATmega8单片机和SGS公司的双全桥式电机驱动芯片LM298,LM298作为驱动电机的电力输出器件,单片机作为驱动控制器,电路结构如图3所示。LM298内含两个H桥的高电压大电流双向桥式驱动器,接受标准TTL电平信号,可驱动电压46 V、每相2.5 A及以下的步进电机[3]。由于采用双极性驱动,因此电机线圈完全利用,使驱动步进电机的效果最佳。NI-9401的DIO0、DIO1、DIO2、DIO3四路数字数字输出口分别接单片机的PC0~PC3口,向单片机发送时序信号控制指令。单片机的PD4~PD7口分别接到LM298的四路输入,LM298的四路输出则接到步进电机的A、B、C、D的四个控制端。为避免控制信号受到干扰,单片机I/O输出脚与LM298输入脚之间采用光耦TIL117进行信号隔离。

被控电机选择两相混合式42BYGH型步进电机,采用四相八拍制的多级细分通电方式,即对步进电机定子的A、B、C、D四相以A-AB-B-BC-C-CD-D-DA或A-AD-D-DC-C-CB-B-BA的顺序单相与两相间隔通电,步进电机步距角为θb=0.9°。多级细分控制,通过把原有最小步距角再进行细分,可以把步进电机的步距角进一步减小(减小到几个角分)[4]。本设计利用单片机软件编程实现细分控制,可简化硬件电路。原理是将原有的八个通电状态中每组相邻状态的变化过程(单相通电到两相通电或两相通电到单相通电)分为四个阶梯状的阶段。以从A相通电到AB两相通电的过程为例,此过程中,A相保持通电状态,B相则处于通电与断电的交替过程中,但通电时间呈阶梯状上升,从1/4时间通电到1/2时间通电,再到3/4时间通电,最后到达B相完全通电即AB两相同时通电状态。AB两相通电到B相单相通电过程中A相的断电过程同样呈阶梯状,只是趋势相反。步进电机的相绕组中电流也成四层阶梯状变化,因此运行的每一步变为原来的1 4,即θb=0.225°。这样步进电机运行更近似匀速运动,震动变小了,发生失步的概率也降低了。

1.3 位置信号采集电路结构

采用总阻值为10 kΩ的精密多圈旋转电位器(共10圈,每圈1 kΩ)替代绝对值式旋转编码器采集步进电机的位置信号,此设计可简化硬件、降低成本。电位器两固定端接10 V直流稳压电源的+10 V端和COM端,滑动端接NI-9215模拟量输入模块AI+端,稳压电源的COM端接NI-9215模块的AI-端和COM端。

步进电机的起始位置为0°,对应0.000 V电压;终点位置为3 600°,对应10.000 V电压;步距角为0.9°,对应0.025 V电压。每个NI-9215模块可以同时采集四个节点步进电机的实时位置电压信号,为多路闭环位置控制提供了精确的实时位置反馈信号。

2 精确位置控制的算法设计

专家控制的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识,以智能的方式利用这些知识来设计控制器。利用专家经验来设计PID参数便构成专家PID控制[5]。为使不同的被控步进电机在起始位置与设定位置不同情况下都能快速精确到达设定位置,就需要智能的调节控制器参数。将整个位置控制过程分为几个阶段,需要控制器参数能够适应不同阶段而进行自行调节,已达到最佳定位效果。本设计根据大量实验数据与前人经验相结合,设计了适应快速精确位置控制系统的改进专家PID控制器,并通过LabVIEW编程实现。

令e(k)表示设定的步进电机位置角度值p0与步进电机实时位置角度采样值p(k)之差,即当前位置角度差值;令Δe(k)表示当前位置角度差值与前次位置角度差值之差,反应位置角度差值的变化趋势。即有:

根据分析e(k)与Δe(k)将定位过程分成了4个阶段,因此根据这四种情况来设计专家PID的控制器:

(1)当时,说明当前位置与设定位置相差很大,无论位置差变化趋势如何,都应考虑控制器的输出按最大(后最小),以迅速调整位置差,使位置差绝对值以最大速度减小。此时,只采用比例控制,且为提高响应速度比例系数应取大些,而积分系数与微分系数则为0,相当于实施开环控制。控制器输出可为:

(2)当时,说明当前位置接近了设定位置但仍有一定距离,为了继续减小位置差的绝对值,并防止系统超调过大而产生震荡,此时可采取PD控制或积分系数较小的PID控制,且比例系数应该适当减小。输出控制器为:

(3)当时,说明当前位置已经比较接近设定位置,此时为了保证系统稳定性避免系统震荡,应采取PID控制。选取适当的比例系数和积分系数,微分系数则要根据Δe来选择。

若e(k)*Δe(k)>0,说明位置差在向绝对值增大的方向变化,为抑制超调,应加强微分控制,选较大的微分系数。输出控制器为:

若,说明位置差的绝对值朝较小方向变化,或已经达到平衡位置,应减小微分系数。输出控制器为:

(4)当时,当前位置已经很接近设定位置了。为较小稳态误差,此时采用PI控制,选择较大的积分系数并使微分系数为0。输出控制器为:

以上式中λp1,λi1,λd1为增益系数,大于1;而λp2,λi2,λd2为抑制系数,大于0小于1。M1,M2及ε的值是根据位置控制系统实际情况而定的,本设计中它们的取值分别为18°,9°和3.6°。

某次位置控制过程中的改进专家PID控制器的参数变化如表1所示,其中设定的初始参数Kp,Ki,Kd分别为60,0.01,0.01。

此次位置控制过程的起始位置为240.00°、设定位置为100.00°,过程采样图如图4所示。可见,在距设定位置较远时步进电机快速运行;而到接近设定位置时,由于比例调节减弱了,位置曲线变缓,在微分调节和积分调节的共同作用,有效抑制了超调现象的发生,而且稳态误差也非常的小,仅为0.10°,远小于最小步距角。

3 TCP协议在系统中的应用

系统远程通信部分是基于LabVIEW实现的。LabVIEW不仅在程序界面设计时采用了与其他高级语言类似的图形化方式[6],更重要的是,它针对不同的应用和不同的层次,提供了可以通过图形化编程实现的共享变量、DataSocket、TCP和UDP等多种网络通信方式。其中以TCP与UDP两种网络协议最基本、最流行。TCP是最常用的网络协议,它也是很多互联网协议(如HTTP和FTP)的基础[7],在提供良好工作性能的基础上,具有编号系统、流量控制、差错控制、拥塞控制等机制[8]。可靠性(不丢失数据)是TCP最重要的特性,能保证数据能够最终到达设定的接收端,或者发送端能够接收到失败信息。在LabVIEW提供的所有通信标准中,TCP提供了最高的吞吐量和最好的可靠性,在传输大量数据的时候尤其能够体现其高效的特性。而另一种常见的网络协议是UDP和TCP不同,UDP可能会丢失数据。这意味着当发送数据时,不能保证数据能够准确到达目的地。如果网络过于拥挤或者接收方未成功响应,一些数据将会丢失[9]。

为保证远程位置控制系统在数据传输过程中的可靠性与高效性,选择TCP协议实现服务器端的控制中心和客户端的控制器之间的数据通信。本设计中主要应用到的几个VI函数的功能如表2所示。

所有TCP连接都由两对IP地址和TCP端口惟一识别,每个主机都有一个地址/端口对[10]。因此为系统的服务器端和客户端分别分配了独立的IP地址,分别为202.118.73.26与202.118.73.25。将服务器端PC的2055端口专门用于定位系统的数据通信。在控制中心PC和CompactRIO可以交换数据之前,服务器端先对2055端口进行监听,客户端向服务器端的2055端口发送请求,服务器端接收到请求后便建立连接,然后就可以进行通信了。

服务器端和客户端的TCP通信程序都分为发送和接收两部分。服务器端的发送部分采用双层While循环结构,内部循环监视设定位置的变化,当“输入设定位置”栏中的位置值发生变化且单击“发送键”时,内部循环将停止并把含有数据发至外部循环和“写入TCP数据”函数。然后清除“输入设定位置”栏,内部循环将重新监视设定位置的变化。服务器端的接收部分采用单While循环,“读取TCP数据”函数一直接收来自客户端的数据,可实时更新采样位置数据,并在实时位置采样图中显示。客户端的通信程序与服务器端的结构相似,这里不再详细介绍。服务器端和客户端的LabVIEW程序如图5所示。

系统运行时,服务器端的TCP侦听函数进行60 s的监听,等待有客户端发送通信请求,如果超过60 s没有请求,本次监听结束。若收到接听请求,与客户端建立连接,开始进行包含控制信息和电机实时位置信息的数据报双向传输。数据报为字符串格式的格式,包括电机号、位置信息、PID参数设定值和终止字符(“回车键”)。数据报的解析过程中,首先检测“回车键”,以判断一条数据报是否接收完成;其次查询各台电机对应位置角度信息,将字符串格式的位置信息转化为十进制浮点型数据并记录;最后查询对应各台电机的PID控制器的初始参数,将字符串格式的参数转化为十进制浮点型数据并输入到控制器中。系统服务器端监控界面如图6所示。发出的控制信息“一号30Kp60Ki0.01Kd00.01二号60Kp60Ki0.01Kd00.01”,在客户端被解析为一号电机设定位置为30°,二号电机设定位置为60°,两电机控制器初始参数都为60,0.01,0.01。同时,在服务器端的实时位置采样图中可以同步显示出客户端被控电机的位置变化。

4 结语

本设计对两台步进电机实现了无距离限制的远程位置控制,经过多次实验验证定位结果精确而且过程快速,成功解决了传统位置控制系统因过冲现象导致系统不稳定和效率低的问题。此系统的可扩展性很强,只需增加CompactRIO控制器中数字I/O模块与模拟量输入模块就可实现更多点电机的定位控制;而且只要服务器端可兼容多网卡,便可扩展到不同IP的客户端,实现分布式控制。

摘要：步进电机的远程多点位置控制系统,利用TCP协议将服务器端控制中心和客户端控制器接入因特网,可实现控制数据和位置监控数据的远程同步传输。系统采用NI公司的CompactRIO作为核心控制器;通过LabVIEW编写改进专家PID控制算法,可根据设定位置与实时位置的偏差动态设定输出控制器参数,有效防止过冲现象,实现步进电机的精确位置控制。步进电机的驱动控制电路由单片机和LM298构成,结合多级细分控制方法可有效抑制步进电机的震动和失步。

关键词：远程位置控制,CompactRIO,改进专家PID算法,TCP协议

参考文献

[1]张莉松,胡祐德,徐立新.伺服系统原理与设计[M].北京:北京理工大学出版社,2006.

[2]孟英红,齐婉玉.用297,298组成的步进电机驱动电路[J].仪器仪表学报,2003,24(4):253-254.

[3]高文化,苏宏志.模糊自适应PID在数控进给伺服系统的应用[J].制造业自动化,2009,31(7):35-36.

[4]史步海,张选正.特种电动机调速控制技术及应用[M].广州:华南理工大学出版社,2010.

[5]刘金琨.先进PID控制Matlab仿真[M].2版.北京:电子工业出版社,2004.

[6]阮奇桢.我和LabVIEW[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[7]张东,施奇峰,王云波.基于LabVIEW和TCP的数据采集系统的开发及应用[J].冶金自动化,2011,35(2):38-39.

[8]陈笑秋,徐小华.基于DataSocket技术的网络化测控系统[J].仪器仪表用户,2008,15(2):63-65.

[9]陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007.

驱动步进电机的软件设计与实现 篇11

关键词：步进电机；四相八拍；设计；PLC；转速确定复合区最适DO浓度为2.5 mg/L，此时反应器除污效果较好。

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）11-0035-03

1 步进电机的控制背景

步进电机是基于电磁铁的工作原理，将电脉冲信号转换为线位移或角位移信号的一种电机。计算机每发出一个电脉冲信号，步进电机就转动一定角度，并带动机械部件移动一定的距离。步进电机成本较低，而且控制线路简单，调试方便，因此在控制系统应用较为广泛。驱动步进电机可用单片机或PLC实现。利用模拟电机，通过对PLC程序进行设计，实现电机四相八拍工作。

2 驱动步进电机程序设计与实现

2.1 PLC介绍

PLC实质是一种专用工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，中央处理单元（CPU）如图1所示。

2.1.1 主机 主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器、用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，主要用来运行用户程序，监控输入/输出接口状态。系统程序存储器主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序。系统程序由厂家固定，用户不能更改。用户程序及数据存储器主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据、中间结果。

2.1.2 输入/输出（I/O）接口 I/O接口是 PLC 与输入/输出设备联接的部件。输入接口用于接收输入设备（如按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。输出接口用于将经主机处理过的结果通过输出电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰。

2.1.3 电源 PLC电源指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源

2.1.4 编程器 编程器是PLC重要的外部设备，用于手持编程。利用编程器输入、检查、修改、调试用户程序或在线监视PLC工作状况。除手持编程器外，目前使用较多的是用通信电缆将PLC和计算机联接，利用专用工具软件进行编程或监控。

2.1.5 输入输出扩展接口 I/O扩展接口将扩充外部输入/输出端子数扩展单元与基本单元（即主机）联接在一起。

2.1.6 外部设备接口 此接口可将编程器、打印机、条形码扫描仪等外部设备与主机相连。

2.2 可编程控制器的工作方式

PLC采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作。其工作过程分为输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段，并进行周期循环。一条指令所需时间一般不超过100 ms。

2.2.1 输入采样阶段 PLC在输入采样阶段以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态及输入数据，并将状态存入输入状态寄存器，即输入刷新。接着转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。

2.2.2 程序执行阶段 在执行阶段，PLC按先左后右、先上后下的步序执行程序指令。其过程如下：从输入状态寄存器和其它元件状态寄存器中读出有关元件的通/断状态，并根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的状态寄存器中。

2.2.3 输出刷新阶段 在所有指令执行完毕后，将各物理继电器对应的输出状态寄存器的通/断状态，在输出刷新阶段转存到输出寄存器，控制各物理继电器的通/断，即PLC的实际输出。

由PLC的工作过程可见，在PLC的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状态寄存器的内容也不会立即改变，要等到下一个周期的输入处理阶段才能改变。暂存在输出状态寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号输给输出锁存器，才成为实际的CPU输出。简而言之，全部输入、输出状态的改变都需要一个扫描周期，即输入、输出状态保持一个扫描周期。

2.2 设计要求

模拟的步进电机工作方式为四相八拍，电机的4相线圈分别用A、B、C、D表示，公共端XCOM。当电机正转时，工作方式如下：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。当电机反转时，工作方式如下：A→-AD→D→DC→C→CB→B→BA→A。设计程序时，要求能控制步进电机正转或反转，并能控制转速。

2.3 程序设计

步进电机试验的输入输出分配情况见表1。

具体程序如下：

3 结语

在GX -Developer7.0中对程序进行调试、运行，确定设计可以达到预期要求。

步进系统 篇12

步进电机作为控制系统的主要执行机构,在成本敏感的控制系统中有广泛应用。利用步进电机组成的开环控制系统具有成本低,维护容易的优点。但在步进电机运行过程中,存在失步或停止过冲的现象。

对步进电机控制的传统方法是利用PLC或单片机进行控制,控制灵活性差,不便于系统移植。针对这些问题,利用FPGA进行步进电机变速控制系统设计,可以提高系统灵活性。

1 步进电机工作原理

步进电机根据输入的脉冲信号,输出相应的角位移。在步进电机控制器的控制下,步进电机接收方向控制信号和速度控制信号,按一定的控制规律运动。步进电机的方向控制比较容易,通过改变控制信号的高低电平状态实现。步进电机的转速控制比较困难,如果控制不恰当,会引起步进电机失步或过冲现象,达不到精确定位控制要求。步进电机速度与输入的脉冲频率有一定的规律。步进电机输出输出转矩随着脉冲频率的增加而快速下降。如果对步进电机的转速控制不好,会导致失步或过冲现象。

在理想状态下,步进电机的电磁转矩M电与负载转矩满足以下关系 :

式中,Ua和Ub表示步进电机的相电压,L表示电感,ia和ib表示电流 ;转子平衡方程为式(3):

根据数学模型,给步进电机一个脉冲,就输出一个角位移,设目标角为, 实际运行角度为, 则步进电机的传递函数为式(6)所示 :

设步进电机为两相,令=0,联合式(1)至(6)并进行拉普拉期变换,得出传递函数如下 :

式中,Zr为步进电机的齿数。

2 步进电机变速控制方法

由步进电机原理可知,如果加给步进电机的脉冲频率控制不好,就会造成步进电机失步或过冲,使系统不能精确控制。因此设计合理的变速曲线是保证控制系统在一定精度下快速反应的主要方法。

目前国内外主要使用的变速曲线控制方法有三种。第一种是直线加减速控制方法,它实现简单,节省资源。但它在变速和匀速过程中不能实现平滑过渡,影响电机运行质量和控制系统的寿命,只适用于处理速度慢,变速要求不高的场合。种方第二法是指数型变速曲线控制方法,与直线加减速控制曲线相比,平滑性好,控制的CPU资源,对处理器平台要求高。第三种方法是S型变速曲线实现,其运动过程复杂,主要包括加加速阶段、加速阶段、减加速阶段、匀速阶段、加减速阶段、减速阶段、减减速阶段。采用该曲线控制步进电机的变速,从启动阶段到停止阶段全过程加速度变化连续,速度平滑性好,主要适用于变速平稳性要求很高的场合,但算法比较复杂,不利于电路设计。

在工程应用中,为了方便电路实现,考虑对直线加减速控制方法进行改进,提高速度的平滑性,且能达到一定的控制精度,用FPGA实现难度较小,是一个理想的控制方法。设步进电机以f1的频率启动,加速度为a实现加速,恒定速度为fc。因此,连续变化的步进频率f可以用式(8)表示 :

当t1=∆t1/2时,f=f1代入式 (8) 可得初化频率f0,如式(10)所示 .

图1中两个时间间隔之间的面积等效于步进电机的一个步距角 , 从t1到tn共n-1步,面积用式(11)表示。

3 变速控制电路的 FPGA 实现

用FPGA实现步进电机变速控制,主要包括变速曲线实现解算模块、信息交换模块、脉冲分配处理模块、功率放大模块等构成,结构图如图2所示 。

对步进电机的变速控制采用Xilinx公司的Spartan-3E系列FPGA实现。同时借助CPU内核Microblaze来实现图1的控制方法。Microblaze软核作为一种针对Xilinx公司FPGA优化的32位微处理器,采用RISC架构和哈佛结构的32位指令和数据总线 , 有32个通用寄存器R0 ~ R3、2个特殊寄存器指针和处理器状态寄存器、一个ALU单元和两级中断响应单元等基本模块,还具有3级流水线、 浮点处理单元和异常处理等高级特性,扩展了Microblaze的应用范围。

利用Microblaze处理器软核实时计算控制参数tn,fn和 。由这些参数产生相应的控制脉冲输出给脉冲分配处理模块。 脉冲分配处理模块对一路脉冲进行分配控制,合理分配给步进电机的每一相控制脉冲。经过分配后的脉冲通过功率放大电路进行功率放大电路进行信号放大,再送给步进电机。

利用FPGA对系统中的各个模块工作状态、故障检测信息进行收集处理,提高系统的可靠性。故障检测处理模块监测各模块的工作状态,及时提供给Microblaze处理器,方便控制算法的及时改进,实现精确实时控制目标。信息交换模块增加了与外部设备通信的功能。变速控制系统可以根据外部设备传输入的控制要求定制相应的控制方案,同时对控制电路内部的信息状态进行实时输出。通过信息交换设备,控制电路可以很方便地实现分布网络控制。

4结论

通过分析步进电机工作原理,设计相应的变速控制方法,利用FPGA设计步进电机变速控制电路,实现步进电机高精度的变速控制。另一方面,采用FPGA实现, 利用不同功能的IP核可以方便地改变硬件电路结构,扩大应用范围,提高系统灵活性 , 降低了控制系统的成本。

通过对线性变速曲线控制方法进行改进,并用FPGA实现相应的控制算法, 提高了变速控制精度,在工程中有一定应用价值。今后对步进电机的运行平稳性需要进一步研究,提高系统的可靠性和适用性。

摘要：介绍了步进电机工作原理,建立步进电机的数学模型,研究步进电机变速控制方法。根据变速控制方法,采用FPGA实现步进电机变速控制电路设计。实际测试证明该控制电路精度高,可靠性好,明显改善了失步和过冲现象,增加了步机电机寿命,在工程中有较好的应用前景。