基于單片機的步進電機調速系統設計

王朝宇 白添凱 楊超 車馭 魏敏敏 張立

(云南電網有限責任公司昆明供電局,云南昆明 650000)

步進電機的機電一體化產品的執行元件,具有非常多的優秀性能,例如在操作上比較簡單,定位比較準確等,在一些自動化控制系統中的應用非常多。在電力行業中也有很多類似的應用。步進電機可以將脈沖信號轉變為相應的角位移或者線位移,其轉動需要通過相應的驅動電路實現,電力的脈沖信號是通過單片機控制實現的。脈沖信號可以使步進電動機旋轉一定的角度,脈沖信號的數量會影響其旋轉角度的大小,頻率會影響步進電機的轉速,改變繞組順序可以改變步進電機的轉向。

1 步進電機的種類

步進電動機的種類主要分為三種,第一種是混合式,第二種是反應式,第三種是永磁式。反應時的步進電動機可以分為三相,1.5度是著這種電機的步進角,而其具有比較明顯的缺點,是其具有較大的振動與噪聲,但是其優點也比較明顯,其可以完成全面的大轉矩輸出,很多發達國家已經不準使用這種步進機。永磁式電動機的類型主要分為兩相,其步進角主要分為兩種第一種是7.5度,第二種是15度,其只能進行較小的轉矩輸出,但是其自身的體積也比較小。混合式步進電機是當前使用最多的電機,其通過綜合反應式電動機與永磁式電動機的優點,相位主要有兩種,五相與兩相,五相電機步進角主要在0.72度,兩相步進電動機的角度為1.7度左右。這一類型的電動機既可以實現較大的轉矩輸出,而且占地面積也比較小,這也是其使用范圍比較廣泛地主要原因。

2 步進電機的工作原理

以四相磁阻式步進電機為例,這一類型的電機定子上游8個凸輪,相距180度,的兩個凸輪構成了一項,每相上的線圈反向鏈接,所以8個齒就形成了4個相,所以叫做四相步進電動機。

當一相的繞組被勵磁之后,磁通從正相齒經過軟鐵芯的轉子,并通過最短的路徑流向負相齒,其他的六個凸齒沒有磁通。為了使磁通路徑最短,在磁場里的作用下,轉子進行轉動,使最近的一對齒與被勵磁的一相對準。轉子在磁場的作用下進一步的順時針轉過15度,步進電動機完成一個動點循環,要想繼續進行轉定,就需要順次勵磁,而電機就可以不停的轉動[1]。

3 步進電機的基本參數

步進電機的基本參數主要分為四類,第一類是電機固有步距角,這一參數的概念指的是每接收一次控制系統發出的脈沖信號,電機在系統設定的方式下所旋轉出的角度。第二類是電機轉矩,步進電機中,轉矩是其中比較重要的數據之一,不僅電機在通電的過程中沒有出現轉動的情況下,定子固定轉資的力矩就是轉矩。第三種是空載啟動頻率,這一頻率指的是電機的一種脈沖頻率,可以在其空載的過程中,正常啟動步進電機的脈沖頻率[2]。第四種是步相電機的相數,當前在實際的使用中,相數一般有二三四五相的步進電機,步進電機內部的相圈數量就是其相數,步進電機的步距角與相數之間有比較大的聯系。

4 步進電機加減速的實現

不僅電機中有一個空載啟動頻率,步進電機在空載的情況下是否可以正常的啟動脈沖頻率,如果其脈沖頻率高于這一數據,電動機無法啟動,會出現是堵轉的問題,當其有負載時,正常啟動的脈沖頻率應該會更低。在停止時,也會有減速的過程,不能突然停止,不然會出現超程的現象,所以步進電機需要加速啟動與減速停止。

升降有三種方式,指向升降法、指數曲線升降法與拋物線升降法勻速加減速控制是指在加速度不變的情況下,速度以線性的規律進行升降。這一方式通過軟件可以就可以實現,相對比較簡單,適合速度變化較大的快速定位,但是這一方式與步進電機的速度變化并不是完全相符,所以可以起到的效果也并不是非常理想。指數曲線控制指的是在加速或者減速的過程中,步進電機的速度呈現出曲線變化的形式,在開始階段的速度較大,會伴隨著時間加速度會逐漸減小,在理想情況下,其可以減小到零,這一方式與步進電機的距頻特性相符,可以比較快速的做出相應,升降的時間相對較短,但是速度變化的過程中會對其平衡性產生影響[3]。拋物線控制指的是加速或者減速的過程中,步進電機的速度呈現拋物線的方式變化,在加速的過程中,加速度會減小,在減速停止的過程中,加速度會變大,這一方式是勻加速控制與知識與曲線控制的結合,有效地利用了步進電機的性質,使升降速的時間剪短,并且有比較好的響應性,是一種比較好的方式。

5 步進電動機的調速

步進電動機的速度可以通過單片機發送的脈沖頻率進行控制,脈沖頻率可以有效地通過軟件延時與硬件控制兩種方式進行控制。

通過使用調用標準延時子系統程序可以產生一定的脈沖,通過這一脈沖進行控制的方法就是軟件延時,這一方式首先可以設置兩個字節作為延時程度的入口地址,在通過需要延時的時間為這兩個字節賦值,單片機就會按照設置的延時時間連續間斷的產生脈沖信號控制電機轉動,軟件延時方式的程序比較簡單,思路也比較清晰,而且不需要使用單片機C P U的時間,C P U不能處理外部傳感器的各種事件[4]。通過使用單片機的定時/計數器T0或T1,定時產生脈沖的方式叫做硬件定時,這一方式首先會針對定時時間設定定時器的工作方式,并通過輸入定時器的定時常數,定時器會出現定時溢出的現象,單片機就會在每溢出一次就會產生一個脈沖信號控制步進電機轉動。這一方式需要硬件提供支持,也需要軟件產生頻率的脈沖信號,是通過硬件與軟件配合形成的方式,雖然占用了一個定時器,但是可以將C P U的利用率提高,C P U在定時器沒產生溢出的時間內可以運行其他程序[5]。

6 結語

步進電機是一種輸出與輸入數字脈沖對應的增量驅動原件,其會伴隨著數字電子技術的逐漸發展擴大應用領域。通過本文對相關內容的研究,可以將其控制水平提高,但是對步進電機控制技術的研究還處于發展的階段,還有很多內容需要更深入的討論,才能得出更好的成果,需要在進行產品開發與時間的過程中,不斷地累積經驗,通過理論與實踐的相結合,使步進電動機控制效果達到最佳,使其在云南地區的供電領域發揮出更大的作用。

[1] 劉學文.基于線切割機床的電機控制系統設計與實現[J].電機與控制應用,2013,40(01)：25-30.

[2] 魏印龍,張向陽,孔令揚.基于AT89C51單片機的步進電機控制系統設計[J].科技廣場,2016,12(08)：184-189.

[3] 孫梅.基于PLC和組態的步進電機調速系統設計[J].數字技術與應用,2015,(11)：19.

[4] 張俊賀,殳國華,陳海濱.基于反電動勢檢測的直流無刷電機步進啟動分析[J].電氣自動化,2014,36(05)：1-3.

[5] 饒志波,饒志榮,張莉,段其昌,林森,程偉.基于AVR單片機的汽油發電機電子調速系統設計[J].世界科技研究與發展,2013,35(03)：384-388.