研究电机的论文
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步进电机作为执行元件, 是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。我为大家整理的电机控制技术论文,希望你们喜欢。
电机控制技术论文篇一
步进电机控制系统
摘要:步进电机作为执行元件, 是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展, 步进电机的需求量与日俱增, 在各个国民经济领域都有应用。
关键词:步进电机;执行元件;计算机;发展
1步进电机原理及特征
1.1步进电机的目前发展情况
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。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(称为“步距角”), 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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和加速度, 从而达到调速的目的。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、位置等控制领域使用步进电机进行控制变得非常简单。步进电机可以作为一种控制用的特种电机, 利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。
1.2步进电机的特点
1.步进电动机工作时每相绕组不是恒定地通电, 而是按一定的规律轮流通电。 2.每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角。 3.步进电机可以按特定指令进行角度控制, 也可以进行速度控制。角度控制时, 每输入一个脉冲, 定子绕组就换接一次, 输出轴就转过一个角度, 其步数与脉冲数一致, 输出轴转动的角位移量与输入脉冲成正比。速度控制时, 步进电机绕组中送入的是连续脉冲, 各相绕组不断地轮流通电, 步进电机连续动转, 它的转速与脉冲频率成正比。改变通电顺序, 即改变定子磁场旋转方向, 就可以控制电机正转或是反转。
1.3步进电机的一些典型运用场合
①步进电机主要用于一些有定位要求的场合。例如:线切割的工作台拖动,植毛机工作台(毛孔定位),包装机(定长度)。基本上涉及到定位的场合都用得到。
②广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。
③步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用,这类步进电机的特点是保持转矩不高,频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。
目前用于电脑绣花机的步进电机多数为三相混合式步进电机,并采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质,减少转矩波动,抑制振荡,降低噪音,提高步矩分辨率。
1.4 步进电机的运转原理及结构
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲: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(及步进角)。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;也可以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。
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。
1.5 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,(转子不受任何力,以下均同)。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(て-1/3て)=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分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)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,电机就每步(每脉冲)1/3て,向右旋转。如按A,C,B,A……通电,电机就反转。由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。
2电路设计分析
2.1 8253及8255驱动步进电机电路
①按图连接线路,利用8255 输出脉冲序列,开关K0~K6 控制步进电机转速,K7控制步进电机转向。8255 CS 接288H~28FH。PA0~PA3 接BA~BD;PC0~PC7 接K0~K7。
②编程:当K0~K6 中某一开关为“1”(向上拨)时步进电机启动,并且电机转动速度大小不同。K7 向上打电机正转,向下打电机反转。
2.2实验重要参数计算
由实际测试得,stepcount步数设定为约59步时。步进电机转动一圈。
由实验要求:先顺时针,每分钟6圈,转十分钟。约得stepcount=59*6*10=3540。
停止三秒:8086机器周期为1/5MHz.3s=1/5MHz*15*exp6即15M个机器周期的指令。
后逆时针,每分钟30圈,转十分钟。约得stepcount=59*30*10=17700。
2.3 实际问题及解决方法
①硬件连接及软件程序不够熟练,经多方面查资料,翻阅书籍,确定设计方案及硬件软件的具体设计内容。
②键盘及LED显示的控制不够理想,经程序的细心解读,最终达到了设计的目的。按10号键显示0。。。0030,按12号键显示1。。。0006,按14号键启动运行,按15号键停止运行。 ③转速控制,开始不够精确。经反复测试,最终确定为59步每圈。并计算出6R/MIN,30R/MIN的设定步数。
3总结体会
首先,利用星研集成环境软件编辑并运行程序,在STAR ES598PCI实验仪上调试实验结果,分析实验程序及硬件电路;然后,在利用原有源程序进行实验时,电机的转速控制不是很明显,这就要求修改控制步速Takesetpcount的数值,及8253的分频数,以使电机转速达到6r/min和30r/min。其次,调节8259控制键盘及显示,最终达到实时显示转速及转动方向,并用键盘控制其启动与停止。由于步进电动机的运转是由电脉冲信号控制的,步进电动机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比,每给一个脉冲,步进电机就转动一个角度(步距角)或前进/倒退一步,所以希望清晰的看到电机的此特性。我们通过设定步速及转速,此时可以观测到电机的步进及转动一圈的步数。
参考文献
【1】王忠民,等。微型计算机原理(第二版)。西安:西安电子科技大学出版社,2007
【2】江晓安,董秀峰。模拟电子技术(第三版)。西安:西安电子科技大学出版社,2009
【3】李全利。单片机原理及接口技术。北京:高等教育出版社,2010
步进电机控制系统
韩 浩
(西安文理学院物理与机械电子工程系 陕西西安 710000)
摘要:步进电机作为执行元件, 是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展, 步进电机的需求量与日俱增, 在各个国民经济领域都有应用。
关键词:步进电机;执行元件;计算机;发展
1步进电机原理及特征
1.1步进电机的目前发展情况
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。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(称为“步距角”), 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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和加速度, 从而达到调速的目的。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、位置等控制领域使用步进电机进行控制变得非常简单。步进电机可以作为一种控制用的特种电机, 利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。
1.2步进电机的特点
1.步进电动机工作时每相绕组不是恒定地通电, 而是按一定的规律轮流通电。 2.每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角。 3.步进电机可以按特定指令进行角度控制, 也可以进行速度控制。角度控制时, 每输入一个脉冲, 定子绕组就换接一次, 输出轴就转过一个角度, 其步数与脉冲数一致, 输出轴转动的角位移量与输入脉冲成正比。速度控制时, 步进电机绕组中送入的是连续脉冲, 各相绕组不断地轮流通电, 步进电机连续动转, 它的转速与脉冲频率成正比。改变通电顺序, 即改变定子磁场旋转方向, 就可以控制电机正转或是反转。
1.3步进电机的一些典型运用场合
①步进电机主要用于一些有定位要求的场合。例如:线切割的工作台拖动,植毛机工作台(毛孔定位),包装机(定长度)。基本上涉及到定位的场合都用得到。
②广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。
③步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用,这类步进电机的特点是保持转矩不高,频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。
目前用于电脑绣花机的步进电机多数为三相混合式步进电机,并采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质,减少转矩波动,抑制振荡,降低噪音,提高步矩分辨率。
1.4 步进电机的运转原理及结构
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲: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(及步进角)。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;也可以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。
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。
1.5 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,(转子不受任何力,以下均同)。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(て-1/3て)=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分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)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,电机就每步(每脉冲)1/3て,向右旋转。如按A,C,B,A……通电,电机就反转。由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 2电路设计分析
2.1 8253及8255驱动步进电机电路
①按图连接线路,利用8255 输出脉冲序列,开关K0~K6 控制步进电机转速,K7控制步进电机转向。8255 CS 接288H~28FH。PA0~PA3 接BA~BD;PC0~PC7 接K0~K7。
②编程:当K0~K6 中某一开关为“1”(向上拨)时步进电机启动,并且电机转动速度大小不同。K7 向上打电机正转,向下打电机反转。
2.2实验重要参数计算
由实际测试得,stepcount步数设定为约59步时。步进电机转动一圈。
由实验要求:先顺时针,每分钟6圈,转十分钟。约得stepcount=59*6*10=3540。
停止三秒:8086机器周期为1/5MHz.3s=1/5MHz*15*exp6即15M个机器周期的指令。
后逆时针,每分钟30圈,转十分钟。约得stepcount=59*30*10=17700。
2.3 实际问题及解决方法
①硬件连接及软件程序不够熟练,经多方面查资料,翻阅书籍,确定设计方案及硬件软件的具体设计内容。
②键盘及LED显示的控制不够理想,经程序的细心解读,最终达到了设计的目的。按10号键显示0。。。0030,按12号键显示1。。。0006,按14号键启动运行,按15号键停止运行。
③转速控制,开始不够精确。经反复测试,最终确定为59步每圈。并计算出6R/MIN,30R/MIN的设定步数。
3总结体会
首先,利用星研集成环境软件编辑并运行程序,在STAR ES598PCI实验仪上调试实验结果,分析实验程序及硬件电路;然后,在利用原有源程序进行实验时,电机的转速控制不是很明显,这就要求修改控制步速Takesetpcount的数值,及8253的分频数,以使电机转速达到6r/min和30r/min。其次,调节8259控制键盘及显示,最终达到实时显示转速及转动方向,并用键盘控制其启动与停止。由于步进电动机的运转是由电脉冲信号控制的,步进电动机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比,每给一个脉冲,步进电机就转动一个角度(步距角)或前进/倒退一步,所以希望清晰的看到电机的此特性。我们通过设定步速及转速,此时可以观测到电机的步进及转动一圈的步数。
参考文献
【1】王忠民,等。微型计算机原理(第二版)。西安:西安电子科技大学出版社,2007
【2】江晓安,董秀峰。模拟电子技术(第三版)。西安:西安电子科技大学出版社,2009
【3】李全利。单片机原理及接口技术。北京:高等教育出版社,2010
电机控制技术论文篇二
步进电机的加减速控制
[摘 要]本文详细分析了步进电机及其工作原理,并基于MCS-51系列单片机设计步进电机的数字控制系统。在设计中加入了步进电机的细分技术和恒频脉宽调制技术。结合脉冲分配器的使用,开发了简单的细分驱动控制电路。
[关键词]步进电机;单片机;细分控制
中图分类号:F140 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)40-0038-01
一、引言
随着科学技术的发展和微电子控制技术的应用,步进电机作为一种可以精确控制的电机,广泛应用在高精密加工机床,微型机器人控制,航天卫星等高科技领域。
二、 步进电机的原理
步进电机是一种控制用的特种电机,它无法像传统电机那样直接通过输入交流或直流电流使其运行,而是需要输入脉冲电流来控制电机的转动,所以步进电机又称为脉冲电机。其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移,即给一个脉冲电信号,电机就转动一个角度或前进一步。按励磁方式可以分为反应式、永磁式和混合式三种类型,本设计中选用的是反应式步进电机,其结构如图1所示。
这是一台四相反应式步进电机的典型结构。共有4套定子控制绕组,绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相,也就是说定子上两个相对的大齿就是一个相,电机按照A―B―C―D―A……的顺序不断接通和断开控制绕组,转子就会一步一步的连续转动。其转速取决与各控制绕组通电和断电的频率,即输入的脉冲频率。旋转的方向则取决与各控制绕组轮流通电的顺序。
三、步进电机的驱动控制
步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作,必须使用专门的步进电机驱动控制器。步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电机驱动系统的性能,不仅取决于步进电机自身的性能,也取决于步进电机驱动器的优劣。
步进电机的驱动方式有很多种,包括单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分驱动、集成电路驱动和双极性驱动。本设计选用的是恒频脉宽调制细分驱动控制方式,这是在斩波恒流驱动的基础上的进一步改进,既可以使细分后的步距角均匀一致,又可以避免复杂的计算。
四、恒频脉宽调制细分电路的设计
1、脉冲分配的实现
在步进电机的单片机控制中,控制信号由单片机产生。它的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。本设计中选用8713脉冲分配器芯片来进行通电换相控制。
2、系统控制电路设计
步进电机控制系统主电路设计如图2所示。
从上图可以看出,8713脉冲分配器的5、6、7引脚均接高电平,所以这是一个控制四相步进电机按四相八拍运行的控制电路。8751单片机的P1.0和P1.1端口分别与8713脉冲分配器的3引脚和4引脚相连。由8751单片机的P1.0端提供步进脉冲,P1.1端则控制步进电机的转向,输出高电平,步进电机正传;输出低电平,步进电机反转。单片机依然是控制的主体,它通过定时器T0输出20kHz的方波,送D触发器,作为恒频信号。同时,由8713脉冲分配器的脉冲输出端输出的方波脉冲信号作为控制信号,它的方波电压的每一次变化,都使转子转动一步。
当8713脉冲分配器的脉冲输出端输出的方波脉冲信号Ua不变时,恒频信号CLK的上升沿使D触发器输出Ub高电平,使开关管T1、T2导通,绕组中的电流上升,采样电阻上R2上压降增加。当这个压降大于Ua时,比较器输出低电平,使D触发器输出Ub低电平,T1、T2截止,绕组的电流下降。这使得R2上的压降小于Ua,比较器输出高电平,使D触发器输出高电平,T1、T2导通,绕组中的电流重新上升。这样的过程反复进行,使绕组电流的波顶呈锯齿形。因为CLK的频率较高,锯齿形波纹会很小。
当Ua上升突变时,采样电阻上的压降小于Ua,电流有较长的上升时间,电流幅值大幅增长,上升了一个阶段,但由于这里输出的是方波信号而不是阶梯信号,所以只有一个上升阶段,也就是说这个“阶梯信号”只包含了一个阶,并没有把每一步细分成许多步,而是令输出脉冲信号上升和下降的坡度变大,使原本的方波输出变的圆滑,实现了控制信号类似梯形的平滑处理,如图3所示。
同样,当Ua下降突变时,采样电阻上的压降有较长时间大于Ua,比较器输出低电平,CLK的上升沿即使会让D触发器输出1也马上清零。电源始终被切断,使电流幅值大幅下降,降到新的阶段为止。
以上过程重复进行。Ua每一次变化,就会使转子转过一个细分步。
在这个电路中有一个最突出的特点,那就是用8713脉冲分配器所输出的脉冲信号取代了典型恒频脉宽细分电路中D/A转换器所提供的阶梯控制信号。这样的设计极大的简化了电路,并且降低了脉冲分配的控制难度。虽然用方波信号取代了阶梯波信号,使得单一相运行时的细分程度有所降低,但是由于步进电机的四相绕组是同进进行工作的,所以也可以达到了步进电机细分驱动控制的目的。
六、结束语
当前,步进电机的应用正不断深入到日常生活和工业制造的各个方面,并且国内外对步进电机及其控制技术的研究也在不断的进步。这些知识的掌握在今后的工作和生活之中将会起到非常积极的影响。
参考文献
[1] 吴守箴,臧英杰等.电气传动的脉宽调制控制技术[M].北京: 机械工业出版社,2002.
[2] 王晓明.电机的单片机控制[M].北京航空航天大学出版社,2002.
[3] 李建忠主编.单片机原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.
[4] 李仁定主编.电机的微机控制[M].北京:机械工业出版社,2004.
[5] 黄勇,廖宇,高林.基于单片机的步进电机运动控制系统设计[J].电子测量技术,2008,31(5):150-154.
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双相电动机原理
通电线圈在磁场中受力转动
就是说通电线圈会产生磁性,与原有磁场相斥,从而有力使其转动。
通电导线在磁场中受力运动的方向跟
电流
方向和
磁感线
(磁场方向)方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受
力的作用
,使电动机转动。它是将电能转变为机械能的一种机器。
电动机使用了电流的磁效应原理,电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机。
直流电动机原理
直流线圈在磁场中受力只能转半圈,要转一圈须要换向器,使其转过平衡位置自动改变电流方向。
三相交流异步电动机转子转动的原理
当磁极沿顺时针方向旋转,磁极的磁力线切割转子导条,导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的,假如磁极不动,转子导条沿逆时针方向旋转,则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下,闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用,而使转子导条受到电磁力f,电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩,转子就转动起来。
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电机已经没什么可论的了,d轴q轴的该分析的都分析了,能算出来的也都算出来了,反正直流有刷电机没的研究了,同步电机没得研究了,鼠笼电机也没意思,直流无刷都登峰造极了……,有个缺口——异步双馈电机,电机学与电子学的结合,强弱电的结合,值得你下番功夫。出了论文答辩的时候我管保你电机教授不敢提你的问题,因为他不懂电子;电子教授也不敢提你的问题,因为他不懂电机;能向你提问的只剩似懂非懂的三脚猫了,你只要知道点皮毛就可以轻松应付。
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