《步进电机控制》PPT课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第十九讲 步进电机控制,单片机程序设计实践教程,1,19.0 项目演示效果,图XP_19_01 步骤1-步进电机控制的开机状态,2,图XP_19_02 步骤2-启动步进电机顺时针旋转,3,图XP_19_03 步骤3-步进电机逆时针1/8细分方式运行,4,19.1 项目目标设计,学习步进电机的基本工作原理；,掌握步进电机的控制方法；,学习,TA8435H,步进电机驱动芯片的基本工作原理；,掌握,TA8435H,步进电机驱动芯片,在,本开发板中的应用方法和原理；,学习通过,82C55,并行扩展芯片进行控制信号输出的编程技巧；,掌握步进电机的控制,电路的硬件连接方法,；,在达到以上六点目标的基础上，根据本章“项目扩展任务”中提出的问题，以组或个人为单位，在规定时间里完成扩展项目任务。,5,19.2 项目任务,步进电机控制项目的电路原理图如图19-1所示，步进电机的控制信号由STC89C52RC单片机给出，但不是直接使用自己的端口进行控制，而是通过控制并行端口扩展芯片82C55的PB,0,PB,5,引脚的电平输出，间接控制TA8435H步进电机驱动芯片的运行。,图19-1中的J,15,为后备的输入电源（另一路为USB供电和程序下载接口，这两路不能同时引入外接直流电源）接入端子，有5V和12V两级可以选择引入的直流电源。三端连接插线设置端子J,16,实现将TA8435H负载输入电压Vsel与上面引入的两路电源电压中的哪一路相连，方法是在J,16,的不同插针间接插短接片。P,1,为4针端子，引出TA8435H对两相双极性步进电机的控制信号。,6,图19-1 步进电机控制项目的电路原理图,7,本项目应完成以下程序设计：打开开发板开关后，七段数码管相应位置显示OFF、F和1，分别表示步进电机关机、准备顺时针旋转和将要运行在整步方式。,按压S,1,键，按照设定运行步进电机，数码管相应位置显示OE；,按压S,4,键，关闭步进电机，数码管相应位置显示OFF；,按压S,5,键，步进电机顺时针旋转，数码管相应位置显示F；,按压S,8,键，步进电机逆时针旋转，数码管相应位置显示b；,按压S,9,键，步进电机整步方式运行，数码管相应位置显示1；,按压S,10,键，步进电机半步方式运行，数码管相应位置显示2；,按压S,11,键，步进电机1/4细分方式运行，数码管相应位置显示4；,按压S,12,键，步进电机1/8细分方式运行，数码管相应位置显示8；,按压其它键，不会引发步进电机动作。,8,19.3 系统板上硬件连线,本项目要求PMY单片机开发板上的短接片接CON,1,的07引脚、CON,2,的05引脚，J,5,和J,7,的2和3引脚分别短接。若板上引入12V电源，则应将J,16,的12V和Vsel短接；否则，短接5V和Vsel，其余连接插线不接，见图19-2步进电机控制的连接插线设置示意图。,图19-2 步进电机控制项目系统板硬件连线图,9,19.4 程序流程图,图19-3 步进电机控制项目的程序流程图,10,19.5 C语言源程序（略）,19.6 系统构成和程序分析,19.6.1 步进电机的结构和工作原理,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,【42】,。,步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就会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。,11,图19-4 常见的两相混合式步进电机实物图,12,步进电机是一种控制用的特种电机，可利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，应用于各种开环控制。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，图19-4给出了一些最常见的两相混合式步进电机实物图。,永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为1.5度，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。,13,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：两相步距角一般为1.8度，而五相步距角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本开发板控制驱动方案所选用的步进电机类型。,以三相电机为例，将步进电机内部的定转子平行展开,【43】,，如图19-5所示，可以看到电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以T表示，即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3T，C与齿3向右错开2/3T，A与齿5相对齐，(A就是A，齿5就是齿1)。,14,图19-5 步进电机内部的定转子工作原理图,15,接着来看步进电机是如何旋转起来的。,（1）、如A相通电，B、C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐（最大磁导率、最小磁阻），转子不受任何力。,（2）、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1/3T，齿3与C偏移为1/3T，齿4与A偏移(T-1/3T)=2/3T。,（3）、如C相通电，A、B相不通电，齿3应与C对齐，转子又向右移过1/3T，此时齿4与A偏移为1/3T对齐。,（4）、如A相通电，B、C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3T。,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的顺序通电，每来一个脉冲电机就移位1/3T，方向向右旋转；如果按A、C、B、A的顺序通电，电机就反转。,16,由此可见，步进电机的位置和速度与导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系，而方向由导电顺序决定。,不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面的考虑，电机定子往往采用AABBBCCCAA的导电顺序，将原来每步移位1/3T改变为1/6T，甚至可以通过二相电流不同的组合，使移位由1/3T变为1/12T、1/24T。不难看出，电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏1/m、2/m(m-1)/m，并且导电按一定的相序，就能控制电机正反转，这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件理论上可以制造任何相数的步进电机。,出于成本等多方面考虑，市场上的步机电机一般以二、三、四、五相为多。,根据以上对步机电机工作原理的分析，可以引出以下一些步进电机的基本参数：,17,电机固有步距角：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0.9/1.8(表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8)，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0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72。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。如果使用细分驱动器，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。,18,保持转矩(HOLDING TORQUE)：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了衡量步进电机最重要的参数之一。例如，标记为2N.m的步进电机，是指该步进电机的保持转矩为2N.m。,以下是步进电机的一些主要特点：,（1）、一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积。,（2）、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至于失步，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130以上，有的甚至高达200以上，所以步进电机外表温度在8090完全正常。,19,（3）、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。,（4）、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。步进电机有一个技术参数为空载启动频率，即步进电机在空载情况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)。,读者若要对步进电机的结构和工作原理做进一步了解，请参阅参考文献【44】和【45】中的相关章节。,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内得到应用。,20,19.6.2 TA8435H步进电机驱动芯片,TA8435H是东芝（TOSHIBA）公司生产的双极性单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片，采用HZIP,25,封装形式，如图19-6所示给出了TA8435H的实物图。TA8435H可以驱动二相步进电机，且电路简单、工作可靠。该芯片还具有以下特点,【46】,:,图19-6 TA8435H步进电机驱动芯片实物图,21,（1）、工作电压范围宽，达到1040V。,（2）、输出电流可达1.5A(平均)和2.5A(峰值)。,（3）、具有整步、半步、1/4 细分和1/8细分运行方式可供选择。,（4）、采用脉宽调制式斩波驱动方式。,（5）、具有正/反转控制功能。,（6）、带有复位和使能引脚。,（7）、可选择使用单时钟输入或双时钟输入。,图19-7是TA8435H步进电机驱动芯片内部功能及引脚图，各引脚功能被列在表19-1中。,从图19-7中可以看出，TA8435H主要由1个解码器、2个桥式驱动电路、2个输出电流控制电路、1个最大电流限制电路、1个斩波器和2个电压比较器等功能模块组成。,22,图19-7 TA8435H步进电机驱动芯片内部功能及引脚图,23,引脚,标识,名称,功能,1,S-GND,信号地,2,nRESET,复位端,低电平有效,当该端有效时,电路复位到起始状态,此时在任何激励方式下,输出各相都置于它们的原点,3,nENABLE,使能端,低电平有效;当该端为高电平时电路处于维持状态,此时各相输出被强制关闭,4,OSC,斩波频率输入,该脚外接电容的典型值可决定芯片内部驱动级的斩波频(15kHz80kHz),计算公式为:fosc=1/(5.15 COSC),式中,COSC 的单位为F,fOSC的单位为kHz。,5,CW/CCW,正、反转控制引脚,6,CLK,2,时钟2,时钟输入端,7,CLK,1,时钟1,时钟输入端,可选择单时钟输入或双时钟输入,最大时钟输入频率为5kHz,8,M,1,激励方式,选择激励方式,9,M,2,激励方式,00 表示步进电机工作在整步方式,10 为半步方式,01 为1/4 细分方式,11 为1/8 细分方式;,10,REFIN,V,nf,输入控制,接高电平时V,nf,为0.8V,接低电平时V,nf,为0.5V,11,nMO,输出监视,用于监视输出电流峰值位置;,24,12,NC,未分配,使用时悬空,13,VCC,供电,逻辑电路供电引脚,一般为