基于单片机的步进电机调速系统设计

王朝宇 白添凯 杨超 车驭 魏敏敏 张立

(云南电网有限责任公司昆明供电局,云南昆明 650000)

步进电机的机电一体化产品的执行元件,具有非常多的优秀性能,例如在操作上比较简单,定位比较准确等,在一些自动化控制系统中的应用非常多。在电力行业中也有很多类似的应用。步进电机可以将脉冲信号转变为相应的角位移或者线位移,其转动需要通过相应的驱动电路实现,电力的脉冲信号是通过单片机控制实现的。脉冲信号可以使步进电动机旋转一定的角度,脉冲信号的数量会影响其旋转角度的大小,频率会影响步进电机的转速,改变绕组顺序可以改变步进电机的转向。

1 步进电机的种类

步进电动机的种类主要分为三种,第一种是混合式,第二种是反应式,第三种是永磁式。反应时的步进电动机可以分为三相,1.5度是着这种电机的步进角,而其具有比较明显的缺点,是其具有较大的振动与噪声,但是其优点也比较明显,其可以完成全面的大转矩输出,很多发达国家已经不准使用这种步进机。永磁式电动机的类型主要分为两相,其步进角主要分为两种第一种是7.5度,第二种是15度,其只能进行较小的转矩输出,但是其自身的体积也比较小。混合式步进电机是当前使用最多的电机,其通过综合反应式电动机与永磁式电动机的优点,相位主要有两种,五相与两相,五相电机步进角主要在0.72度,两相步进电动机的角度为1.7度左右。这一类型的电动机既可以实现较大的转矩输出,而且占地面积也比较小,这也是其使用范围比较广泛地主要原因。

2 步进电机的工作原理

以四相磁阻式步进电机为例,这一类型的电机定子上游8个凸轮,相距180度,的两个凸轮构成了一项,每相上的线圈反向链接,所以8个齿就形成了4个相,所以叫做四相步进电动机。

当一相的绕组被励磁之后,磁通从正相齿经过软铁芯的转子,并通过最短的路径流向负相齿,其他的六个凸齿没有磁通。为了使磁通路径最短,在磁场里的作用下,转子进行转动,使最近的一对齿与被励磁的一相对准。转子在磁场的作用下进一步的顺时针转过15度,步进电动机完成一个动点循环,要想继续进行转定,就需要顺次励磁,而电机就可以不停的转动[1]。

3 步进电机的基本参数

步进电机的基本参数主要分为四类,第一类是电机固有步距角,这一参数的概念指的是每接收一次控制系统发出的脉冲信号,电机在系统设定的方式下所旋转出的角度。第二类是电机转矩,步进电机中,转矩是其中比较重要的数据之一,不仅电机在通电的过程中没有出现转动的情况下,定子固定转资的力矩就是转矩。第三种是空载启动频率,这一频率指的是电机的一种脉冲频率,可以在其空载的过程中,正常启动步进电机的脉冲频率[2]。第四种是步相电机的相数,当前在实际的使用中,相数一般有二三四五相的步进电机,步进电机内部的相圈数量就是其相数,步进电机的步距角与相数之间有比较大的联系。

4 步进电机加减速的实现

不仅电机中有一个空载启动频率,步进电机在空载的情况下是否可以正常的启动脉冲频率,如果其脉冲频率高于这一数据,电动机无法启动,会出现是堵转的问题,当其有负载时,正常启动的脉冲频率应该会更低。在停止时,也会有减速的过程,不能突然停止,不然会出现超程的现象,所以步进电机需要加速启动与减速停止。

升降有三种方式,指向升降法、指数曲线升降法与抛物线升降法匀速加减速控制是指在加速度不变的情况下,速度以线性的规律进行升降。这一方式通过软件可以就可以实现,相对比较简单,适合速度变化较大的快速定位,但是这一方式与步进电机的速度变化并不是完全相符,所以可以起到的效果也并不是非常理想。指数曲线控制指的是在加速或者减速的过程中,步进电机的速度呈现出曲线变化的形式,在开始阶段的速度较大,会伴随着时间加速度会逐渐减小,在理想情况下,其可以减小到零,这一方式与步进电机的距频特性相符,可以比较快速的做出相应,升降的时间相对较短,但是速度变化的过程中会对其平衡性产生影响[3]。抛物线控制指的是加速或者减速的过程中,步进电机的速度呈现抛物线的方式变化,在加速的过程中,加速度会减小,在减速停止的过程中,加速度会变大,这一方式是匀加速控制与知识与曲线控制的结合,有效地利用了步进电机的性质,使升降速的时间剪短,并且有比较好的响应性,是一种比较好的方式。

5 步进电动机的调速

步进电动机的速度可以通过单片机发送的脉冲频率进行控制,脉冲频率可以有效地通过软件延时与硬件控制两种方式进行控制。

通过使用调用标准延时子系统程序可以产生一定的脉冲,通过这一脉冲进行控制的方法就是软件延时,这一方式首先可以设置两个字节作为延时程度的入口地址,在通过需要延时的时间为这两个字节赋值,单片机就会按照设置的延时时间连续间断的产生脉冲信号控制电机转动,软件延时方式的程序比较简单,思路也比较清晰,而且不需要使用单片机C P U的时间,C P U不能处理外部传感器的各种事件[4]。通过使用单片机的定时/计数器T0或T1,定时产生脉冲的方式叫做硬件定时,这一方式首先会针对定时时间设定定时器的工作方式,并通过输入定时器的定时常数,定时器会出现定时溢出的现象,单片机就会在每溢出一次就会产生一个脉冲信号控制步进电机转动。这一方式需要硬件提供支持,也需要软件产生频率的脉冲信号,是通过硬件与软件配合形成的方式,虽然占用了一个定时器,但是可以将C P U的利用率提高,C P U在定时器没产生溢出的时间内可以运行其他程序[5]。

6 结语

步进电机是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动原件,其会伴随着数字电子技术的逐渐发展扩大应用领域。通过本文对相关内容的研究,可以将其控制水平提高,但是对步进电机控制技术的研究还处于发展的阶段,还有很多内容需要更深入的讨论,才能得出更好的成果,需要在进行产品开发与时间的过程中,不断地累积经验,通过理论与实践的相结合,使步进电动机控制效果达到最佳,使其在云南地区的供电领域发挥出更大的作用。

[1] 刘学文.基于线切割机床的电机控制系统设计与实现[J].电机与控制应用,2013,40(01)：25-30.

[2] 魏印龙,张向阳,孔令扬.基于AT89C51单片机的步进电机控制系统设计[J].科技广场,2016,12(08)：184-189.

[3] 孙梅.基于PLC和组态的步进电机调速系统设计[J].数字技术与应用,2015,(11)：19.

[4] 张俊贺,殳国华,陈海滨.基于反电动势检测的直流无刷电机步进启动分析[J].电气自动化,2014,36(05)：1-3.

[5] 饶志波,饶志荣,张莉,段其昌,林森,程伟.基于AVR单片机的汽油发电机电子调速系统设计[J].世界科技研究与发展,2013,35(03)：384-388.