機(jī)電驅(qū)動(dòng)控制是機(jī)電一體化人才需要的知識(shí)。由于電傳動(dòng)控制裝置和機(jī)械設(shè)備是一個(gè)不可分割的整體，因此可以學(xué)習(xí)機(jī)電傳動(dòng)控制的一般知識(shí)，掌握電機(jī)、電器和晶閘管的工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用和選擇方法。了解最新控制技術(shù)在機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用。在現(xiàn)代工業(yè)中，機(jī)電傳動(dòng)不僅包括驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的電機(jī)，還包括控制電機(jī)以滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化要求的一整套控制器。也就是說，現(xiàn)代機(jī)電傳動(dòng)與由各種控制部件組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)相連。機(jī)電系統(tǒng)通?？梢苑譃槿齻€(gè)部分，如圖1所示。

圖1機(jī)電驅(qū)動(dòng)控制

在我上這門課之前，我以為電機(jī)是高中和中學(xué)的DC電機(jī)，也就是通電的線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)。那是DC汽車。慢慢的我接觸到了交流電機(jī)，我才開始了解220V商用電源。記得下學(xué)期我們有一次金工實(shí)習(xí)，看到培訓(xùn)下那么多車床，銑床，鉆床.因?yàn)樾枰峁┐蠊β剩灾麟姍C(jī)都是380V V，做完這個(gè)門，可以多了解一下它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。

也說明知識(shí)是一個(gè)慢慢積累的過程。多看多學(xué)。我理解很多之前的疑惑。在電視上看到那些智能機(jī)器人，它們可以自由活動(dòng)，就像仿生肌肉一樣。尤其是日本機(jī)器人。有可能它的機(jī)械臂是由步進(jìn)電機(jī)控制的，換句話說就是由液壓和氣壓控制的。我覺得兩者都有。好在大一的時(shí)候進(jìn)了二班，學(xué)到了一些東西，接觸到了步進(jìn)電機(jī)。學(xué)習(xí)51單片機(jī)的時(shí)候買了一個(gè)，感覺很神奇。

另外前幾天參加了江西電子設(shè)計(jì)大賽，覺得如果要選控制這個(gè)題目，步進(jìn)電機(jī)是必不可少的。所以步進(jìn)電機(jī)是個(gè)好東西。我查了網(wǎng)上的資料。步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)。是一種可以自由旋轉(zhuǎn)的電磁鐵。其工作原理與當(dāng)今的無功步進(jìn)電機(jī)無異。還依靠氣隙磁導(dǎo)率的變化產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。可惜是外國(guó)人發(fā)明的。

我開始寫題目。上完這門課，我就迷上了步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)控制、速度和控制方面發(fā)揮著其他電機(jī)無法比擬的突出作用。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的開環(huán)控制元件步進(jìn)電機(jī)。在非過載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和個(gè)數(shù)，不受負(fù)載變化的影響。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)在設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱為“步角”，其旋轉(zhuǎn)以固定的角度步進(jìn)運(yùn)行。角位移可以通過控制脈沖數(shù)來控制，從而達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)，可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)如下：

(1)轉(zhuǎn)速和步距值不受電壓波動(dòng)、負(fù)載變化和溫度變化的影響，只與脈沖頻率同步，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的總位移只取決于脈沖信號(hào)的總數(shù)。

(2)開環(huán)控制，無反饋，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，工作更可靠，維護(hù)更方便，在一般定位驅(qū)動(dòng)裝置中精度足夠高。

(3)控制性能好，可通過大范圍改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。起動(dòng)和制動(dòng)、倒車和任何其他操作模式的改變都可以在幾個(gè)脈沖內(nèi)完成。

(4)誤差不累加。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與理論值總有一定的誤差，但每轉(zhuǎn)的步數(shù)是固定的，所以不丟步就不會(huì)累計(jì)步差。步進(jìn)電機(jī)不同于其他電機(jī)的控制目的，它最大的特點(diǎn)是可以接受數(shù)字控制信號(hào)(電脈沖信號(hào))，并將其轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的角位移或線位移，因此是完成數(shù)模轉(zhuǎn)換的執(zhí)行器。

此外，它可以執(zhí)行開環(huán)位置控制，并且通過輸入脈沖信號(hào)可以獲得規(guī)定的位置增量。與傳統(tǒng)的DC伺服系統(tǒng)相比，這種增量式位置控制系統(tǒng)的成本明顯降低，幾乎不需要系統(tǒng)調(diào)整。因此，步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、遙控、航空航天等領(lǐng)域，特別是隨著微型計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)的速度特性

步進(jìn)電機(jī)的速度取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。它的角速度與脈沖頻率成正比，并與脈沖在時(shí)間上同步。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)和運(yùn)行節(jié)拍不變時(shí)，只需控制脈沖頻率就可以獲得所需的速度。由于步進(jìn)電機(jī)是通過其同步轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)的，因此啟動(dòng)頻率不高，以免失步。特別是隨著功率的增加，轉(zhuǎn)子直徑和慣性增大，啟動(dòng)頻率與最高工作頻率之差可能高達(dá)10倍。

為了充分發(fā)揮電機(jī)的快速性能，通常在啟動(dòng)頻率以下啟動(dòng)電機(jī)，然后逐步增加脈沖頻率，直到達(dá)到期望的速度。選擇的變化率應(yīng)保證電機(jī)不失步，盡可能縮短啟動(dòng)加速時(shí)間。為了保證電機(jī)的定位精度，需要在停止前，將電機(jī)的脈沖率從最高速度逐漸降低到停止速度(等于或略大于啟動(dòng)速度)。因此，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載高速移動(dòng)一定距離并精確定位時(shí)，一般應(yīng)包括“啟動(dòng)-加速-高速運(yùn)轉(zhuǎn)(恒速)-減速-停止”五個(gè)階段。速度特性通常是梯形，移動(dòng)距離短的話就是三角形，如圖2所示。

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圖 2 步進(jìn)電機(jī)的速度曲線

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PC 機(jī)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻通過對(duì)硬件控制電路上的 8253 計(jì)數(shù)器 0 賦初值,設(shè)置好 加減速過程的頻率變化(即速度、加速度變化),以防止失步。例如,在點(diǎn)位控制 中設(shè)置好速度曲線圖,在起動(dòng)和升速時(shí),使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)負(fù)載, 跟上規(guī)定的速度和加速度;在減速時(shí),下降特性使負(fù)載不產(chǎn)生過沖,停止在規(guī)定 的位置。硬件控制電路板上的 8253 產(chǎn)生脈沖方波作為中斷信號(hào)源,啟動(dòng)細(xì)分驅(qū) 動(dòng)電路中的固化程序以產(chǎn)生一定頻率的脈沖,經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的改變及啟動(dòng)和停止均由計(jì)算機(jī)控制硬件控制電路實(shí)現(xiàn)。

圖 3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

軟件和硬件結(jié)合起來一起進(jìn)行控制,具有電路簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。在這種控制中,微機(jī)軟件占用的存儲(chǔ)單元少,程序開發(fā)不受定時(shí)限制。只要外部中斷 允許,微機(jī)就能在電機(jī)的每一步之間自由地執(zhí)行其他任務(wù),以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)步進(jìn)電機(jī) 的運(yùn)動(dòng)控制。

定時(shí)器初值的確定

步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制運(yùn)用 PC 機(jī),脈沖方波的產(chǎn)生采用 8253 定時(shí)器,其計(jì)數(shù) 器 0 工作于方式 0 以產(chǎn)生脈沖方波,計(jì)數(shù)器 1 工作于方式 1 起記數(shù)作用,8253 計(jì)數(shù)器 0 的鐘頻由 2MHz 晶振提供。設(shè)計(jì)算機(jī)賦給 8253 計(jì)數(shù)器 0 的初值為 D1, 則產(chǎn)生的脈沖方波頻率為 f1=f0/D1,周期T1=1/f1=D1/f0,D1=f0T1=f0/f1。其中, f1 為啟動(dòng)頻率,f0 為晶振頻率。

步進(jìn)電機(jī)升降速數(shù)學(xué)模型

為使步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中不出現(xiàn)失步現(xiàn)象,一般要求其最高運(yùn)行頻率應(yīng)小于 (或等于)步進(jìn)響應(yīng)頻率 fs。在該頻率下,步進(jìn)電機(jī)可以任意啟動(dòng)、停止或反轉(zhuǎn)而 不發(fā)生失步現(xiàn)象。 步進(jìn)電機(jī)升降速有兩種驅(qū)動(dòng)方式,即三角形與梯形驅(qū)動(dòng)方式 (見圖 1),而三角形驅(qū)動(dòng)方式是梯形驅(qū)動(dòng)的特例,因而我們只要研究梯形方式。 電機(jī)的加速和減速是通過計(jì)算機(jī)不斷地修改定時(shí)器初值來實(shí)現(xiàn)的。在電機(jī)加速階 段,從啟動(dòng)瞬時(shí)開始,每產(chǎn)生一個(gè)脈沖,定時(shí)器初值減小某一定值,則相應(yīng)的脈 沖周期減小,即脈沖頻率增加;在減速階段,定時(shí)器初值不斷增加,則相應(yīng)的脈 沖周期增大,脈沖頻率減小,對(duì)應(yīng)梯形脈沖頻率特性的減速階段。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 是確定脈沖定時(shí) tn,脈沖時(shí)間間隔即脈沖周期 Tn 和脈沖頻率 fn。假設(shè)從啟動(dòng)瞬 時(shí)開始計(jì)算脈沖數(shù),加速階段的脈沖數(shù)為 n,并設(shè)啟動(dòng)瞬時(shí)為計(jì)時(shí)起點(diǎn),定時(shí)器 初值為 D1,定時(shí)器初值的減量為△。從加速階段的物理過程可知,第一個(gè)脈沖周 期,即啟動(dòng)時(shí)的脈沖周期 T1=D1/f0,t1=0。由于定時(shí)器初值的修改,第 2 個(gè)脈沖 周期 T2=(D1-△)/f0=T1-△/f0,脈沖定時(shí) t2=T1,則第 n 個(gè)脈沖的周期為:

Tn=T1-(n-1)△/f0 (1) 脈沖定時(shí)為:

(2)脈沖頻率為:

1/fn=Tn=T1-(n-1)△/f0

(3)上式分別顯示了脈沖數(shù) n 與脈沖頻率 fn 和時(shí)間 tn 的關(guān)系。令△/f0=δ,即加 速階段相鄰兩脈沖周期的減量,則上述公式簡(jiǎn)化為:

tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)δ/2 (4)

1/fn=T1-(n-1)δ (5)

聯(lián)立(4)、(5),并簡(jiǎn)化 fn 與 tn 的關(guān)系,得出加速階段的數(shù)學(xué)模型為:

其中,是常數(shù),其值與定時(shí)器初值及定時(shí)器變化量有關(guān),A=-δ, B=(2T1+δ)2,C=8δ。

加速階段脈沖頻率的變化為: