步進電機的并口控制研究
發布時間:2017-01-19 

  步進電機廣泛應用于數控機床、醫療器械、儀器儀表等各類控制設備中,它的旋轉是以固定的角度一步步運行的,其主要特點是沒有積累誤差,可以做到100%精確控制,所以在各種開環控制系統有著廣泛的應用。步進電機的控制方法有許多種,有集成一體化的獨立控制器形式,也有依附于計算機擴展槽的各種控制卡形式,但對于以微型計算機為核心的小型系統而言,可直接采用微機已有的端口資源,特別是并行端口,實現步進電機的運行控制。這種控制方法,一則無需另增硬件設備,節省設備成本;二是不占用ISA或PCI擴展槽,節省計算機資源;三是控制靈活,編程方便,不失為一個理想的選擇。

  1步進電機的基本控制原理步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構,每輸入一個脈沖信號,電機就轉過一定的角度(有的步進電動機可以直接輸出線位移,稱為直線電動機)。由于反應式步進電機有較高的性能價格比,應用也非常廣泛,因此,本文主要介紹反應式步進電機的控制原理和并口控制方法。

  以單三拍工作方式為例,步進電機的結構原理圖如所步進電機的基本轉動原理是:給處于錯齒處狀態的相通電,轉子會在電磁力的作用下,向磁導率最大(或磁阻最?。┑奈恢棉D動,即向趨于對齒的狀態轉動。設A相首先通電(B、C兩相不通電),產生A-A軸線方向的磁通,并通過轉子形成閉合回路。這時A、A極就成為電磁鐵的N、S極。在磁場的作用下,轉子總是力圖轉到磁阻是小的位置,也就是要轉到轉子的齒對齊A、A極的位置(a);接著B相通電(A、C兩相不通電),轉子順時針方向轉過30;然后C相通電(A、兩相不通電),它的齒和C、C'極對齊(c)。

  如果按A*…的順序通電,則電機轉子便逆時針方向轉動。

  步進電動機的轉動,即其A相、B相、C相控制繞組按照特定的順序通電,需要一個與之相匹配的驅動電路(如所示),該電路又要受輸入的電脈沖控制,這種電脈沖可以是開關量,也可以是數字量,在我們研制的小型計算機控制系統中,這一數字量由計算機并口給出。由并口輸出一個控制電脈沖,步進電機就走過一步,即轉過一個/步距角“,直至按控制要求轉到相應的設計角度。因此,步進電動機及其驅動電路是一個互相聯系的整體,步進電動機的運行性能是電動機和驅動電路兩者配合所形成的綜合效果,其轉過的角度受外部輸入的電脈沖數的控制,這就是步進電機的基本控制原理。

  2并口的端口定義與設置并行端口是一般微機的標準接口,共有25芯,能同時通過8條數據線傳輸信息,一次傳輸一個字節,通常用于需八位數據傳輸的打印機、繪圖儀等多種外設。通過并口可以進行數據輸出,也可以進行數據輸入,非常適合于一般的數字I/O.由于步進電機有極高的轉行精度,多工作在開環控制狀態,因此,可以利用并口的數據輸出功能,取代傳統的步進電機控制電路中的脈沖信號發生器,由程序控制并口產生一個數字脈沖序列,送于步進電機的驅動電路,作為電脈沖信號,控制步進電機轉動。

  位(B1/B3/B5)用于電機的轉向控制,賦0值電機順時針轉動,賦1值時逆時針轉動;低位(B0/B2/B4)用于為電機提供步進驅動脈沖,該數據位以一定的延時間隔,產生一個連續的1、交替交換的數字序列。因此,控制3臺步進電機同時順時針轉動的控制字為:0X15(1)/0X00(0);3臺電機同時逆時針轉動的控制字為:0X3F(1)/0X2A(原理框圖如所示:計算機并口控制系統的脈沖方向電機脈沖方向電機并口的端口設置是由計算機系統設置程序自動配置的,初始化過程把并行端口配置成LPT1(對配有一個并口的通用型微機而言),分配了相應的中斷資源和不同的數據地址,狀態地址和控制地址:IRQ7、數據地址0378H、狀態地址0379H、控制地址037AH,并口的管腳分配如表1所示。

  表1并口的管腳分配管腳標識數據位端口管腳標識數據位端口管腳標識數據位3步進電機的并口控制方法3.1控制系統原理圖本文所探討的步進電機控制系統,是筆者設計的某工業控制工程的子系統,該子系統的設計要求是:以微型計算機并行端口,控制3臺步進電機,同時完成-45+45、-90\+9(1角度轉動。設計采用了并口的數據端口,即以0378H為入口地址,給3臺步進電機分配了3對數據位用于電機控制,它們分別是:電機A分配B1/B0,電機B分配3.2控制程序設計方法及流程根據步進電機的特點,在采用并口對電機進行控制時,主要需要解決好以下幾個問題:步進驅動脈沖要有一定的寬度。在工程中使用的是美國SHAPHON公司的微型步進電機,該電機采用負脈沖工作方式,對驅動脈沖的均勻度有一定程度的要求,同時要求脈沖寬度不小于5LS,為此在程序設計時,運用了延時的方法,使BO/B2/B4輸出的負脈沖寬度和均勻度,達到電機要求。

  電機的方向控制脈沖有特殊的要求,即電機換向時,一定要在電機降速停止后再進行。為此,在程序設計時,使每一次換向的方向控制信號都先于步進驅動信號,從而可以保證換向信號在前一個方向的最后一個脈沖結束后,下一個方向的第一個脈沖到來前發出。

  步進電機控制升降速曲線的設計。由于時間常數的存在和慣性作用的原因,步進電機從起動到停止,必須要有一個升速、降速過程,升降速的設計非常重要,如果設計不當,會引起步進電機的堵轉、失步、升降速過程慢等問題。

  升速過程由突跳頻率加升速曲線組成,降速的過程與之相反,理想的升降速曲線應為指數曲線,但根據電機特性及工程實際測試,本系統采用了分段直線逼近的方式,并在電機升到最高頻率時,設計一個保持高速運轉的恒速段,以提高電機動行速度。加、減速控制曲線如所示,Fq為起動頻率。

  加、減速控制曲線(4)程序執行流程??刂瞥绦蛎子昧薒abWAindows/CVI語言,有簡單方便的程序界面。-45\+ 45\-90\+90)角度控制,分別對應于四個按鈕控件,并設有界面退出按鈕,只需點按相關按鈕即可完成全部操作,使步進電機的控制明快、直觀。各轉動角的程序設計完全通用,主要流程包括:開啟操作界面判斷本按鈕是否被選中若選中則讀入端口地址賦予起始突跳頻率上升段加速控制中段恒速保持下降段減速控制停止后端口清零返回操作界面。整個控制程序經過了工程測試和實際應用,運轉效果良好。相信本文對計算機并行口資源的二次開發應用,可以起到了一定的借鑒作用。


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