步进电机在经济型数控机床中的应用.pdf

自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第8 期 电 气 传 动 El e c t r i c a l Dr iv es 步进 电机在经济型数控机床 中的应用 黄 松 柏 黄石理工学院 电气与电子信息工程学院， 湖北 黄石 4 3 5 0 0 3 摘要 本文介绍了基于步进电机的经济型数控机床的控制系统。介绍了步进电机的控制原理， 驱动方式和升降速方式 通过单片机 来控制步进电机的运行， 其控制电路简单， 组合方便， 是提高企业数控化率的一条切实可行的途径。 关键词 单片机 ； 步进 电机 ； 数控机床 中图分类号 T M3 8 3 ． 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 ～7 2 4 1 2 0 1 0 0 8 0 0 9 6 0 3 Th e Ap p l i c a t i o n o f St e p p e r mo t o r i n t h e E c o n o my NC Ma c h i n e T O O I HUANG So n g - b a i C o l l e g e o f E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c I n f o r ma d o n H u a n g s h i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H u a n g s h i 4 3 5 0 0 3 C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s a n e c o n o mi c NC ma c h i n e t o o l b a s e d o n s t e p mo t o r ． I t i n t r o d u c e s t h e c o n t r o l p r i n c i p l e a n d c o n t r o l me t h o d a n d s p e e d wa y d o wn ． I t u s e s M CU t o c o n t r o l t h e s t e p mo t o r r u n n i n g ． I t s c i r c u i t i s c o n tro l l e d s i mp l e l y a n d e a s y t o b u i l d ． I t i s a f e a s i b l e wa y f o r e n t e r pr i s e t o r a i s e t h e NC c o n t r o l r a t e． Ke y wo r ds M CU； s t e p mo t o r ； NC ma c h i n e t o o l 1 引言 步进 电机能将输入 的电脉冲信号转换成角位移或 直线位移。每输入一个脉冲信号， 电动机就转动一定的 角位移或者前进一步 ， 所以被称为步进电机。前进一步 转过的角度称为步距角。步进电机的角位移与输入的 脉冲数成正 比， 不受电压与环境温度的影响 ， 也没有累 计的定位误差， 控制输入的脉冲数就能精确的控制输出 的角位移量 ， 因而用数字能够精确的确定位置。步进 电 机的转速与输入 的脉冲的频率成正比。我们通过控制 输入的脉冲的频率就能准确的控制步进 电机输 出的转 速信号 ， 这样就可以在很广的范围精确的控制电机的速 度， 所以步进 电机特别适合用于数字控制系统【 。 2 步进 电机 的控制原理 现在 比较常用的步进 电机包括反应式步进 电机 、 永磁式步进 电机、混合式步进 电机和单相 式步进 电机 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 1 3 等。现阶段， 反应式步进电机获得最多的应用。图 1是 反应式步进 电机步进原理 图。其定子和转子均 由硅钢 片做成凸极结构。定子磁极上套有集中绕组 ， 是控制绕 组 相对的两个磁极上 的绕组组成一相。一般的情况 下， 若绕组相数为 m， 则定子磁极数为 2 m ， 三相绕组有 六个磁极。当AA绕组通电时， B B和 CC两相绕组断电 时， 电机建立以 AA为轴线的磁场， 反应转矩使转子齿 1 、3 分别与定子磁极 A、A对齐。当B B 相通电时， AA 和 CC不通电， 磁场轴线为 BB， 定子磁场带动转子偏 转， 直至 2 、4分别与磁极 B、B对齐。当他们对齐时 ， 磁场对转子只有径向方 向的吸引力 ， 而没有切线方面的 拉力 ， 将转子锁住。显然转子转过了 1 ／3齿距， 转过了 3 0 0 ， 步距角为 3 0 0 。同理 ， 当 C C通电， A A和 B B不通电， 反应转子再转过 3 0 0 。若改变通 电顺序 ， 电动机反转。 上述通 电方式是三相单三拍的运行方式。三相单 三拍运行时 ， 只有一相绕组通 电， 容易使转子在平衡位 置摆动 ， 产生振荡， 运行不稳定， 实际运行当中多采用三 电 气 传 动 Elec t r i c aI D r i v e s 自动化技 术与应用 2 0 1 0年第 2 9卷第 8期 相双三拍的运行方式， 即每次同时有两相绕组通 电， 比 如 正转 AB BCCAAB⋯方式通 电或者反转 AC CB B AAC⋯方式通 电。三相步进 电机也经常 采用 单 双六拍 的运行方 式[ ， 如 A AB B B C C C A A⋯， 这 时步距角为 1 5 。 ◎◎◎ 图 1 反应式步进电机步进原理图 本 系统 中采用 三相 单双 六拍 的运 行 方 式 。 各相绕组不断地轮流通 电， 步进电机就连续转动。 反应式步进电机转速只取决于脉冲频率 、转子齿数和 拍数。而与电压、负载、温度等因素无关。步进电机的 速度为 n -- 6 0 f ／ Z N f 通 电的脉冲频率， z为转子齿数 ， N为拍数。 3 硬件 系统框 架 硬件系统以 8 9 C 2 0 5 l 为核心 ， 扩展了 1 6 KB的用户 加工程序 区 ， 具有掉 电保 护能力 ； 通过键盘管理 接 口芯片 8 2 7 9扩展键盘， 利用其上下档功能实现了按键的双功 能 ， 简化 了键盘 ； I ／ O接 口子系统 的核心是 8 2 5 5 ， 通过它 扩展了电动刀架控制接12 1 、步进电机接 口以及预留的螺 纹加工用 光 电编码 接 口等 。硬 件系 统 的原 理 图如 图 2。 图 2 硬件系统原理框 图 许多机械加工需要微量进给。要实现微量进给， 步 进 电机 、直流伺服 电机及交流伺服 电机都可作为驱动 元件。对于后两者 ， 必须使用精密的传感器并构成闭环 系统， 才能实现微量进给。在开环系统 中， 广泛采用步 进 电机作为执行单元。 1 单片机 8 9 C 2 0 5 1 ATMEL公司生产的这种型号单片机是一种低功 耗、高性能的8 位 C MO S微处理器芯片。片内带有 2 KB 的 闪烁 可 编 程 及 可 擦 除只 读 存 储 器 ，与 工 业 标 准 的 8 0 C5 1 指令 集相兼容 。它的特 点有 与 MC S - 5 1 产 品兼容 ； 2 KB的在线可重复编程闪烁存储器 ； 寿命 l 0 0 0次写 ／擦除周期 ； 数据保存期 1 0年 ； 宽工作 电压 VC C - 2 ． 7 ～ 6 V； 全静态工作方 式 0 ～2 4 MHZ； 3级 程序 存储器 锁 定 ； 3 2 条 可编程 I ／ O 口线 ； 3 个 1 6位定时 ／计 数器 ； 5 个 中断源 ； 可编程 串行 中断 ； 低功 耗 的闲 置与 掉 电模 式 。 2 步进 电机 本系统采用 5 5 BF0 6步进 电机作为驱动原件 ， 与驱 动放大单元相连。步进 电机的环型分配器是一个脉冲 分配器[ ， 即是将步进 电机旋转所要求的进度、方 向变 换为 正 、反 转 的相 序切 换及切 换频率 ， 从而控 制步进 电 机的旋转方 向和速度。在经济型数控系统中， 一般采用 软件实现。由于系统采用三相反应式步进 电机 ， 因此环 型分 配 器 的实 质 就是 设计 通 电相 序 及 其步 进 电机 控 制 字 F C W。 单片机通 过并行 输入 ／输 出接 口 8 2 5 5扩展与 总线 驱 动器 7 4 H C 2 4 5相 连 ， 7 4 H C 2 4 5经 过光 电耦 合器 TL P 5 2 1 4与步进电机的 AB C三相连接。三相步进电 机 的三相用 A， B， C表示 ， 并且 用 1 表示通 电， 0表示 断 电， 控制字节的低 3位表示为 x轴电机 ， D3 ～D5 表示为 z轴 电机， 则正 、反转的控制是通过通电相序切换方向 实现 的 ； 由此得 到 X 电机 对应 的控制 字为 0 1 H ， 0 3 H ， 0 2 H， 0 6 H， 0 4 H， 0 5 H； Z轴 电机对应的控制字为 0 8 H， 1 8 H， 1 0 H， 3 0 H， 2 0 H， 2 8 H。改变送到驱动电源的控制字 的顺序 ， 就可以控制电机正、反转 ， 这通过查表指针的 改变就可实现。改变 2个控制字之间的时间间隔， 就可 控制步进 电机的速度 ， 这通过改变延时子程序的延时就 可 实 现 。 下转第 l l l 页 对 简 单 。 经 验 交 流 1 I e c hn I c al Comm l 1 nIca t lOn s 自动化技术 与应用 2 01 0年第 2 9卷第 8期 参考文献 [ 1 】梁锋 ， 王志 良， 解仑， 徐文学． 多舵机控制在类人机器人 上的应用⋯． 微计算机信息 ， 2 0 0 8 ， 2 4 ， 卜2 2 4 2 2 4 3 ． [ 2 】A t me l 公司 ． A T me g a l 6英文数据手册[ E B ／ O L 】 ． h t t p ／ ／pd f I． a l l da t a s he e t ． c o m／d a t a s he e t pd f ／vi e w／7 8 5 3 2 ／ ATMEL ／ATMEGA1 6． ht ml ， 2 0 0 2 ， 1 0． 1 2 [ 3 】No r d i c 公司 ． n R F 2 4 0 1 A英文数据手册[ E B ／ OL 】 ． h t t p ／ ／p d f 1 ． a l l d a t a s he e t ． c o m／ d a t a s h e e t p c l f ／v i e w／1 4 4 0 3 5 ／E TC／ NRF2 4 0 1 A ． h t m 1 ． 2 0 0 4， 1 2． 1 -2． [ 4 ]任志敏． 类人机器人控制系统研究与实现【 D 】 [ 硕士学位 论文】 ． 武汉 中国地质大学 ， 2 0 0 9 ， 5 ． 作者 简介 任志敏 1 9 81 一， 硕 士研 究 生， 助 教， 研 究 方向 嵌 入 式 系统 ，人 工 智 能 。 上接 第 9 7页 4 步进 电机 的升降速控制 当步进电机实现 自动 、手动快速进给或在 自动加 工过程 中实施停、变速等功能时， 会出现失步甚至步进 电机不能启动的现象 ， 造成加工精度降低 。这是因为步 进 电机受启动频率 的限制 ， 它 比最大工作频 率要低 的多 ； 因此控制程序必须有升 ／降速功能【 ， 使进给指令脉冲 平滑地 进入环 型分 配器 ， 避免 失步 。 升 ／降速控制原 理 步进 电机启 动或速度 突变 时 ， 电机从 突变速 度 V 开始 加速 ， 当速度 达到规 定 的最高 速度 Vma x时， 开始匀速运动， 在 C点应减速， 当达到 S ma x点时， 速度应突变为V ， 这样 电机就能迅速而准确 地达到预定 目标， 如图 3所示 。为了控制方便， 这里加、 减速 都取直 线规律 ， 而 且斜率相 同。图 4为步进 电机升 降速控 制程 序 流程 图。 v a 图 4 步进 电机升降速控制程序流程图 图 3 步进 电机升 ／降速曲线 参考文献 [ 1 ]杜家熙， 陈艳锋， 李国厚， 基于单片机的步进电机控制器 5结 束 语 设 计 攀 单 片 机 的 普 通 车 床 数 控 实践证明， 该步进电机在经济型数控机床中工作可 化改造设计[ J 1 ． 组合机床与自动化加工技术 ，2 0 0 7 5 7 5 7 8 ． 靠 ， 控制灵活．随着微电子和计算机技术的不断发展 ， [ 3 ] 宋景， 基P I C 1 6 F 8 7 7 A单片机软件环分的步进电机控 步进 电机 的需求量 与 日俱增 ， 在 国民经济 的各个领 域都 制系统[ J J ． 自 动化技术与应用， 2 0 0 9 ， 2 8 1 1 2 8 1 3 1 将有一定的应用。 曲线 及步进屯机升降速 作 者 简介黄松柏 1 9 8 0 一 ，男，硕士 ， 研 究方向 电力电子与 它气 传 动