步进电机在数控机床中的应用
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一、数控机床 数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。它 的控制系统可以处理控制编码或者别的符号指令规定的程 序，在进行译码，使得机床动作数控折弯机。 数控机床和普通机床比具有以下几个特点： 一是加工精 度高，质量稳定； 二是多坐标联动，能加工复杂零件； 三是遇 到改变零件时，通常只要修改程序； 四是机床的刚性大、精度 高，生产率高； 五是高程度的自动化，有效减轻劳动强度； 数控机床的分类按照控制方式可以分为开环控制、半闭 环控制和闭环控制。开环控制不带位置反馈装置，本文介绍 开环控制系统中的步进电机驱动器电路。 二、步进电机 （ 一） 步进电机概述。步进电机是一种受到脉冲信号控 制，并将信号转化成直线位移或者角位移的控制电机。它可 当做一种特殊的 同 步 电 动 机，供 给 电 脉 冲，它 的 运 动 形 式 是 步进式的，因此叫做步进电动机。步进电机是改变脉冲频率 来调节电机的转 速，还 可 以 快 速 起 动、制 动 和 反 转。 其 步 距 角和转速均不会被电压波动和负载变化影响。它在固定的 步数下运动，因此其误差步距不会长期积累。它广泛用于数 控开环系统中，简单又可靠。步进电机的优点主要有定位精 度高，无步距累积误差； 开环运行机制降低了成本，可靠性 高，在数控领域 得 到 了 广 泛 的 应 用。 但 是，步 进 电 机 在 低 速 运行时的噪声和振动很大，在自然振荡频率附近运行时容易 共振，输出转矩随 转 速 的 升 高 下 降，需 要 通 过 改 善 驱 动 器 来 提升步进电机的性能。 （ 二） 步进电机驱动方式。步进电机驱动系统由步进电 机、驱动器和控 制 器 三 大 部 分 组 成。 当 电 机 和 负 载 确 定 后， 驱动系统的性能就由驱动控制方式来决定。驱动方式具体 可按如下分类： 1． 恒电压驱动方式。（ 1） 单电压驱动。在电机绕组过程 中，只一个方向电压供电。（ 2） 高低压驱动。使通电时绕组
步距角的大小与通电方式和转子齿数用公式计算： a = 360o / （ Zm） Z 表示转子齿数； m 为运行拍数，一般等于相数或其数 倍，即 m = KN（ N 是电动机相数，K = 1 为单拍，K = 2 为双拍） 。 三、调频调压驱动 （ 一） 设计思路。步进电机在高电压驱动时能够获得较好 的高频特性，但是当它在低频工作时，由于绕组获得能量过大， 使力矩下降、噪声加大，容易引起电机低频振荡甚至发生共振， 使得步进电机可靠性降低，会因为电流太大而损坏电机。本
迅速至设定电流，关 断 时 绕 组 电 流 立 刻 衰 减 为 零，又 具 有 较 高效率。
2． 恒电流斩波驱动方式。（ 1） 自激式恒电流斩波驱动。 将绕组电流值转化成一定比例的电压，比较 D / A 转换器的预 设值，实现控制功率管的开关，控制绕组相电流。（ 2） 它激式 恒电流斩波驱动。在 D 触发器加一个固定频率的时钟来解 决自激式的浪涌电压问题，但仍然存在其它问题。
（ 二） 单片机。8031 是最常见的 MCS51 系列的单片机系 统，是 INTEL 公司最成熟的产品，应用范围广泛。它相当于 一个微型计算机，将一个系统集成到芯片上。它是在线式实 时控制、要求有 较 强 的 抗 干 扰 能 力，成 本 较 低。 它 具 有 集 成 度高； 结构简单、使用方便、模块化； 可靠性强； 功能强、速度 快等优点。图 1 为单片机 8031 的管脚图。
FREE 脱机，和 CPU 地线连接，驱动电源不工作； DIR 方向控制，电机反转； VCC 直流电源正端； GND 直流电源负接； A： 连接电机引出线红线； B： 连接电机引出线黄线； （ 四） 电路设计。图 3 为单片机控制步进电机的原理图。 单片机提供三个控制信号给模拟开关： CP 脉冲，一个让电机 转动一个步距角； DIR，方向电平； FREE 低电平时，脱机状态， 节省电源。图中 R0 ～ R7 几个电阻可以按照具体情况进行设 置。按照脉冲频率 的 变 化，取 到 相 应 的 电 阻 值，实 现 将 步 进 电机的电源电压分成几段。模拟开关 CD4051 的二进制控制 输入端分别为 A、B、C，不断变换 C，B，A 的值（ 000 ～ 111） ，一 共有 8 种状态，选择一种状态，使得输入和输出接通。当禁 止端（ INH） =“1”，即不接通，断开状态，若 INH =“0”，为接 通状态，其真值表为表 1。
3． 细分驱动方式。是步进电机驱动和控制的一大突破。 细分驱动是每次 脉 冲 切 换 时，只 改 变 相 应 绕 组 中 部 分 电 流， 合成磁势也仅旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流 是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。
（ 三） 工作原理。步进电动机的步距角越小，它能达到的 位置精度越高。步矩角一般为 1． 5o 或 0． 75o 。因此要把转子 制成多极式，并在 定 子 磁 极 上 制 成 小 齿，要 和 转 子 磁 极 上 的 小齿规格完全相同。当一相定子磁极的小齿对齐转子的齿 时，其它两相磁极的小齿都是错过一个角度的。角度后一相 比前一相的要大。
步进电机具 有 仅 有 周 期 性 误 差、精 度 高、能 够 用 改 变 脉 冲频率达到调速 和 正 反 转 控 制 等，因 为 这 些 显 著 的 特 点，它 已经成为机电一体化的一个重要产品，在自动化控制中得到 广泛运用。配合微电子及计算机的发展，尤其是数控系统对 步进电机的需求 日 益 增 加，全 世 界 都 在 大 力 发 展 这 一 技 术， 我国数控系统的发展也取得了不少进步，自主研发了适合国 情的各种数控系统，这对于步进电机控制的研究也很重要。
产业与科技论坛 பைடு நூலகம்012 年第 11 卷第 6 期
步进电机在数控机床中的应用
□陈树钦
【摘 要】本文介绍了数控机床中应用步进电机的基本概念、常用的几种驱动方式及步进电机的工作原理，分析调频调压原理， 采用单片机实现分频段调压，达到消减低频振荡的目的。硬件实现方法简单、系统可靠性强。
【关键词】步进电机； 调频调压； 单片机 【作者简介】陈树钦（ 1972． 9 ～ ） ，男，广东揭阳人； 揭阳市大立模具厂有限公司工程师； 研究方向： 机械电子工程
Industrial & Science Tribune 2012.（11）.6
·67·
产业与科技论坛 2012 年第 11 卷第 6 期
文提出的是利用单片机消除低频振荡，实现步进电机的调频 调压，方法简单，效果却十分满意。要让电压随着工作频率而 变化，分频段调压是最简单的方法，其中最少要将步进电机分 成 2 段。具体的方法是用单片机 8031 和 CD4051 实现调频调 压的步进电机。用 8031 检测的脉冲频率控制 CD4051 模拟开 关，达到调整步进电机电源电压的目的。分频段调压具有不 容易发生误操作和控制器配套方便的优点。
步距角的大小与通电方式和转子齿数用公式计算： a = 360o / （ Zm） Z 表示转子齿数； m 为运行拍数，一般等于相数或其数 倍，即 m = KN（ N 是电动机相数，K = 1 为单拍，K = 2 为双拍） 。 三、调频调压驱动 （ 一） 设计思路。步进电机在高电压驱动时能够获得较好 的高频特性，但是当它在低频工作时，由于绕组获得能量过大， 使力矩下降、噪声加大，容易引起电机低频振荡甚至发生共振， 使得步进电机可靠性降低，会因为电流太大而损坏电机。本
迅速至设定电流，关 断 时 绕 组 电 流 立 刻 衰 减 为 零，又 具 有 较 高效率。
2． 恒电流斩波驱动方式。（ 1） 自激式恒电流斩波驱动。 将绕组电流值转化成一定比例的电压，比较 D / A 转换器的预 设值，实现控制功率管的开关，控制绕组相电流。（ 2） 它激式 恒电流斩波驱动。在 D 触发器加一个固定频率的时钟来解 决自激式的浪涌电压问题，但仍然存在其它问题。
（ 二） 单片机。8031 是最常见的 MCS51 系列的单片机系 统，是 INTEL 公司最成熟的产品，应用范围广泛。它相当于 一个微型计算机，将一个系统集成到芯片上。它是在线式实 时控制、要求有 较 强 的 抗 干 扰 能 力，成 本 较 低。 它 具 有 集 成 度高； 结构简单、使用方便、模块化； 可靠性强； 功能强、速度 快等优点。图 1 为单片机 8031 的管脚图。
FREE 脱机，和 CPU 地线连接，驱动电源不工作； DIR 方向控制，电机反转； VCC 直流电源正端； GND 直流电源负接； A： 连接电机引出线红线； B： 连接电机引出线黄线； （ 四） 电路设计。图 3 为单片机控制步进电机的原理图。 单片机提供三个控制信号给模拟开关： CP 脉冲，一个让电机 转动一个步距角； DIR，方向电平； FREE 低电平时，脱机状态， 节省电源。图中 R0 ～ R7 几个电阻可以按照具体情况进行设 置。按照脉冲频率 的 变 化，取 到 相 应 的 电 阻 值，实 现 将 步 进 电机的电源电压分成几段。模拟开关 CD4051 的二进制控制 输入端分别为 A、B、C，不断变换 C，B，A 的值（ 000 ～ 111） ，一 共有 8 种状态，选择一种状态，使得输入和输出接通。当禁 止端（ INH） =“1”，即不接通，断开状态，若 INH =“0”，为接 通状态，其真值表为表 1。
3． 细分驱动方式。是步进电机驱动和控制的一大突破。 细分驱动是每次 脉 冲 切 换 时，只 改 变 相 应 绕 组 中 部 分 电 流， 合成磁势也仅旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流 是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。
（ 三） 工作原理。步进电动机的步距角越小，它能达到的 位置精度越高。步矩角一般为 1． 5o 或 0． 75o 。因此要把转子 制成多极式，并在 定 子 磁 极 上 制 成 小 齿，要 和 转 子 磁 极 上 的 小齿规格完全相同。当一相定子磁极的小齿对齐转子的齿 时，其它两相磁极的小齿都是错过一个角度的。角度后一相 比前一相的要大。
步进电机具 有 仅 有 周 期 性 误 差、精 度 高、能 够 用 改 变 脉 冲频率达到调速 和 正 反 转 控 制 等，因 为 这 些 显 著 的 特 点，它 已经成为机电一体化的一个重要产品，在自动化控制中得到 广泛运用。配合微电子及计算机的发展，尤其是数控系统对 步进电机的需求 日 益 增 加，全 世 界 都 在 大 力 发 展 这 一 技 术， 我国数控系统的发展也取得了不少进步，自主研发了适合国 情的各种数控系统，这对于步进电机控制的研究也很重要。
产业与科技论坛 பைடு நூலகம்012 年第 11 卷第 6 期
步进电机在数控机床中的应用
□陈树钦
【摘 要】本文介绍了数控机床中应用步进电机的基本概念、常用的几种驱动方式及步进电机的工作原理，分析调频调压原理， 采用单片机实现分频段调压，达到消减低频振荡的目的。硬件实现方法简单、系统可靠性强。
【关键词】步进电机； 调频调压； 单片机 【作者简介】陈树钦（ 1972． 9 ～ ） ，男，广东揭阳人； 揭阳市大立模具厂有限公司工程师； 研究方向： 机械电子工程
Industrial & Science Tribune 2012.（11）.6
·67·
产业与科技论坛 2012 年第 11 卷第 6 期
文提出的是利用单片机消除低频振荡，实现步进电机的调频 调压，方法简单，效果却十分满意。要让电压随着工作频率而 变化，分频段调压是最简单的方法，其中最少要将步进电机分 成 2 段。具体的方法是用单片机 8031 和 CD4051 实现调频调 压的步进电机。用 8031 检测的脉冲频率控制 CD4051 模拟开 关，达到调整步进电机电源电压的目的。分频段调压具有不 容易发生误操作和控制器配套方便的优点。