6ES7212-1AB23-0XB8规格齐全

1、控制方式的确定

控制虽然是一个比较jingque的，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用的步进电机开环系统中，控制系统的cp脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定时。延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的cp脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是cp脉冲的周期，该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行。但占用cpu时间长，不能在运行时处理其他工作。因此只适合较简单的控制过程。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出cp脉冲的周期。当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序。将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。由于从定时器装载完重新启动开始至定时器申请中断止，有一定的时间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误差，实现jingque定时，要对重装的计数初值作适当的调整。调整的重装初值主要考虑两个因素一是中断响应所需的时间。二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值前中断服务程序重的其他指令因。综合这两个因素后，重装计数初值的修正量取8个机器周期，即要使定时时间缩短8个机器周期。用定时中断方式来控制变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小。在控制过程中，采用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所

需的装载值固化在系统的rom中，系统在运行中用查表法查出所需的装载值，这样可大幅度减少占用cpu的时间，提高系统的响应速度愿大多数步进电机运动控制系统都运行在开环状态下，因为成本较低，并可提供运动控制技术固有的位置控制，无须反馈。但是，在某些应用中，需要更多的可靠性、安全性或产品质量的保证，因此，闭环控制也是一种选择.以下是一些实现步进电机闭环控制的方法：

1) 步进确认，这是简单的位移控制，使用一个低值的光学编码器计算步进移动的数量。一个简单的回路与指令校验的步进电机比较，验证步进电机移动到预计的位置；

2) 反电动势, 一种无的检测方法，使用步进电机的反电动势（electromotiveforce，emf）信号，测量和控制速度。当反电动势电压降至监测探测水平时，闭环控制转为标准开环，完成终的位移移动；

3）全伺服控制，指全时间的使用反馈设备，用于步进电机--编码器、解码器、或其它反馈传感器上，从而更为jingque地控制步进电机位移和转矩。

其它的方法包括各种不同的反电动势控制电机参数测量和软件技术，一些制造企业都会使用这些方法。这里，步进驱动监控和测量电机线圈，使用电压额电流信息提高步进电机控制。正阻尼使用这一信息阻挡振动的速度，产生更多的可用的转矩输出，降低转矩的机械振动损耗。无编码器安装监测采用信息检测同步速度的损耗。

传统步进电机控制通常采用反馈设备和非传感方法，是有效的实现带有安全需求、危险状况或高jingque度要求的运动应用的方法。

大多数基于步进电机的系统，一般都运行在开环状态下，这样可提供一个低成本的方案。 事实上，步进系统可提高位移控制的的性能，且不需要反馈。但是，当步进电机在开环时运行，在命令步幅和实际步幅之间会有同步损耗的可能。

闭环控制，是传统步进控制的一个部分，能有效地提供更高地可靠性、安全性或产品质量。在这些步进系统中，反馈设备或间接参数传感方法的闭环能进行校正或控制失步、监测电机停滞，以及确保更大的可用转矩输出。近期，步进电机的闭环控制（clc）还能帮助执行智能分布运动架构。然而，开环操作会有失步的风险，这将产生定位失误。但与伺服系统中使用的编码器相比，闭环步进电机采用的编码器成本更低。故选择闭环控制。

2、驱动方式的确定

并于步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过cpu直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为cpu的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动；别一种是通过cpu来间接驱动，就是把从cpu输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。固本次设计应采用cpu间接驱动步进电机。用编码器还的测速发电机作为转速测量工具,因为选择了闭环控制，就必须有反馈元件，反馈元件一般有两种，一种是采用同轴的测速发电机，把步进电机的转速反馈回来，然后通过显示器显示出来并对步进电机进行调节；别一种是通过光同轴的电编码器把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调节；两者相比，后者的设计比较简单，价格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光电骗码器作为反馈元件。

3、驱动电路的选择

步进电机的驱动电机有多种，但为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。单电压驱动是步进电机控制中为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。它的大特点是结构简单，因它的工作效率低，特别是在高频下更显的突出。它的外接电阻r要消耗相当一部分的热量，这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。双电压驱动是电路一般采用两种电压来驱动，因这两个电源分别是一个为高压一个为低压，因此也称为高低压驱动电路。双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降。不宜于电机的正常运行。对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定期额定电流和减少时间常数。但由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声。细分驱动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转动一步，一般会根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕阻会轮流切换，固可以使步进电机的转子旋转。细分控制的电路一般分为两类，一类是采用线性模拟功率放大器的方法获得阶梯形电流，这种方法简单，但效率低。别一种是用单片机采用数子脉宽调制的方法获得阶梯电流，这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。但因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的调节范围比较广，固应选用驱动芯片8713来驱动，并通过软件来实现步进电机的调速。

4、基本方案的确定

因本次设计的要求，选用三相三拍步进电机，单片机选用89c51作为控制器。选取用8279来驱动显示和键盘。选用8713作为步进电机的驱动芯片并通过光电耦合来驱动步进电机。然后由于步进电机同轴的光电编码器作为反馈元件，并把反馈回的信号经cpu处理后再由显示器显示出来。但由键盘输入的速度数值了得通过显示器来显示，固本次设计要两排显示，一排来显示给定的转速一排来显示实际的转速。系统原理框图如1所示：

图1 系统原理框图

算法对于调速系统设计是一个相当重在的环节，因为只有确定了算法之后才能对步进电机的速度进行准确的控制，并时也能达到jingque的调速目的。同时算法也是编写软件的前提与基础。控制算法有多种，常用的两种算法是pid和模糊控制算法。

pid 控制与模糊控制是两种常用的控制方法,但它们还存在一些不足,如一般pid 控制容易产生超调、模糊控制的稳态精度不高,在这两种控制方法基础上进行改进,可产生多种更好的控制方法。本文采用的复合pid 控制算法和带动态补偿的模糊控制算法克服了以上缺陷,取得了较好的实验效果。

1、pid 控制算法

pid 调节的实质就是根据输入的偏差值,按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制,将基本pid 算式离散化可得到位置型pid 控制算法,对位置型pid 进行变换可得到增量型pid 控制算法。对控制精度要求较高的系统一般采用位置型算法,而在以步进电机或多圈电位器做执行器件的系统中,则采用增量型算法。

pid是一种工业控制过程中应用较为广泛的一种控制算法，它具有原理简单，易于实现，稳定性好，适用范围广，控制参数易于整定等优点。pid控制不需了解被控对象的数学模型,只要根据经验调整控制器参数 ,便可获得满意的结果。其不足之处是对被控参数的变化比较敏感。但是通过软件编程方法实现pid控制 ,可以灵活地调整参数。,尽管近年来出现了很多先进的控制算法，但pid控制仍然以其独有的特点在工业控制过程中具有相当大的比重，且控制效果相当令人满意。

连续pid控制器也称比例－积分－微分控制器，即过程控制是按误差的比例（p-proportional）、积分（i-integral）和微分（d-derivative）对系统进行控制，其系统原理框图如图1所示：

图1 pid的原理框图

它的控制规律的数学模型如下：

\* mergebbbbat\* mergebbbbat (1)

或写成传递函数形式：

\* mergebbbbat (2)

式中，e(t)：调节器输入函数，即给定量与输出量的偏u(t)：调节器输出函数。

kp：比例系数；

t：积分时间常数；

t：微分时间常数。

将式（2-1）展开，调节器输出函数可分成比例部分、积分部分和微分部分，它们分别是:

⑴ 比例部分比例部分的数学表达式是\* mergebbbbat ,p在比例部分中，kp是比例系数，kp越大，可以使系统的过渡过程越快，迅速消除静误差；但kp过大，易使系统超调，产生振荡，导致不稳定。因此，此比例系数应选择合适，才能达到使系统的过渡过程时间短而稳定的效果。

图为比例调节器

（3）

比例调节器

其中： u控制器的输出

\* mergebbbbat 比例系数

e 调节器输入偏差

\* mergebbbbat 控制量的基准

比例作用：迅速反应误差，但不能消除稳态误差，过大容易引起不稳定

⑵ 积分部分 积分部分的数学表达式是\* mergebbbbat 从它的数学表达式可以看出，要是系统误差存在，控制作用就会不断增

加或减少，只有e(t)=0时，它的积分才是一个不变的常数，控制作用也就不会改变，积分部分的作用是消除系统误差。

积分时间常数\* mergebbbbat 的选择对积分部分的作用影响很大。\* mergebbbbat 较大，积分作用较弱，这时，系统消除误差所需的时间会加长，调节过程慢；\* mergebbbbat 较小，积分作用增强，这时可能使系统过渡过程产生振荡，但可以较快地消除误差。

⑶ 微分部分

微分部分的数学表达式是\* mergebbbbat .

微分部分的作用主要是抵消误差的变化，作用强弱由微分时间常数t确定。\* mergebbbbat 越大，则抑制误差e(t)变化的作用越强，但易于使系统产生振荡；\* mergebbbbat 越小，抵消误差的作用越弱。因而，微分时间常数要选择合适，使系统尽快稳定。

比例积分微分调节器如图2所示:

图2

但pid算法有两种分别为: 位置式、增量式.

位置式pid控制算法

（4）

（5） 由(5)与(6)式可以推出下式

（6）

位置式控制算法提供执行机构的位置uk，需要累计ek.

增量式pid控制算法

（8）

(9)

由(1)与(2)式可推出下式:

（10）

增量式控制算法提供执行机构的增量\* mergebbbbat 只需要保持.现时以前3个时刻的偏差值即可.增量式算法不需做累加，计算误差和计算精度问题对控制量的计算影响较小；位置式算法要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累计误差。

控制从手动切换到自动时，位置式算法必须先将计算机的输出值置为原始值\* mergebbbbat 时，才能保证无冲击切换；增量式算法与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。

在实际应用中，应根据被控对象的实际情况加以选择。一般认为，在以闸管或作为执行器件，或对控制精度要求较高的系统中，应当采用位置式算法；而在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中，则应采用增量式算法。

因本次设计对步进电机的调速范围与控制jingque的要求,应采用增量式pid控制：系统的流程框图如2所示:

图2 步进电机调速系统的控制流程图

伺服又叫执行电动机，或叫控制电动机。在自动控制系统中，伺服电动机是一个执行元件，它的作用是把信号（控制电压或相位）变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。其容量一般在0.1-100w,常用的是30w以下。伺服电动机有直流和交流之分。

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，

请问交流和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。

永磁交流伺服电动机20世纪80年代以来，随着、和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。⑵定子绕组散热比较方便。⑶惯量小，易于提高系统的快速性。⑷适应于高速大力矩工作状态。⑸同功率下有较小的体积和重量。

一、交流伺服电动机

交流伺服电动机定子的构造基本上与分相式单相相似，如图1所示。其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组rf，它始终接在交流电压uf上；另一个是控制绕组l，联接控制信号电压uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。

交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子，如图2所示。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

图1 交流伺服电动机原理图

图2 空心杯形转子伺服电动机结构

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：

1、起动转矩大

由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率s0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。

图3 伺服电动机的转矩特性

2、运行范围较宽

如图3所示，较差率s在0到1的范围内伺服电动机都能稳定运转。

3、无自转现象

正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（t1－s1、t2－s2曲线）以及合成转矩特性（t－s曲线）如图4所示，与普通的单相异步电动机的转矩特性（图中t′－s曲线）不同。这时的合成转矩t是制动转矩，从而使电动机迅速停止运转。

图4 伺服电动机单相运行时的转矩特性

图5是伺服电动机单相运行时的机械特性曲线。负载一定时，控制电压uc愈高，转速也愈高，在控制电压一定时，负载增加，转速下降。

图5 伺服电动机的机械特性

交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100w。当频率为50hz，电压有36v、110v、220、380v；当电源频率为400hz，电压有20v、26v、36v、115v等多种。

交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100w的小功率控制系统。

二、直流伺服电动机

直流伺服电动机的结构和一般直流电动机一样，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。也有永磁式的，即磁极是磁铁。通常采用电枢控制，就是励磁电压f一定，建立的磁通量φ也是定值，而将控制电压uc加在电枢上，其接线图如图6所示。

图6 直流伺服电动机接线图

直流伺服电动机的机构特性（n=f(t)）和直流他励电动机一样，也用下式表示：

n=uc/ke?φ-ra/ke?kt?φ?t

图7 是直流伺服电动机在不同控制电压下（uc为额定控制电压）的机械特性曲线。由图可见：在一定负载转矩下，当磁通不变时，如果升高电枢电压，电机的转速就升高；反之，降低电枢电压，转速就下降；当uc＝0时，电动机立即停转。要电动机反转，可改变电枢电压的极性。

图7 直流伺服电动机的n=f(t)曲线

直流伺服电动机和交流伺服电动机相比，它具有机械特性较硬、输出功率较大、不自转，起动转矩大等优点。