双电机调速实验平台使用说明书概要.docx
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双电机调速实验平台使用说明书概要
电机调速实验平台
使用说明书
小组成员:
XXXXXXXXXXXX
2014.5
目录
目录2
第一章电机调速实验平台1
1.平台简介1
2.硬件配置1
2.1最小系统控制模块1
2.2直流电机2
2.3步进电机3
3.产品零部件关系5
4.光盘介绍5
第二章使用指导6
1.实验一:
步进电机实验6
1.1实验要求6
1.2实验目的6
1.3实验内容6
1.4实验程序7
2.实验二:
直流电机实验8
2.1实验要求8
2.2实验目的8
2.3实验内容8
2.4实验程序9
3.实验三:
直流电机和步进电机同步调速实验10
3.1实验要求10
3.2实验目的10
3.3实验内容10
3.4实验程序11
第三章设备维护与注意事项12
1.设备的维护保养12
2.注意事项12
第一章电机调速实验平台
1.平台简介
随着现代化步伐的加快,人们生活水平的不断提高,对自动化的需求也越来越高,直流电机和步进电机的应用领域也不断扩大。
例如,军事和宇航方面的雷达天线,火炮瞄准,惯性导航,卫星姿态,飞船光电池对太阳得跟踪等控制;工业方面的各种加工中心,专用加工设备,数控机床,工业机器人,塑料机械和压缩机等设备的控制;计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器,各种光盘驱动器,绘图仪,扫描仪等设备的控制;音像设备和家用电器中的录音机,数码相机,洗衣机,冰箱,电扇等的控制。
因此,不论从学习还是实践的角度,对于小型直流电机和步进电机控制方式进行学习和研究对于一名电子信息类专业学生都会产生积极的作用。
本实验平台适合用于对直流电机和步进电机的控制方式的研究和学习,可进一步实现直流电机与步进电机之间的同步调速控制。
2.硬件配置
实验平台的硬件设备包括最小系统控制模块,直流电机,步进电机。
2.1最小系统控制模块
本实验平台选用STC公司89C52单片机作为主控制器模块。
STC89C52是一种8位的单片机,它具有功耗较低、性能较高的优点,该单片及内部有丰富的存储资源和充足的计算资源,常常用于大学期间51单片机的教学实践中。
基本引脚配置如下:
1)VCC(40):
单片机电源引脚,不同型号单片机接入相对应的电压电源,常压为+5V,低压为+3V。
2)VSS(20):
接地,也就是GND。
3)XTL2(18)和XTL1(19):
外接时钟引脚。
XTL1片内振荡电路的输入端,XTL2为振荡电路的输出端。
4)PSEN(29):
全称是程序存储器允许输出控制端。
在读外部程序存储器时该端口低电平有效。
5)RST/VPD(9):
单片机的复位引脚。
6)EA/VPP(31):
该引脚始终接高电平。
7)P0口(39-32):
此端口为双向8位三态I/O口,PO口在使用时必须在外电路接上拉电阻。
2.2直流电机
直流电机是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。
它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。
当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。
本次设计使用的直流电机的型号是RF-370C,实物图如图所示。
图1RF-370C直流微型电机
其详细参数如下:
额定电压(V)12
电压范围(V)6—15
额定扭矩(mN.m)3.5
扭矩范围(mN.m)0.49-1.47
额定转速(r/min)2000/4000
额定电流(mA)<90
反向转速(r/min)<40/64
启动扭矩(mN.m)<4.9
本实验平台中直流电机速度安PWM值大小共设了51个等级,从1到51,其中速度等级为1时电机转的最慢,随着数字增加转速越快,速度等级为51时电机转的最快。
单片机通过P1.3口控制直流电机的转速,即PWM波形通过P1.3口控制直流电机的转速,占空比越大时速度越快,P1.3口波形如图2所示:
图2P1.3口波形
P1.3口波形的各种参数如表1所示:
表1峰值、频率、占空比
速度等级
VPP/V
f/HZ
+Duty/%
01
4.56
16.23
3.2
06
5.12
16.23
12.0
11
5.36
16.23
21.8
16
5.63
16.18
30.6
21
5.76
16.18
41.4
26
5.84
16.18
50.8
31
5.76
16.23
60.7
36
5.60
16.23
70.5
41
5.36
16.18
79.9
46
5.04
16.23
89.9
50
4.64
16.23
99.7
2.3步进电机
步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机,步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机,其位移速度与脉冲频率成正比,位移量与脉冲数成正比。
步进电机在结构上也是由定子和转子组成,可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。
当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场,该矢量场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。
因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。
每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距角,称为一步。
根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,在供给连续脉冲时,就能一步一步地连续转动,从而使电机旋转。
试验平台使用的步进电机的型号是M35SP-7NP的电机,其详细参数如下:
额定直流电压
6V-24V
上拉扭矩
17.6mN·m/200pps
外径
35mm(最薄处)
步距角
7.5°
转矩
29.4mN.m
转动方式
单四拍/双四拍/八拍
输出转矩
18.1mN·m/200pps
引线
电源线和四根相位线
M35SP-7NP电机的特点:
①紧凑的尺寸和高输出转矩。
②运行稳定和噪声小。
③步距角:
7.5°。
④良好的响应效果。
M35SP-7NP电机是四相八拍电机,额定电压值为直流6V到24V。
在控制脉冲的作用下,电机可以一步一步地转动,每来一个脉冲,转子就会旋转相应的一个步距角的角度。
在不同的特点方式下,步进电机可以按照单四拍(A-B-C-D-A),双(双相绕组通电)四拍(AB-BC-CD-DA-AB)或者八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)的方式转动。
M35SP-7NP电机共有五根线,从上至下分别是白、蓝、橙、黑、红线。
根据资料蓝线接电源,为确定其余四根线的相序,根据排序方法这四根线都可以接到TB6560四个输出端的任意一个,故总共有十六种接法,最后试出来的接法是白、橙、黑、红线依次接TB6560的A+、A-、B+、B-,所以可以确定白线是A相、橙线是B相、黑线是C相、红线是D相。
M35SP-7NP步进电机的实物图如图3所示:
图3M35SP-7NP步进电机的实物图
本试验平台步进电机的速度共设了15个速度等级,从1到15,随着数字增加转速越快,其中速度等级1时电机转的最慢,速度等级15时电机转的最快。
由示波器测得在某速度下波形频率如表2所示:
表2波形频率与速度的关系
速度
频率
01
1.67
02
2.01
03
2.61
04
2.93
05
3.26
06
3.84
07
4.75
08
5.80
09
6.66
10
8.98
11
9.89
12
15.53
13
19.06
14
36.94
15
58.90
3.产品零部件关系
本实验平台整体为一实验箱,主要包括的部件包括最小系统控制模块,直流电机驱动模块,步进电机驱动模块,直流电机,步进电机
最小系统控制模块包含51单片机及外围电路。
直流电机驱动模块包含直流电机及驱动电路。
步进电机驱动模块包含步进电机及驱动电路。
4.光盘介绍
见光盘内的光盘目录。
第二章使用指导
1.实验一:
步进电机实验
1.1实验要求
1、熟悉步进电机的基本构造和工作原理。
2、熟悉单片机对步进电机控制原理。
1.2实验目的
通过实验平台,实现步进电机按规定的速度进行加减速控制,转过指定的角度。
所有命令通过键盘输入,步进电机在运行过程中要有状态和数据指示。
1.3实验内容
1、实验分析
从理论上讲,给驱动器一个脉冲,步进电机就旋转一个步距角(细分时为一个细分步距角)。
实际上,如果脉冲信号变化太快,步进电机由于内部的反向电动势的阻尼作用,转子与定子之间的磁反应将跟随不上电信号的变化,将导致堵转和丢步。
所以步进电机在高速启动时,需要采用脉冲频率升速的方法,在停止时也要有降速过程,以保证实现步进电机精密定位控制。
2、加减速原理
加速过程,是由基础频率(低于步进电机的直接起动最高频率)与跳变频率(逐渐加快的频率)组成加速曲线(降速过程反之)。
跳变频率是指步进电机在基础频率上逐渐提高的频率,此频率不能太大,否则会产生堵转和丢步。
加减速曲线一般为指数曲线或经过修调的指数曲线,当然也可采用直线或正弦曲线等。
使用单片机或者PLC,都能够实现加减速控制。
对于不同负载、不同转速,需要选择合适的基础频率与跳变频率,才能够达到最佳控制效果。
很多工控场合,要求步进电机运行平稳、振动小、噪音低、瞬间完成执行指令、高精度定位,都需要在编写软件时使用加减速方法。
3.实验方法
步进电机拖动负载高速移动一定距离并精确定位时,一般来说都应包括“启动-加速-高速运行(匀速)-减速-停止”五个阶段,速度特性通常为梯形,如果移动的距离很短则为三角形速度特性,如图2.1所示。
图2.1步进电机的速度曲线
实验中首先选定步进电机型号以及步进电机驱动器的细分数,下面以16细分数为例,则此时的步距角为
。
4、加减速运行的单片机实现
步进电机的加速和减速可以通过不断修改定时器初值来实现。
在电机加速阶段,从启动瞬时开始,每产生一个脉冲,定时器初值减小某一定数值,则相应脉冲周期减小,即脉冲频率增加;在减速阶段,定时器初值不断增加,则相应脉冲周期增大,即脉冲频率减小。
设
是单片机晶振脉冲的频率,该实验设计的关键是确定脉冲定时
,脉冲时间间隔即脉冲周期
和脉冲频率
。
假设从启动瞬时开始计算脉冲数,加速阶段脉冲数为
,并设启动瞬时为计时起点,定时器初值为
,定时器初值的减量为
。
从加速阶段的物理过程可知,第一个脉冲周期,即启动时的脉冲周期
,
。
由于定时器初值的修改,第2个脉冲周期
,脉冲定时
,则第
个脉冲周期为:
,脉冲定时为:
,
脉冲频率为:
。
若令
,即加速阶段相邻两脉冲周期的减量,则上述公式简化为:
1.4实验程序
参见附件光盘。
2.
实验二:
直流电机实验
2.1实验要求
1、熟悉直流电机的基本构造和工作原理。
2、熟悉单片机对直流电机控制原理。
2.2实验目的
通过实验平台,实现直流电机按规定的速度进行加减速控制。
所有命令通过键盘输入,步进电机在运行过程中要有状态和数据指示。
2.3实验内容
1、实验分析
直流电机转速的控制主要是通过改变输入PWM波的占空比实现的,理论上转速与占空比D近似的线性关系,即改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速。
2、实验原理
直流电机的结构由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子,定子的主要作用是产生磁场,磁场由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子,其主要作用产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称为电枢,由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
导体受力的方向用左手定则确定。
这一对电磁力形成了作用于电枢的一个力矩,这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩,转矩的方向是逆时针方向,企图使电枢逆时针方向转动。
如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩(例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩),电枢就能按逆时针方向旋转起来。
当电枢转了180°后,导体cd边转到N极下,导体ab边转到S极下时,由于直流电源供给的电流方向不变,仍从电刷A流入,经过导体cd、ab后,从电刷B流出。
这时导体cd边受力方向变为从右向左,导体ab边受力方向是从左向右,产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。
因此,电枢一经转动,由于换向器配合电刷对电流的换向作用,直流电流交替地由导体ab和cd流入,使线圈边只要处于N极下,其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向,而在S极下时,总是从电刷B流出的方向。
这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向,从而形成一种方向不变的转矩,使电动机能连续地旋转。
这就是直流电动机的工作原理。
3、加减速运行的单片机实现
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS,VSS可接4.5~7V电压。
4脚VS接电源电压,VS电压范围VIH为+2.5~46V。
输出电流可达2.5A,可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻,形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机,OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机,本实验装置我们选用驱动一台电动机。
5,7,10,12脚接输入控制电平,控制电机的正反转。
EnA,EnB接控制使能端,控制电机的停转。
表1是L298N功能逻辑图。
In3,In4的逻辑图与表1相同。
由表1可知EnA为低电平时,输入电平对电机控制起作用,当EnA为高电平,输入电平为一高一低,电机正或反转。
同为低电平电机停止,同为高电平电机刹停。
2.4实验程序
参见附件光盘。
3.
实验三:
直流电机和步进电机同步调速实验
3.1实验要求
1、研究双电机调速控制系统的工作原理
2、完成双电机同步、异步调速控制
3、实现电机转速测量和PID控制使两个电机转速同步
3.2实验目的
通过实验平台,实现双电机同步、异步调速控制,通过电机转速测量和PID控制使两个电机转速同步,所有命令通过键盘输入,步进电机在运行过程中要有状态和数据指示。
3.3实验内容
1、PID控制原理
利用矩形法来分析此模拟PID控制规律,用求和来代替数值积分,用后向差分来代替数值微分,利用增量型PID控制算法得:
第(n-1)次采样有:
两次采样计算机输出的增量为:
式中:
n:
采样序号,n=0,1,2,...;
;
;
;
;
;
将步进电机的速度设置为给定参考速度SETP,即PID算法中的输入,而直流电机的速度OUTP为PID算法中的输出,本次使用的是位置式PID算法。
其流程图如下:
图3.1增量式PID算法流程图
本实验平台使用的仅是比例积分控制,没有利用微分控制器。
增大Kp可以系统减少静态误差,但是这样会降低闭环系统的动态性能,当Kp超过一定范围时甚至会使系统不稳定,而且比例系数是不能完全消除系统的静差的,这时候就要加入积分环节了。
积分环节的系统偏差累积起来并完全清除掉,Ki的加入可以增强系统的稳态性能。
2、双电机控制操作
设计中的键盘模块由四个弹性按键,采用高电平输入方式进行信号的输入。
该电路中将S1作为切换按键,S1每切换一次,预设定的标志位flag的值就会增加1并在LCD上显示出来,当标志位flag的值大于或者等于6时,将flag置0。
按键S2、S3、S4负责根据flag的值执行相应的操作,具体操作如下:
①flag等于1时:
按S2改变步进电机的转速;
②flag等于2时:
按S3可以改变步进电机正反转;
③flag等于3时:
按S2改变直流电机的转速;
④flag等于4时:
按S3可以改变直流电机正反转;
⑤flag等于5时:
按S4开始执行PID控制,对步进电机和直流电机进行同步调速。
3.4实验程序
参见附件光盘。
第三章设备维护与注意事项
1.设备的维护保养
通过擦拭、清扫、润滑、调整等一般方法对设备进行护理,以维持和保护设备的性能和技术状况,称为设备维护保养。
设备维护保养的要求主要有四项:
(1)保持实验箱内整洁,干燥;
(2)定期检查线路连接,确保电路工作正常,避免使用过程中出现短路,开路等线路故障。
(3)对电机定时维护,添加润滑油,保证设备无干摩现象,
(4)遵守安全操作规程,不超负荷使用设备,及时消除不安全因素。
2.注意事项
(1)当设备出现高温,火花等异常情况请及时断开总开关。
(2)电机运行过程中请保持通风,保持电机周围散热均匀。
(3)电机运行过程中,严禁阻碍电机转动,会造成热量大量聚集和电机损坏
(4)电机的输入电压为交流电220V。
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- 电机 调速 实验 平台 使用 说明书 概要