步进电机控制技术在教学演播系统中的应用Word格式.docx
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三步进电机特点(优点,缺点)-2-
四步进电机的脉冲驱动原理-3-
4.1结构:
-3-
4.2四相电机旋转:
-4-
4.3二相电机旋转:
-5-
4.4特点:
五步进电机的细分驱动和平滑启停技术原理-7-
六步进电机细分驱动的实现--电路描述-8-
6.1概述步进电机细分驱动的实现--电路描述-8-
6.2为了实现方便,我们选用了STC12C5404作为单片机芯片。
该芯
片具有如下特点:
-9-
6.3由于12C5404采用1T的机器周期,速度非常快。
另外,该芯片
具有4个PWM模块,被广泛应用于包括电机驱动的各种场合。
-10-
6.3.1PWM技术-10-
6.3.2PWM技术中脉冲宽度调节优点-10-
6.3.3PWM技术控制方法-11-
七步进电机细分驱动的实现--单片机控制程序-13-
八计算机端控制程序与通信协议设计-19-
九致谢-19-
十附录-19-
十一参考文献-19-
一教学演播系统简介
教学演播室系统是利用现代信息技术,电子控制技术,光学控制技术,发展高素质教育的一种教育方式。
随着通信技术和信息处理技术的成熟,教学演播室显著地增强了教与学两方面的交互能力,快速地,有效地提高教学水平,并可将优质的教学资源大面积的推广出去。
教学演播系统的主要功能是:
进行教学或其他学校活动场合的现场拍摄、录制和直播。
该系统采用多种先进设备来保证教学活动的有效进行。
当前学校主要现状是电教老师人数少,工作量大,而学校对优质教学视频资源的需求又十分强烈。
所以,对一套好的教学演播系统的要求是:
以少量的人力,完成高质量教学影片的拍摄制作。
二电机技术在教学演播系统中的应用
一部好的教学影片,要求场景周到,切换及时准确,构图和镜头运用恰当。
使用教学演播系统拍摄制作教学影片,很大一部分工作是影片的拍摄。
而影片的拍摄工作主要集中在镜头的运用上。
而镜头的运用,用专业的术语来说,就是摄像机的P/T/Z操作。
所谓P/T/Z操作,就是摄像机的水平(Pan)垂直(Tilt)转动和变焦(Zoom)操作,而摄像机的P/T操作,从硬件设备上说,就需要使用云台带动摄像机做相应动作,而云台的执行部件就是电机。
电机是一种把电能转换成机械能的器件,电机的种类很多,目前常用的直流电机、无刷电机、步进电机、伺服电机、VCM音圈电机等。
作为视频拍摄的专业应用,云台对控制电机有自己特殊的要求:
转动速度要够快,转动要平稳,电机的启动和停止要稳定,噪音要小,电机转动的角度和速度要可控,电机位置要有回馈。
综合成本,控制,应用要求,步进电机比较适合云台应用。
三步进电机特点(优点,缺点)
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的单步误差和累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
作为一种广泛使用的执行部件,步进电机具有以下特点:
1、可以用数字信号直接进行开环控制,整个系统简单廉价。
2、位移与输入脉冲信号数相对应,步距误差不长期积累,可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统,也可在要求更高精度的组成闭环控制系统。
3、无刷,电动机本体部件少,可靠性高。
4、易于起动,停止,正反转及速度响应性好。
5、停止时可有自锁能力。
6、步距角可在大范围内选择,在小步距情况下,通常可以在超低转速下高转距稳定运行,通常可以不经减速器直接驱动负载。
7、速度可在相当宽范围内平滑调节,同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。
8、步进电动机带惯性负载能力较差。
9、由于存在失步和共振,步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。
10、需要专用的控制器控制,不能直接使用普通的交直流电源驱动。
结合演播系统对云台控制电机的要求,步进电机的开环控制、精度高、速度调节范围宽等优点适合演播系统应用。
但是,脉冲信号驱动和共振的特点,会带来转动噪音大,启动和停止抖动剧烈的问题。
这些问题的存在,又制约了步进电机在教学演播系统中的应用。
四步进电机的脉冲驱动原理
虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。
步进电机必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度;
反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相:
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
两相步进电机的应用最为广泛,也是本文所选用的步进电机。
下面以二、四相感应子式步进电机为例子讲述步进电机的工作原理。
电机定子有四个励磁绕阻,转子均匀分布着很多小齿,并加有永磁体使转子轴向分布若干对N-S齿极,且N、S齿极互相错开1/2τ(τ为相邻两转子齿轴线间的距离,即齿距)。
定转子齿几何轴线依次向左错开:
0、1/4τ、2/4τ、3/4τ。
以下为四相电机定、转子展开后的工作原理图(见图1)。
以四相单四拍即A—B—C—D—A通电方式,转子不受外力为例。
第一拍:
当A相通正向电流(如图示电流方向),B、C、D相不通电时,有工作原理图可看出,定子A极产生S极磁场,由于磁场作用,转子N1齿将与定子A极轴线与相对齐,而N2齿与B极,N3齿与C极,N4齿与D极,N5齿与A极的轴线以次向右错开1/4τ,2/4τ,3/4τ,1τ。
(如图1)
第二拍:
当B相通正向电流,A、C、D相不通电时,N2齿将于B极轴线相对齐,此时转子向右转过1/4τ,而N3齿与C极,N4齿与D极,N5齿与A极轴线以次向右错开1/4τ,2/4τ,3/4τ。
同理,第三拍C相通正向电流,转子又向右转过1/4τ。
第四拍D相通正向电流,D与N4相对齐,转子再次向右转过1/4τ,N5齿与A极轴线向右错开1/4τ。
当再到A相通正向电流时,N5齿与A极轴线相对齐,至此转子转过一个齿距τ,如果不断地按A-B-C-D-A…通电,电机就按每步(每脉冲)1/4τ向右连续旋转。
如按A-D-C-B-A……通电,电机则反转。
如果通的不是正向电流而是反向电流,定子产生的不是S极而是N极,每相通电时对应的S齿与其轴线向对齐,旋转的方向不变。
不难发现:
当A通正向电流时N1齿与A极轴线相对齐,S3齿与C极轴线向对齐,与C相通反相电流的效果一样。
A相通反向电流和C相通正向电流的效果一样。
同样B相和D相的关系与A和C的关系一样。
在A相通正向电流时同时在C相通反向电流,在C相通正向电流时同时在A相通反相电流,在通B、D相电流时也一样。
这样的通电方式显然比四相单四拍通电时励磁绕组的利用率高,电机产生的力矩大。
用A表示A相通正相电流,
表示A相通反向电流,B表示B相通正向电流,
表示B相通反向电流。
四相单四拍A—B—C—D—A通电方式就可以用A—B—
—
—A单四拍的通电方式。
这种只有A,B二种励磁绕组通电方式称二相驱动,这样的电机称二相电机。
感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。
因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。
感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。
一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行。
(必须采用双极电压驱动),而反应式电机则不能如此。
例如:
四相,八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=A,D=B.一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致(二相电机的绕组见图2),小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵活改变电机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相),这样使用时,既可以作四相电机使用,更可以作二相电机绕组串联或并联使用,灵活地改变电机的性能。
二相运行时,A,B相电流波形如下:
图32相4拍运行时AB相电流波形图
五步进电机的细分驱动和平滑启停技术原理
如上所述,电机在2相4拍运行时,由于采用脉冲驱动,每拍电机转动1.8度,这就造成电机转动时抖动很大,同时噪声也很大。
为了提高电机转动平滑性,减少噪音,从技术上采用2点措施:
一是把本来脉冲驱动的驱动电流分成更多步,从而减小抖动,减小噪音;
二是采用平滑启停的技术,根据启停的速度曲线,在启动和停止的时候人为添加加减速处理,从而使启动和停止更加平滑。
下面分别描述一下这两种技术。
细分驱动技术就是用正余弦函数波形代替驱动脉冲,使电机转动更加平滑。
如图4。
在单片机技术中,IO口的输出只能是高电平和低电平。
为了产生正弦波,我们采用PWM(Pulse-WidthModulation)技术,模拟产生正弦波。
图42相步进电机平滑电流驱动的A、B相电流波形
由于步进电机的工作特性,如果直接采用一定频率的驱动信号来驱动电机,电机的转速是恒定的。
在启动和停止的时候没有任何缓冲,这就造成电机的启停瞬间抖动比较大。
为了减少启停的抖动,业界常常采用变速启停技术。
在启动时以比较慢的速度启动,逐渐加快速度,直到正常转速;
停止时让速度逐渐减小,直到完全停止。
如果把速度V看成时间t的函数,函数V(t)的图像就是升速或降速曲线。
以升速曲线为例,有S型升速曲线,有梯型升速曲线,有指数型升速曲线。
根据电机的负载和使用场合不同,可以选用不同的升降曲线。
为简单起见,我们没有做过多的试验,就选用了如下的指数型升速曲线。
同样为简单起见,我们选用升