崑 山 科 技 大 學 -...
TRANSCRIPT
-
崑 山 科 技 大 學
電子工程系 二技部
專 題 研 究 報 告
步進馬達 PWM 驅動
控制電動車
學生: 林承毅 C941K014
黃招溶 C941K016
指導教授: 歐金池 老師
-
摘 要
此次專題是針對步進馬達之特性,再加上 MCS-51 單晶片之
功能,及 PWM 直流馬達控制,三者加以互相結合以其設計出
一套步進馬達之控制系統.以下即是這報告中各章節的內容
重點說明:
第一章 導論: 說明本專題的設計動機及目的
第二章 步進馬達之簡介: 介紹步進馬達的原理,激磁方
式,驅動電路及其特性
第三章 PWM 控制說明: 介紹直流馬達 PWM 的控制
第四章 實作情形: 介紹實作情形
第五章 參考資料
第六章 附錄
I
-
目 錄
摘要......................................................I
圖表目錄................................................III
第一章導論................................................1
第二章步進馬達之簡介......................................2
2-1 步進馬達的特性...............................2
2-2 步進馬達的種類...............................2
2-3 步進馬達的用途...............................3
2-4 步進馬達的激磁方式...........................4
2-5 步進馬達的驅動電路...........................8
第三章 PWM 控制說明.......................................10
第四章 實作情形..........................................18
第五章 參考資料..........................................27
第六章 附錄..............................................28
II
-
圖 表 目 錄 圖2-1 四相步進馬達內部結構圖..............................3
圖2-2 一相/二相激磁方式...................................5
圖2-3 一相激磁時序圖......................................6
圖 2-4 二相激磁時序圖.....................................6
圖 2-5 一~二相激磁方式....................................7
圖2-6 一~二相激磁時序圖...................................8
圖 2-7 步進馬達驅動電路圖.................................9
圖 2-8 步進馬達驅動 IC-FT5754 接腳圖.......................9
圖 3-1 線性電壓驅動電路..................................10
圖 3-2 波寬調變(PWM)的輸出波形...........................11
圖 3-3 單向與雙向直流馬達控制架構........................12
圖 3-4 雙向直流馬達正反轉控制電路........................12
圖 3-5 (a)小功率直流馬達控制電路.........................13
圖 3-5 (b)小功率直流馬達控制電路燒燬工作圖...............13
圖 3-6 具保護功能小功率直流馬達控制電路工作圖.............15
圖 3-7 (a)PWM 馬達速度控制器.............................17
圖 3-7 (b) 時間圖形......................................17
III
-
圖 4-1 PWM 脈波產生器....................................18
圖 4-2 馬達控制實驗電路..................................19
圖 4-3 數位電源供應器....................................20
圖 4-4 電瓶..............................................21
圖 4-5 直流馬達單體......................................22
圖 4-6 實際應用車身本體..................................23
圖 4-7 車身本體與實驗電路結合,但不含 PWM 控制............24
圖 4-8 車身本體與實驗電路結合,含 PWM 轉速控制............25
IV
-
第一章 導論
電機機械為工業發展不可或缺的要素,特別是馬達佔有很重要的地位.
但是一般的馬達是連續運轉的,對負載而言,其動力的傳達是靠離合
器(clutch)作 ON-OFF 的動作,目前以生產工廠自動化,省力化為目
標的 FA(Factory automation,工廠自動化的簡稱),以及操作機器
人(Robot)所使用的馬達,需考慮到電功率,耐環境性、價格及壽命
等因素、同時對於決定位置之精確度、小型化及省能源等方面也必須
注重。
而且,以事務處理作業合理化及處理能力擴大為目標的 OA(office
automation,辦公室自動化的簡稱),以及資訊終端機所使用的馬達,
更是要求小型化,速應性,定速性,啟動時間,分解能力及位置的精
確性.步進馬達便是在此一環境下所產生出來的新型馬達。利用脈波
信號做數位式的旋轉,是最主要的特性。
另外,由於 MCS-51 單晶片其功能強大,使用簡易,取得方便等優點.
因為如此,我才會興起想運用單晶片之簡單使用之特性,來與步進馬
達相結合,以期能設計出一套步進馬達控制系統,來對步進馬達能做
到控制之目的,使其能廣泛且靈活地使用於工業用途上、以期能達到
工業自動化的目的。而這就是我做此次專題的動機及目的所在。
1
-
第二章 步進馬達之簡介
2-1 步進馬達的特點
步進馬達有以下之特點:
1. 旋轉的角度和輸入的脈波數成正比,因此用開迴路控制及可達
成高精確度。
2. 啟動.停止.正反轉的應答性良好,控制容易。
3. 每一步級的角度誤差小,而且沒有累積誤差。
4. 靜止時,步進馬達有很高的保持轉矩(Holding Torque),可保
持在停止的位置,不需使用煞車迴路就不會自由轉動。
5. 可靠性高,整個系統的價格低。
2-2 步進馬達的種類
步進馬達依定子線圈的相數不同可分成二相,三相,四相及五相式,
小型步進馬達以四相式較為普遍.圖 2-1 即為四相步進馬達的內部接
線圖.每當送入一個脈衝電流至步進馬達,可在相對應處停止轉動,
這種走一步即停住而得到的角度稱為基本步進角。
步進角會因激磁方式不同而有所不同。
基本步進角的計算公式如下:
基本步進角=360 度/(相數 * 轉子齒數)
2
-
例如:四相 50 尺的基本步進角為 360 度/(4 * 50)=1.8 度
也就是說,四相 50 齒的步進馬達走 200 步正好是一圈。一般的小型
步進馬達齒數為 50 齒較多。
圖 2-1 四相步進馬達內部結構圖
2-3 步進馬達的用途
由於使用步進馬達,無論是作定速轉速,變速轉速,角度控制或位
置控制均可免除繁雜的機械結構,使產品達成小型化,響應速度快,
定速,解析度高,定位準確等要求、因此步進馬達被大量的使用在自
動化方面。
以下即是一些典型的應用:
1. 硬式磁碟機-----磁頭定位
3
-
2. 軟式磁碟機-----磁頭定位
3. 印表機-----紙張傳送,印字頭驅動,色帶驅動
4. 傳真機-----紙張傳送
5. 影印機-----紙張傳送
6. 紙帶閱讀機-----紙帶傳送
7. 讀卡機-----卡片傳送
8. 定長切割機-----定長輸出
9. xy 工作站-----xy 軸定位
10. 血液分析儀-----試紙傳送
11. 機械手臂-----定位控制
12. 放電加工機-----xy 軸定位
2-4 步進馬達的激磁方式
所謂激磁極是令步進馬達的線圈通過電流,以四相步進馬達而言,其
定子線圈共有四個相,分別為 A,/A,B及/B
步進馬達的激磁方式有下列三種方式:
1. 一相激磁:每次另一個線圈通過電流、步進角等於基本步進角,
消耗電力小,角精確度好,但轉矩小,振動較大、及激磁方式及
時序如圖 2-2 圖 2-3 所示。
4
-
圖
2-2 一相/二相激磁方式
5
-
圖 2-3 一相激磁時序圖
2. 二相激磁:每次令兩個線圈通電、步進角等於基本步進角。轉矩
大、振動小、是目前較受普遍採用的激磁方式.其激磁方式及時
序如圖 2-2 及 2-4
圖 2-4 二相激磁時序圖
3. 一~二相激磁:一~二相激磁又稱為半步激磁,採用一相及
二相輪流激磁;每一步進角等於基本步進角的 1/2,因此解析度提高
6
-
一倍,且運轉更為平順,和二相激磁方式同樣受到普遍採用。
其激磁方式及時序如圖 2-5 及圖 2-6 所示。
圖 2-5 一~二相激磁方式
7
-
圖 2-6 一~二相激磁時序圖
2-5 步進馬達的驅動電路
一個四相式步進馬達需要使用四個電功率達寧頓電晶體來推動,如
圖 2-7 所示。目前市面上也有販售四個達寧頓包裝在一起的高功率達
寧頓 IC,其型號為 FT5754;其內部的四個達寧頓,各有 3A 的推動能
力。如圖 2-8 即為 FT5754 內部電路的等效電路以及外部接腳圖。
8
-
圖 2-7 步進馬達驅動電路圖
圖 2-8 步進馬達驅動 IC-FT5754 接腳圖
9
-
第一章 直流馬達 PWM 的控制
直流馬達的控制,最簡單的方法就是使用電壓驅動電路,應用運算
放大器作為線性驅動電路來推動直流馬達,如圖 3-1 所示。
線性放大器的控制特性,其輸出電壓(Vout)和輸入電壓(Vin)成正
比。而由輸出的正/負電壓來控制馬達正/反轉,同時電壓的高低則決
定其運轉的速度。
但是線性放大器的能量效率是非常低,例如運算放大器的工作電壓為
+-12v,但在低速工作時,卻只有極小的電壓會輸出,這其中大部分
將被浪費掉而轉換為熱能,使得驅動即發燙。
10
-
若要控制馬達的速度,以波寬調變電路(PWM:Pulse Width
Modulation)是最佳的選擇,他是以電路的全開(on)和全關(off)來設
計電路,工作時損耗極低,所以有很高的能源效率。
如圖 3-2 所示。
PWM 輸出的波形以「高電位」的工作週期時間比率越高時,馬達速
度越快。故以程式控制其輸出的「高電位」工作週期,即可設定輸出
的「平均電壓」來調整馬達的速度,平均電壓的定義
如下:
平均電壓=工作週期*電源電壓=HI(HI+LO)*電源電壓工作於
全開或全關狀態的電路,只要使用最基本的開關放大器即可。如圖
3-3 所示:
11
-
其中單向控制結構只能控制馬達做單放向運轉,而由 PWM 方式控制馬
達的轉速。雙向控制除了速度外,還可以控制正反轉,如此可以用來
做位置控制用。如圖 3-4 所示:
12
-
直流馬達 PWM 控制電路
在實際應用上,直流馬達的控制電路如圖 3-5(a)所示,此電路適
合小功率的直流馬達控制,由 PNP 電晶體配合 UN2003 的集極開路特
性,形成四個橋式電子開關,其限制為 VDD+-32V,電流=0.5A 以下。
也可用一般的玩具馬達來進行實驗,此時 Q1 及 Q2 可改用更小功率的
PNP 電晶體如 2N4355 等。
當 MO1=0 及 MO2=1 時,會令 Q1=ON 及 Q2=OFF 使馬達正轉,動作如圖
3-5(b)所示。若由 MO1 輸入 PWM 波形,則可控制其轉速。反之若 MO1=0
及 MO2=1 時,會令 Q2=ON,Q1=OFF 使馬達反轉。
13
-
此電路有個缺點,當 MO1=1 及 MO2=1 時,會令 Q1 及 Q2 導通,此時
電流不會經過馬達,而直接由 VDD 流過導通的電晶體及 UN2003 到地
線,形成電源短路,此大量的電流會將元件燒毀,如圖 3-5(b)所示。
為避免同時令 Q1=ON、Q2=ON,而改良上述電路的缺點,如圖 3-6 所
示。以 DIR 角做為正反轉控制,而由 PWM 腳提供 PWM 波形控制速度,
當 PWM 波形控制速度,當 PWM=0 時馬達會停止運轉。
14
-
PWM 馬達速度控制器
如圖 3-7(a)所示為一 PWM 馬達速度控制器。計時器 555 與一些附屬
零件組成不穩太多諧振盪器,產生固定的時間週期與可變的輸出脈
波,即可作為脈衝寬度調制 PWM 電路。當輸出第 3 腳低電位時,C1
充電迴路為 R1、R2 與 D1、C1 充電至 2/3V+時,輸出轉為高電位,C1
放電迴路為 D2、R3 與 R2,C1 放電至 1/3V+時,C1 又重新充電,而後
週而復始。
圖 3-7(b)所示為時間圖形,Q1 輸出波形與 555 輸出波形相反。
輸出電壓準位也因加入的供電大小而異。
15
-
充電週期為:
Ton=Tc=0.693(R1+R2)C1
放電週期為:
Toff=TD=0.693(R3+R2)C1
時間週期為:
T=0.693(R1+R2+R3)C1
T 為固定的時間週期,不受 R2 的調整而改變,而 Ton 與 Toff 可以隨
R2 的調整而變化。其工作週期為(Ton)/(Ton+Toff),可變範圍為整
個時間週期的 5%至 95%。整個時間週期應約為馬達機械時間長數兩
倍,C1 電容量的選擇應視馬達的大小而定,0.1~10μF,若 C1 採用
0.1μF,則 T 約為 0.0038 杪,頻率為 2.63Hz。改變 R1、R2 和 R3 亦
可改變 T,但 R1 與 R3 不可小於 1K 歐姆。
555 定時器沉入電流為 200Ma,此電流適用於小型馬達,但如欲控制
DC 電流幾安培的負載,則必須加入高功率推動電晶體 Q1 由 IC1 的輸
出做導通與截止的交替工作,猶如一個開關來控制馬達,D3 作用為
保護Q1不受轉子線圈兩端感應電動勢的損壞與在Toff期間和馬達分
流。C4 為使馬達工作穩定,但數值太大會使馬達工作遲鈍。
16
-
如欲作 DC 燈調光器,可將 D3 省略,以燈代替馬達。如欲作 AC 燈調
光器,則 Q1 改用 TRIAC 即可。
17
-
第二章 實作情形
實作情形的截圖,如下:
(a) PWM 脈波產生器
V 為輸入+5V
G 為接地
P1 控制馬達正轉速度
P2 控制馬達反轉速度
18
-
(b) 馬達控制實驗電路
我們使用功率電晶體 MJ2955 以便驅動較大功率馬達,
實驗中先以小顆馬達代替
19
-
(c) 數位電源供應器
圖 4-3
20
-
(d) 驅動馬達和車體之 12V,36W 電瓶
圖 4-4
21
-
(e) 直流馬達單體
圖 4-5
22
-
(f) 實際應用車身本體
圖 4-6
23
-
(g) 車身本體與實驗電路結合,但不含 PWM 控制
圖 4-7
24
-
(h) 車身本體與實驗電路結合,含轉速控制
圖 4-8
25
-
討 論
在本次實驗中,一開始設定為使用步進馬達做驅動來源,後來因
為步進馬達轉速不足,所以改用直流馬達代替,再以 PWM 配合直流馬
達之轉速控制。
起初在直流馬達控制電路上的低功率電晶體 9012 只能夠趨動低
功率直流馬達,所以改用中功率電晶體 MJE 2955E 來試驗較高功率的
直流馬達,發現無法提供直流馬達所需之功率,造成電晶體過熱燒
毀,最後改用高功率電晶體 MJ 2955 才順利解決電晶體輸出功率符合
馬達所需之功率且不會過熱。
26
-
第三章 參考資料
書名:單晶片 MCS-51 與 C 語言入門實習
作者:董勝源
出版社:宏友圖書開發股份有限公司
書名:步進馬達應用技術
作者:陳熹棣
出版社:全華科技圖書股份有限公司
書名:工業電子實習與應用
作者:蔡加春
出版社:標高圖書儀器有限公司
書名:數位邏輯實習
作者:許澤燦、趙淑蓉
出版社:展維出版社
27
-
第四章 附錄
元件表
7404 * 2
7408*2
IC 控制部份
ULN2003*2
電阻 2.2k * 8
二極體 * 8
高功率電晶體 MJ 2955 * 8
中功率電晶體 MJE 2955E * 8
低功率電晶體 9012 * 8
馬達控制電路部份
彈跳開關 * 8
陶瓷電容 104 * 3
GLC556 * 1
二極體 * 4
電阻 2.2k * 4
可變電阻 50k * 1 、100k * 1
PWM 脈波控制部份
電容 10 μF * 1
28