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步进电机 前 言 步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为制执行元件，是电气自动化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。 步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中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。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。 步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 第一章 步进电动机原理根据机电能量转换原理，步进电动机与通常的的交流或直流电动机无异，是将电能变成机械能的电磁元件。但它的运行原理等方面存在特殊性。所以我们在使用前必须先了解其原理，才能在设计时灵活运用。 1。1 步进电动机的分类1。 按工作原理分类：激磁式（电磁式） 步进电动机的定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子动。反应式（磁阻式）图1 转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。永磁式 图2 转子和定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。混合式（永磁感应式）图1图22。 按输出转矩的大小分类： 1快速步进电动机 电动机的输出转矩一般为0。074Nm，可以控制小型精密机床的工作台，例如线切割机床。2功率步进电动机 电动机的输出转矩一般为540Nm，可直接驱动机床的移动部件。此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相、等等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等。按定子排列还可分为径向式（单段式）和轴向（多段式），轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多为轴向式。 1。2 步进电动机的结构与原理 1结构特点步进电动机由定子和转子两大部分组成。我们以三相步进电动机为例。三相反应式步进电动机的结构简图（如图3）所示，定子有六个磁极，每相对磁极构成一相控制绕组 ，转子上有均布的四个齿。 图-32 工作原理 步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理，当U相通电，V、W相不通电，如图3所示，1、3齿与U相对齐；当V相通电，U、W相不通电，如图3所示，2、4齿与V相对齐；当W相通电，U、V相不通电，如图3所示，1、3齿与W相对齐。由此可见，当通电顺序为UV WU V 时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的角度称为步距角。电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿距角（此例中齿距角为90度）当改变通电顺序时，将改变转子的转向。通电方式单相轮流通电方式每次切换前后只有一相绕组通电。在这种通电方式下，电动机工作的 稳定性较差，容易失步。上述例子即为单向轮流通电方式，称为三相单三拍通电。单双相轮流通电方式 上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U UV V VWW WU U 称为三相六拍通电，如图-4所示。 三相六拍通电方式的步距角减小一倍。图-41。3 步进电动机的选择 我们在选择步进电动机的时候，要先要了解它的性能和特点。具体的反映在一些参数上。步进电机的一些基本参数：电机固有步距角： 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0。9°/1。8°（表示半步工作时为0。9°、整步工作时为1。8°），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0。9°/1。8°、三相的为0。75°/1。5°、五相的为0。36°/0。72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。保持转矩（HOLDING TORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N。m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N。m的步进电机。DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。步进电机的一些特点：1一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 第二章 方案选择在设计步进电动机的驱动系统前我们应该针对工作所面对的对象选择正确的方案，首先要清楚开环与闭环控制的区别。2。1 开环控制与闭环控制一般而言,步进电机的控制方式可以分为开环控制和闭环控制两种。开环控制的步进电机驱动系统的输入脉冲不依赖与转子的位置,而是事先按一定规律给定的。在这里,负载位置对控制电路没有反馈,因此步进电机必须正确的响应每次励磁变化,如果励磁变化太快,电机不能够移动到新的要求位置,那么实际的负载位置相对控制器所期待的位置将出现永久误差。如果负载参数基本上不随时间变化,那么相与相之间控制信号的延时设置比较简单,但是在负载可能变化的应用场合下,延时必须以最坏的情况进行设定。并且这样确定的控制方式对于其他负载而言并非最佳,这其实就限制了开环控制的应用范围。开环控制还有一个缺陷就是电机的输出转矩和速度在很大程度上取决于驱动电源和控制方式。对于不同的电机或者同一种电机不同的负载,很难找到通用的加减速规律,因此使提高步进电机的性能指标受到限制。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度,然后通过反馈和适当的处理,自动给出脉冲链,使步进电机每一步都响应控制信号的命令,从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。初始是电机系统受一相或几相励磁而静止。开始工作时先把目标位置送入减法计数器,然后将启动信号加到控制单元,控制单元把命令信号送到相序发生器,使励磁变化一次。电机以负载参数决定的速率开始加速。当第一步位置快到时,位置检测器产生一个送到减法计数器和控制单元的脉冲。减法计数器减一,负载相对目标位置响应减一。在这里注意闭环控制中减法计数器记录的是实际的负载位置,而在开环控制中计数器只寻要记录送给电机的步进命令数,并不保证这些命令是否被执行。送达控制单元的位置检测脉冲用来产生下一步命令。负载越大则达到第一步位置所花的时间就越长，相继的步进命令之间的时间间隔就越长，因而自动适应了比较慢的加速速率。电机开始减速的时刻由减法计数器决定。在减速期间，执行的步数取决于负载条件，惯量大、转矩小的负载需要更多的减速步数。如果实际的负载条件没有最坏的情况那么严重，那么系统在达到目标位置前的步进速率将底于启动频率，因此就会可靠地停止。当减法计数器为零时，则表示要求的步数已执行完毕。这时减法计数器发出一个停止信号控制单元，从而禁止以后的步进命令，系统工作停止。综上所述，闭环控制的励磁延时设置随负载而变化，他能产生接近最佳的速度曲线和快速的负载定位。并且一般采用直接监视负载位置的方法，因此发生失步的可能性大大减小。在本实验中因为要求不是很高，所以只要采取最简单的开环控制系统，用来实现步进电动机的正转、反转、加速、减速。 第三章 系统原理与设计3。1 系统原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。步进电动机转子转动的速度取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲数，它作为伺服电动机应用于控制系统时，可以使系统简化，工作可靠，而且可以获得较高的控制精度。为了使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放大。 环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统称为步进电机的驱动电源。步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动控制系统，如图-5所示图-5 3。2 驱动电源环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统称为步进电机的驱动电源。§3。2。1 环形分配器环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，实现确定的运行方式。环形分配器可以由硬件和软件两种方式实现。硬件环形分配器 硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路构成。集成脉冲分配器 L297是专为四相步进电动机设计的环形分配器。它有四个输出端，当输入端CL或EN加上时钟脉冲后，输出波形将符合四相步进电动机的要求。若采用CL脉冲输入端，是上升沿触发，同时EN为使能端，EN1时工作，EN0时禁止。CW为方向控制端，控制正反转。改变输入CL的脉冲可以使步进电动机加速、减速。19脚为半步、全步选择端，当输入高电平时为全步方式转动，低电平相反。20脚为复位输入端。如图-6图-6软件环形分配器一般微机系统需要进行如下设置：设置输出接口 设输出口的P1。0接A相；P1。1接B相；P1。2接C相。P1。3接D相；设计环形分配子程序；在存储器中建立环形分配表；设计延时子程序；设计延时子程序来控制步进频率；当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB时为反转。§ 3。2。2 驱动电路单电压限流型驱动电路这种电路的特点是线路简单，成本低，低频时响应较好；缺点是效率低，尤其在高频工作的电动机效率更低。在实际中较少使用，只有在小功率步进电动机且在简单应用中才使用。双电压驱动电路这种电路的特点是电动机绕组主电路中采用高压和低压两种电压供电，一般高压为低压的数倍。适用于大功率和高频工作的步进电动机，优点是功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高，缺点是低频振荡加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功率管的数量多用一倍，增加了驱动电源。斩波驱动电路斩波电路的出现是为了弥补双电压电路波形呈现凹形的缺陷，改善了输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近升频升压驱动电路为了减小低频振动，应使低速时绕组电流上升的前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲，而在高速时则应使电流有较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机的带载能力。这就要求驱动电源低频时用较低的电压供电，高频时用较高的电压供电。升频升压驱动电路可以较好地满足这一要求。专用功率放大器L298是专用的功率放大器，是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是:工作电压高,最高工作电压可达46V;输出电流大,瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A;内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载;采用标准TTL逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作;有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。3。3 系统设计控制步进电动机的方案有很多种，这里我所采用的是L297和L298芯片实现驱动步进电机的一种简单方法,利用该方法设计的步进电机驱动系统具有硬件结构简单、软件编程容易和价格低廉的特点。其中主要的是利用L297为环形分配器，L298为功率放大器，555电路产生脉冲输入18脚，通过改变脉冲的频率，使步进电动机加速、减速。这个可以在WEB上实验出来，频率改变的情况如图-7。改变17脚的电平高低，使步进电动机正转，反转。总体来说系统如图-8图-7图-8说明（我所选用的日本产的四相步进电动机，在电动机上有5根线，在接入时候需要区分电源接线，ABCD四相也要从试验中找出。接13，14脚电阻市场上一般买不到，我用两个0。5/5W的电阻代替。在电源的选用上我分别做了一个5V和12V的直流稳压电源，在接入时必须共地。二极管选用4007比较保险。滤波电容都选用100F的。）结论及展望 步进电动机在工作和生产中有着十分现实的意义，而它的控制系统又是其关键所在。本文对控制系统的原理进行了细致的分析，设计出了一套驱动系统硬件电路，经过分析与制作，现场运行后证明该设计是现实可行的。本系统能够实现步进电动机的转速与方向控制，有着成本底，硬件结构简单，软件编程容易，易操作的特点，同时能够实现步进电动机的不失步运行，从而提高了电机的稳定性。但也存在的不足，因为不是闭环控制，在具体工作中还有精确性的问题，限制了本系统在更广阔的领域里运用。针对问题，再结合现在的研究发展方向，我构思了一种新的方案。该方案采用闭环控制电路、单片机和步进电机的细分控制。在控制中用计数器记数和数码管的显示按键次数，也就是控制脉冲的个数，在步进电动机中脉冲的个数与电机转过的角度成正比。步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分，这样可以对角度精确控制。然后采用步校验，它采用低分辨率的光电编码器来统计移动步数。用一个简单的电路来比较指令步数和测量到的步数，以校验步进电机是否已移动到指定位置。由于时间与精力有限，目前此系统的设计与制作还没有完成，有待进一步工作。致 谢在论文研究和撰写过程中，本人得到了指导教师罗勇老师的悉心指导。在课题研究设计过程中，老师渊博的知识、踏实严谨的治学态度以及精益求精的工作作风使我获益匪浅。尤其罗老师帮我找了很多相关资料，解决了设计中所遇到的实际问题。在此谨向罗老师表示最衷心的感谢。在学习过程中还得到了，同一小组的唐黎同学的大力帮助，在此一并表示谢意。最后还要感谢在校的各位教职和领导,在这三年里多亏有他们的关怀指导才使我能够顺利的完成学业。参考文献【1】 步进电机控制技术入门 作 者：王鸿钰编著 出版社：同济大学出版社,1996【2】 步进电动机及其驱动控制系统 作 者：刘宝廷编著 出版社：哈尔滨工业大学出版社,1997。【3】 电子技术基础 作 者：康华光编著 出版社：高等教育出版社，1998【4】 电子线路设计·实验·测试 作 者：谢自美编著出版社： 华中科技大学出版社，2002【5】 MCS-51 系列单片机应用系统设计及使用技术 作 者：鲍宏亚编著 出版社：中国宇航出版社，2005【6】步进电机细分调速系统的研究 作 者：陆春 北京交通大学硕士毕业论文，2003【7】 控制用电机入门 作 者：松井信行 出版社： 科学出版社，2000【8】步进电动机细分驱动技术综述 作 者：华蕊 佛山科学技术学院学报（自然科学版），1999【9】 三种典型的步进电动机驱动电路特性分析 作 者：朱志坚凌波 王树国 新疆工学院学报，1999【10】 同步电动机调速系统。 作 者：李志民，张遇杰 出版社：机械工业出版社，1996第 20 页 共19 页