1、 - 1 - 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电气工程及自动化 步进电机控制 摘要： 步进电机用于将电脉冲信号转换为角位移或线位移进行操作 ， 已广泛应用于各个领域。在简要介绍步进电机 发展现状的 基础上 ， 详述步进电机的 分类 构造及其工作原理 ， 进一步探讨采用 单片机和 可编程逻辑器件进行步进电机的控制。 关键词： 分类 ； 构造 ；发展； 单片机 ； PLC 1、 步进电机的发展现状 步进电机是国外发明的。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划 算，还是用直流电动机，加电
2、动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。 国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制 9。 国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程 分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。 总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求
3、低，不适合在大功率的场合使用。 在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。 2、 步进电机的分类构造 2.1 步进电机的分类 目前，通常使用的步进电机主要包括永磁式步进电机（ PM）、混合式步进电机（ HB）、反应式 步进电机（ VR）和单相式步进电机。 永磁式步进电机，采用磁性转子铁芯，同时钉子产生脉冲电磁场，二者相互作用产生转- 2 - 动。通常情况下为两相，体积比较小，转矩也比较小，步进角为 7.5度或
4、者 15度。对于转子和定子，二者任意一个为线圈、一个为永磁铁，主要应用于数控机床、摄影系统、阀门控制、医疗设备等领域。 反应式步进电机，作为一种传统步进电机，采用磁性转子铁芯，同时钉子产生的脉冲电磁场，二者相互作用产生转动。由于转子上均匀分布着很多小尺，定子尺有三个励磁绕阻，方向由导电顺序决定。通常有二、三、四、五相相，广泛应用于阀门 控制、银行终端、核反应堆领域。 混合式步进电机，结合了永磁式、反应式步进电机的优点，通常情况下分为两相和五相，对于两相混合式步进电机，一般步进角为 1.8度，对于五相混合式步进电机，一般步进角为0.72度，这种步进电机被广泛使用。 2.2 步进电机的构造 图 1
5、 步进电机构造 如图 1所示，步进电机通常由转子和定子两部分构成。其中，转子包括转子 1、转子 2和永久磁钢。在朝轴的一侧方向，转子已经被磁化，当转子 1为 S极时，转子 2为 N极；定子为有着小齿状的磁极，对于 5相步进电机，共有 10个，并且都绕着线圈。当接通电流 时，线圈就会被磁化为同一极性， 1个相由对角线的两个磁极构成，因此有 A、 B、 C、 D和 E5个相位。同时，转子的外圈包括 50个小齿，转子 1和转子 2的小齿互相错开 1/2螺距，因此形成 100个小齿 3。 3、 步进电机的工作原理 步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一
6、个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲- 3 - 数成正比，它的转速与脉冲频率 (f)成正比，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 10。 如下所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图 2 是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图 2 四相步进电机步进示意图 开始时，开关 SB 接通电 源， SA、 SC、 SD 断开， B 相磁极和转子 0、 3 号齿对齐，同时，转子的 1、
7、 4 号齿就和 C、 D 相绕组磁极产生错齿， 2、 5 号齿就和 D、 A 相绕组磁极产生错齿。 当开关 SC 接通电源， SB、 SA、 SD 断开时，由于 C 相绕组的磁力线和 1、 4 号齿之间磁力线的作用，使转子转动， 1、 4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐。而 0、 3 号齿和 A、 B 相绕组产生错齿， 2、 5 号齿就和 A、 D 相绕组磁极产生错齿。依次类推， A、 B、 C、 D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、 B、 C、 D 方向转动。 4、 步进电机驱动软件发展状况 在微型计算机出现以前。步进电机的控制 完全由硬件实现。比如环形分配器，就是由多个标准数字集成电路按
8、照逻辑真值表组合而成，不同类型的电机、不同的工作方式就需要有不同的环形分配器，如果更换了电机类型或改变工作模式，则整个硬件电路需要重新设计。随着以 MCS-51系列为代表的单片机的迅速普及，基于软件为核心的通用环形分配器获得了广泛的应用。此类环形分配器仅需要更换不同的软件即可适应各种电机，而无需变更硬件，具有极大的灵活性。此外，在步进电机的速度控制中，我们寻求的最佳升降速曲线是根据步进电机的动力学特性及矩频特性得到的，在数学上这种曲线是比较复杂的，人 们很难找到一种- 4 - 脉冲信号 信号分配 功率放大 步进电机 负载 硬件电路来模拟它，只能在一定频段内做一种大的近似来拟合。现在，我们可以通
9、过软件编程来精确的模拟升降速曲线，并且结合当前微型计算机的强大计算功能可实现步进电机的最优化控制。 5、 步进电机的控制 如图 3 所示，通常情况下对于步进电机的控制，脉冲信号的产生作为控制步进电机的核心部分，一般由单片机和 PLC 进行控制产生脉冲信号。 图 3 步进电机的控制 5.1单片机控制 单片机控制步进电机可分为硬件设计和软件设计 1。 硬件设计的基本思路是可靠、实用以及小型化。采用 AT89C55微控制器， ATMEL公司 的单片微处理器 AT89C55WD，内部程序存储器 20K，晶振 12M，为 AT89C5X系列之一，外围电路与AT89XX系列相同，含 P0、 P1、 P2、
10、 P3四个接口 7。 4*4独立式键盘和液晶显示器直接与单片机相连接。键盘设定为功能键，设定运行、停止、复位、参数输入等功能。液晶显示相应的设定功能，在运动进行中显示设定坐标和动态坐标 8。以悬挂运动控制为设计目标，总系统设计框图。 软件部分采用插差补算法，在不同时刻输出相应频率的脉冲数来控制步进电机运动 4。 单片机控制以实际使用的 35BY型永磁步进电动机为例 5。当开机以后，步进电机不能转动；只有当按下启动键后，步进电机才能够进行旋转，并且转速为 25转 /分；当按下加 1键后，速度增加；反之按减 1键，速度降低。对于速度的控制，速度在 25 100转 /分之间。当停止键被按下时，步进电
11、机停止转动，同时，速度值显示于数码管上 6。 通过分析，可以发现软件控制主要包括步进电机驱动程序、按键程序和显示程序。对于主程序，主要用于初始化各变量，消除显示器的显示，同时对于步进电机的输出，设置为高电平。 定时器 T1的中断服务程序用于驱动步进电机的工作 7。当定时器时间到达， P1.0 P1.3依次接通。当定时器第一次进入中断后，对累加器进行累加，然后与 P1.0进行与运算，使得P1.4输出低电平；当定时器第二次进入中断后，首先进行取反操作，然后与 P1.4进行或运算，- 5 - 使得 P1.4输出变为高电平，即关断相应的线圈。如此反复，对 P1.4 P1.7进行控制，得到整个步进电机的
12、控制。 5.2 PLC控制 PLC采用了计算机的结构，主要包括输入输出电路、 CPU、存储单元等，外部的各种传感器信号、开关信号等输入至 PLC， PLC首先对该数据进行存储，随后进行各种运算，输出至步进电机进行各种控制。采用 直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环之间。由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统和稳定性较易保证。所以比闭环容易实现。但是，采用半闭环控制，调试比开环复杂，设计上也要有其特点，技术难度大。一般设计要求不高，为经济型数控改造，通常情况下均采用以步进电
13、机驱动的开环控制。开环控制具有结构简单，设计制造容易，控制精度较好，易调试，价格便宜，使用维修方便等优点。缺点是步进电机没有过载能力启动频率 低，工作频率也不高等。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济数控设备中。松下公司的 FP1性价比非常高，广泛应用于各种步进电机的控制 2。 6、 结论 随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用，并且其驱动系统也将随之发展，尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机下一阶段的发展趋势。单片机控制步进运动控制过程中，以软件算法为主体控制运动轨迹，根据
14、运动的轨迹和相应的外围要求改变单片微型控制器的选择，一般 运动控制选择 AT89系列就可满足，同样在大型控制系统中，一般都可与 MCS-51兼容，即可用嵌入式系统，在线可编程系统等。如用 UPSD系统作为微型控制器可与之兼容，并可实现在线编程。 参考文献 1余永权 ,李小青 ,陈林康 .单片机应用系统的功率接口技术 M.北京 :航空航天大学出版社 ,1992. 2白恩远 ,王俊元 .现代数控机床伺服及监测技术 M.北京 :机械工业出版社 ,1991. 3李忠杰 ,李守信 .步进电动机应用技术 M.北京 :机械工业出版社 ,1988. 4谭建成 .电动机控制专用集成电路 M.北京 :机械工业出版
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