1、毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 步进电机的控制综述 摘要： 介绍 步进电机的定义及其分类，重点介绍步进电机的控制原理，并分别分析了运用 PLC、单片机和 FPGA 控制步进电机定位的不同控制方法。简单列举了步进电机的四种位置检测方法及其步进电动机的三种常见的驱动方式。 关键词 : 步进电动机； PLC；单片机； FPGA；位置检测；光栅位置检测；微步驱动； 1 引言 随着电子信息技术的发展，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度手段的需求不断升级。步进电动机在自动化装备、办公自动化设备中有着广泛的应用 。现在步进电机多用于数控车床和机器人系统中。作为数字伺服执行原件，步
2、进电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，广泛应用于数控机床、机器人、自动化仪表等领域，特别是航空、航天、电子等领域中，要求完成的工作量大、精度高的任务 1。特别是航空、航天、电子等领域中，要求完成的工作量大、精度高的任务。对于不同类型和相数的步进电机采取不同的控制策略仍是现代研究的热点。 2 步进电动机的定义及分类 步进电机是一种将电脉冲信号转换为相应角位移或直线位移的一种开环控制特殊电动机。其工作原理为当步进驱动器接受 到一个脉冲信号，电动机就按规定方向上转动一个固定角度。 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定位的目的；
3、同时 也 可以通过控制脉冲频率来控制电 动 机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的 2。一般步进电机工作分为四个阶段，即加速、减速、低速运行直至停止 3。 从结构上分，步进电动机一般分为三种类型： 1）：反应式步进电机（ VR），这类电动机转子的结构由软磁片或钢片叠成，因此转子的惯量小，适合高速下运行 3。 2）：永磁式步进电机（ PM），它的转子采用了永 久磁铁。它 一般为两相，转矩和体积较小 。 步进角一般为 7.5 度 或 15 度 。 3）：混合式步进电机（ HB），它结合了反应式和永磁式的优点，它具有高精度、大转矩和步距小等许多优点。应用范围最为广。 3 步进电机的控制原理 3.1
4、 PLC 控制步进电机定位系统 步进电机的控制分为开环控制和闭环控制。开环和闭环控制的差别在于保持恒定的变量不同。在开环控制中电动机的转速是由控制脉冲的频率决定。电动机的超前角一直在自动调节中，直到电动机的电磁力矩和负载转矩相平衡。而闭环控制，超前角由控制器根据转矩大小及其负载的情况给定的 4。 PLC 采用循环扫描的方式，由 PLC 产生频率可变的脉冲信号，环形分配器把脉冲输入按一定规律分配给步进给步进电机功率放大器，控制励磁绕组的导通或截止，从而驱动步进电机运行 5。对步进电机的控制可以从三方面进行控制， （ 1）：转速控制，速度的大小与输入脉冲的频率成正比。 （ 2）：转向控制，步进电机
5、的转向与输入给各项绕组脉冲的先后次序有关，例如对于三相三拍步进电机的控制来讲，电机正向旋转时脉冲的顺序为 A-B-C-A,逆向旋转时提供脉冲顺序为 C-B-A-C,通过 PLC 输出脉冲顺序，实现步进电机转向的改变 6。 （ 3）：步进控制，每输入一个脉冲就前进一步，输出角位移与输入脉冲数成正比。 采用 PLC实现步进电机位置控制的方法，较传统的步进电机控制方式而言，可以大大减少系统设计的工作量，而且不存在各部分接口信号的 pE配问题，从而提高系统的可靠性。 3.2 单片机控制步进电机定位系统 随着 IT技术的飞速发展，单片机技术也愈发的成熟，因此单片机软件设计步进电机定位系统也越发受到人们的
6、青睐。该系统采用 C语言对单片机进行程序设计，首先对系统软件进行参数设置，根据所选步进电机的参数，设定转动角度和步数的关系。再设置外部控制信号 与电机转动具体位置的关系。为了区分不同初始位置，便于程序设计，还应设置电机位置的标志参数。 控制软件设计的具体设计包括两个主要方面；步进电机转动速度的控制和步进电机定位的控制。转动速度的控制可以通过单片机的定时计数器产生的脉冲信号的输出触发单片机的外部中断源，从而控制步进电机驱动信号的输出。定位控制可通过初始位置和目的位置的判断，结合单片机之前设置的控制信号参数，对照步进电机控制信号与目的位置关系表，使电机达到目的位置 7。 3.3 FPGA芯片实现步
7、进电机定位控制 该方法采用模块设计的方法，其中 重点模块为定位控制驱动模块，通过对 FPGA芯片编写 VHDL程序实现对步进电机的控制功能。该模块分为数据接收、分频、调速、定位及译码。采用 DDS原理相位累加部分用于产生控制步进电机转速控制的脉冲分配。用计数器来实现步进电机运转设定的步数。利用 FPGA芯片基于硬件的编程语言和精确的时间控制特点，准确地实现了精确定位的功能，并且利用直接频率合成理论中相位累加器的原理实现了对步进电机的运行速度的精确控制 8。 4 步进电机的位置检测 位置检测是定位系统中的重要环节。传统的位置传感器如光电编码器等，具有成本高、 安装困难等众多弊端。因此采用其他方法
8、获得转子的位置信息一直是现在研究的热点。现在可以通过绕组的反电动势、电感、增量电感或磁量来进行位置检测。 1）：反电动势法位置检测。已知绕组参数上的电感和电阻值，并测绕组端的电压和电流值，就可以通过列绕组方程解算出反电动势，进而查表或计算得到转子的位置信息 9。也可以过测量电流的上升或下降时间，就可以得到相绕组电流的变化率，然后查表或计算得到电动机的位置角。这种方法的缺点是由于依赖于电动机本身的参数，因此电动机的非线性使检测的精度难以保证。电动机静止时无法检测，低速时检 测精度不高。 2）：磁链法位置检测。采用与反电动势法相同的方法来得到绕组电流的变化率，计算得到电阻增量，进而得到磁链，然后同
9、样通过查表获得相应的位置信息。这种方法也依赖于 电动机的参数，因此精度也不高。 3）：电感法位置检测。通过检测外加的高频脉冲子未通电相中带来的电流变化得到绕组电感，然后计算出得到相应位置信息。也可以通过高频调制的方法得到电感值。这种方法不适用于高速检测。 4）：光栅位置检测。光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史。它是闭环系统中用的最多的检测装置。由光源、聚光镜、标尺光栅、指示 光栅和硅光电池组成。该检测方式是根据莫尔条纹通过两缝隙的时间不同，而导致光元件产生两个电信信号的的相位不同来判断运动方向。该检测方法的特点为测量精度较高，可实现动态检测，抗干扰力强，但是怕振动，且高精度的光栅制
10、造成本高 10。 5 步进电动机的驱动 步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用步进电动机驱动器。步进电动机的驱动电路一般有变频信号源、脉冲分配器、脉冲放大器等部分组成。下面着重介绍三种步进电动机的驱动方法。 1)：恒相流驱动。它的控制原理是通过控制主电路中 MOSFET 的导通时间，即调节 MOSFET 触发信号的脉冲宽度，来达到控制输出驱动电压进而控制电动机绕组电流的目的。具体来说，对每一相定子绕组相电流采样，得到当前绕组电流值，该值经过处理后与给定电流值比较：若当前电流值偏大，则减小该相绕组驱动电压的作用时间；反之，则增加作用时间 11。该驱动方法的优点是每项绕组单独控制，动态
11、性能，运行性能高。 2):升频升压驱动。它是最常用的开环控制方式之一。它既可以通过控制主电路的功率器件导通时间的 PWM 斩波方式 12，也可以基于电路调压的方式。 3):微步驱动。它是一种电流波形控制技术，其基 本思想史控制每相绕组电流的波形，使其阶梯上升或下降，即使定子磁场旋转过程中有了多个稳定的中间状态，对应于电动机转子旋转的步数增多、步距角减少。控制电路根据预先存储的电流给定波形和输入控制脉冲序列的状态，通过各相绕组电流的给定值与电流反馈值比较，改变主电路 MOSFET 驱动脉冲的宽度，控制相绕组电流为给定值。微步技术是步进电动机驱动技术的一次飞跃，它给产品设计带来了方便，且可以不受电
12、动机相数的限制 13。 参考文献 1 王运来 .步进电机一体化控制系统的设计 J.科技风， 2008,21:67. 2 姚 建松 .步进电机的 PLC 直接控制 J.学术论文， 1999， 3. 3 王滨生，孙晶 . PLC 在步进电机驱动系统中应用 EB/OL.2011-1-21 http:/ 3 阮友德 .PLC、变频器、触摸屏综合应用实训 M.北京： 中国电力出版社 ， 2009， 1. 4 史敬灼 .步进电动机伺服控制技术 M.北京：科学出版社， 2006,7 5 林迎春 . PLC 在步进电机伺服定位控制中的应用 EB/OL.2011-1-21 ：http:/ 6 张兴国 .可编程序
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