1、本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 步进电机控制系统设计的比较及技术前景 摘要： 随着计算机软件技术水平、网络与通信技术、自动控制技术、微电子技术、检测与传感技术等的迅速发展，计算机控制的技术不断提高。在数据采集方面，数据采集卡、仪器放大器、 数字信号处理 芯片等技术的不断升级和更新，有效地加快了数据采集的速率和效率。利用计算机控制技术，可以对现场各种设备进行远程监控，完成常 规控制技术无法完成的任务。近年来，随着计算机控制系统发展的网络化、扁平化、智能化、综合化，微型计算机控制已被广泛地应用于农业、工业、军事、精密机械加工、航空航天等各个领域。本文将着重讨论 步进电机控制系统设
2、计的比较及技术前景 。 关键词： 步进电机 ;单片机；控制电路 1、 步进电机概述 目前，最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机 1 又向以下四个方向发展： 1小型化方向发展：随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在 57、 42机座号的电动机应 用了多年后，现在其机座号向 39、 35、 30、 25方向向下延伸。瑞士 ESCAP公司最近还研制出外径仅 10mm的步进电动机。 2改圆形电动机为方形电动机：由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高
3、30 40。 3一体化设计：即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。 4向五相和三相电动机方向发展：目前广泛应用的二相和四相电动机，其旋转磁场和电 磁转矩不完全对称，振动和噪声较大，而五相和三相电动机则是完全对称的，因此更具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。 2、 步进电机控制原理 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机 2可分为反应式步
4、进电机（简称 VR）、永磁式步进电机（简称 PM）和混合式步进电机（简称 HB）。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过 输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用 3如下： (1) 控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为 A-B-C D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A,B,C， D 相的通断。 (2)控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电
5、机就反转。 (3)控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。 3、 核心控制电路 控制器主要用于传感器信号的接收与辨认，控制电机转动，显示实时角度等。 SPMC75F2413A SPMC75F2413A是凌阳科技推出的一个 16位结构的微控制器 ,通过凌阳单片机可以很方便的地实现的步进电机的控制运行。在文献 4中，作者采用凌阳 SPMC75F2413A单片机配合SLA7042M实现 2相步进电机 的微步距控制，可以使步进电机按一定的速度、方向、步距数运行。
6、通过使用直线双步脉冲增量算法，实现了三轴联动。并且经过验证该算法和传统的逐点比较法、数字积分法等相比较，优势十分明显，效率和精度都有很大的提高，理论误差不超过 0.707。 MSP430F149 在文献 5中，作者提出采用 MSP430F149 单片机的步进电机控制系统的设计，还描述了该系统的硬件配置和工作原理。在软件部分， MSP430系列单片机可以利用 Workbench,直接下载至片内 Flash内存，脱机运行。采用把所有相关文件放在一个项目里，进行 组织，在编译运行时，软件会自动联系自动组合在一起，支持 C语言，同时完成的五相步进电机控制模块， 外围器件少，性价比高，不需扩展存储器 ,
7、满足了系统对五相步进电机的各种控制要求。 SPCE061A 凌阳 16位单片机 SPCE061A6作为控制核心，可以实现数据的高速处理，可以更好地满足本设计对数据的处理速度要求。独特的语音功能可使本系统具有更好地人机交互界面 . 有很多方法可以实现步进电机的远程控制，在外文文献 7中，作者 展现了如何利用微芯片公司生产的一个 PIC18F425单片机和一个 ENC28J60独立以 太网控制器在完成对步进电机的远程控制。作者认为，在 DIP（双列直插式封装）格式中使用单片机是个不错的选择，因为单片机的价格低而且它有性能良好的 RISC中央处理器。 它有 8位架构， 闪存 程序存储器类型， 32字
8、节， 16千字， self-write能力， 36个输入 /输出端口， 10位模拟数字转换， 2个比较器， 4个定时器， SPI（串行外围接口），最大速度 40MHz。该单片机装有用 C编写的程序而且有以下任务： 通过 SPI串行外设接口从 ENC28J60缓冲区中读取数据包并译码，监督ENC28J60发送的压缩数据，从静态换流器命令 晶体管的状态，和直接从光学传感器接收反馈 8,9。 4、 传感器模块 MMA7455 加 速度传感 器 10。可将 MMA7455 加 速度传感器 固定在平板下方， 让加速度传感器得到的加速度值 ， 通过 PID 算法控制步进电机 ，使得平板上物体有其额定方向的
9、加速度，实现系统平衡。 凌阳公司的 629H436B 芯片的角度传感器模块。该模组可以使用单轴测量 2 个面的倾角 60及使用双轴测量 1 个面内的 0360的倾角。 5、 步进电机驱动电路 使用多个功率放大器件驱动电机，通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放 大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号 11分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。 使用 L298N 芯片驱动电机 12,13， L298N 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可
10、达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。 6、 总结 步进电机经过几十年的发展， 步进电动机的驱动控制技术也在不断解决问题、不断 提高性能的过程中日益发展。步进电机 已成为除直流电动机和交流电动机以外的应用最广泛的第三类电动机特别是在一些功率相当小的系统中，步进电机更具有无可替代的主流地位。研究方向有：电机与驱动的一体化，使步进电机体积更小巧、性能更优越，性价比更高，在大量的民用设备中批量化使用，如家庭机器人、民用智能化设备等；在功率或机座号相对较大的步进电动机中，与属于 BII)CM(稀土永磁无刷直流电机 )14,15的交流
11、伺服电动机系统会合，形成一种新的“步进伺服电动机”或“伺服步进电动机”，在克服低频振荡、高频过载能力小、快速性 不足和效率低等方面取得突破性进展，从而在现代军事、精密机械加工、航空航天等领域中更深入地应用 参考文献 1郑则炯 ,基于 DECO 指令对三相步进电机实现三相六拍的设计 J.大众科技 ,2010(2). 2史水娥 .杨豪强 .秦鑫基于单片机的 UHF 电调滤波器的实时调谐设计 J.河南师范大学学报（自然科学版） ,2009(5). 3孙攀军 . 基于凌阳 SPMC75 的步进电机位移检测系统设计 J.太原科技大学 ,2010. 4李景涛 ,韩英 .基于 SPMC75F2413A 单片
12、机的步进电机加减速控制 J.2010,18(4). 5敬岚，朱海君，张硕成 . 步进电机控制系统的设计及其应用 M.核技术 ,2005,28(6). 6晏英俊 .张自强基于 STM32 的步进电机转速控制实验设计 J.实验室科学 ,2010(6). 7Control and Monitoring of a Stepper Motorthrough a Local Area Network 8陈桂顺 ,包晔峰 ,单明东 ,蒋永锋 . 基于 PIC 单片机的步进电机运动控制器 J.电焊机 ,2011,41(4). 9科雷德斯 (香港 )精密技研 .步进电动机发展趋势 M.2008. 10王京京 ,
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