第13章步进电动机传动控制系统
教学内容
13.1 步进电动机
13.2 步进电动机的环形分配器
13.3 步进电动机的驱动电路
13.4 步进电动机的运行特性及选用中应注意的问题
教学安排
本章安排2个学时，采用多媒体授课。
知识点及其基本要求
1．掌握步进电动机步矩角和步进电动机转速的数学表达式及其物理意义；
2．掌握步进电动机的结构、运行特性及影响因素。
重点和难点
重点
掌握步进电动机的通电方式和主要性能指标。
难点
步进电动机的矩角特性和矩频特性。
教学设计
1.了解步进电动机的结构和工作原理，掌握步进电动机的通电方式和求解步距角与转速的公式。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移
或线位移的机电执行元件。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。
(1)步进电动机的结构
右图所示为一台三相反应式步进电动机的
结构示意图，定子有6个磁极，每两个相对
的磁极上绕有一相控制绕组。转子上装有四个
凸齿。
图13-1 步进电动机结构图
（2）步进电动机的基本工作原理
步进电机的工作原理同电磁铁的工作原理，磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点。
图13-2 三相反应式步进电动机的工作原理图
通电顺序A-B-C-A，转子便按顺时针方向一步步转动。每换接一次，转子前进一个步距角。通电顺序改为A-C-B-A便可反向旋转。
（3）步进电机的通电方式
三相单三拍
通电顺序：A-B-C-A或A-C-B-A，步距角30度（齿距90度）
特点：每次只有一相控制绕组通电吸引转子，易引起在平衡位置振荡，稳定性差，绕组通电换极时易失步。
双三拍
通电顺序：AB-BC-CA-AB或反过来，步距角30度（齿距90度）
特点：始终有两相通电，感应力矩大，静态误差小，定位精度高，工作稳定，不易失步。
三相六拍
通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A步，距角15度（齿距90度）或A-AB-B-BC-C-CA-A
特点：单、双相轮流通电，通电状态增加一倍、步距角减少一半，但具有双三拍的特点。
（4）小步距角步进电动机
步距角步进电机的一般要求:转子齿数Z必须满足当一相磁极下定子与转子齿数相对时,下一磁极下定子与转子齿的位置错开齿距的1/m,m为相数。
图13-3 定子、转子展开图
齿距：τ=360°/z (z:齿数)
步距角：每通电一次（运行一拍）转子转过的角度,故步距角为:
k:状态系数，相邻两次通电的相数相同为1,不同为2。
当定子控制绕组按着一定顺序不断轮流通电时,步进电动机就持续不断地旋转,如果电脉
注意：步进电动机的转子齿数Z和定子相数（或运行拍数）愈多，则步距角愈小，控制越精确。
（5）步进电动机的分类
步进电机按工作原理分为：
激磁式：定转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动
反应式：转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动
混合式：转子上置有磁钢，具有驱动电流小、效率高、过载能力强等优点
步进电机按输出转矩大小分：
快速步进电机：输出转矩较小，一般0.07NM——4NM
功率步进电机：输出转矩较大，一般5NM——40NM
此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。一般：相数m↑→电源复杂程度↑→成本↑
按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。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。
2．了解步进电动机的矩角特性和矩频特性，掌握步进电动机的主要性能指标。
（1）步进电机的矩角特性
图13-4 步进电动机的矩角特性
图13-5 脉冲信号的畸变
矩角特性反映步进电动机电磁转矩随偏转角的变化关
系，从图可见：
θe=π/2时，有Tsmax
注意几个概念：
初始平衡位置：空载时控制绕组通以直流电时，转子
的最后稳定位置。
失调角θe ：转子偏离平衡位置的电角度。（空间角θ=Z
θe ）
矩角特性:在单脉冲且电流不变时的Ts=f(θe)。
静稳定区：当失调角在-π～＋π范围内时，若去负载，转子仍能回到稳定平衡位置，故称此区域为静态稳定区。
最大静转矩TSmax ：对应某个失调角，静转矩最大，称最大静转矩TSmax 。
自锁定位能力：当控制脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组通以直流电时，电动机转子可以保持在固定位置上。
（2）步进电机的矩频特性
矩频特性:动态转矩与脉冲的关系。
特性:：动态转矩随脉冲频率的升高而降低,对于某一频
率,只有当负载转矩小于在该频率下的最大动态转矩,
电动机才能正常运行。
步进电动机的控制特点：
★ 不受电压波动、负载变化的影响（在允许范围内），
不受环境（温度、压力、冲击、振动等）的影响。
★ 可进行两类控制： ★ 角度控制（通过丝杠螺母可变成直线控制）：角位移∝脉冲数。
★ 速度控制：速度∝脉冲频率（可无限调速）。
e T T θsin m ax -=
（3）步进电动机的主要性能指标
①步距角β：
我国的系列范围：0.36°～90°；
常用系列:7.5°/15°3°/6° 1.5°/3°0.9°/1.8 0.75°/1.5°0.6°/1.2°0.36°/0.72°一般要求:β≤iθmin
i--传动比
θmin—负载轴要求的最小位移增量，即一个脉冲当量对应负载轴转过的角度
当步进电动机通过丝杠转换为直线运动时：
b：脉冲当量，即每一个脉冲（步）直线移动的距离（mm/步）
i：传动比；
L：丝杠螺距（导程）。
例1：某工作台用步进电动机传动，L=6，脉冲当量要求为b=0.1mm/步，试确定步距角β与传动比i。
解：取β=3°则
若取β=6°则
i=1 说明直接用步进电动机传动即可。
②最大静转矩Tsmax：
要求：TL=（0.3～0.5）Tsmax 或
此外，为保证系统正常启动，还须保证：
Tst ＞TLmax
Tst：步进电动机的启动转矩；
TLmax：最大静负载转矩。
工程计算时通常取Tst =TLmax/（0.3～0.5）
③静态步距误差△β：
指步进电动机空载时，每步实际走过的角度与理论步距角之差。
要求：△β≤i（△βL）
△βL ：负载轴上允许的角度误差。
④启动频率和运行频率：
失步：指丢步或越步。丢步指转子前进的步数少于脉冲数；越步指转子前进的步数多于脉冲数。
启动频率：在一定负载下能够不失步地启动的最高脉冲频率。
（注意：TL ↑→fst ↓，选步进电动机时要考虑）
运行频率（最大工作频率）：当运行频率连续上升时，步进电动机能不失步而正常运行的最高频率。
通常 fc ＞ fst
（4）使用步进电机的注意事项
★ 驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极大，使用时要特别注意，需根据运
行要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足步进电动机的运行性能。
★ 若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后再上升到工作频率，停车时也应从
工作频率下降到适当频率再停车。
★ 在工作过程中，就尽量避免由于负载突变而引起的误差。
★ 若在工作中发生失步现象，首先，应检查负载是否过大，电源电压是否正常，再检查驱
动电源输出波形是否正常，在处理问题时不应随意变换元件。
例2一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉冲源频率为600Hz ，求：
(1)写出一个循环的通电程序;
(2)求步进电动机步距角;
(3)求步进电动机转速 n;
解 (1)脉冲分配方式有两种：
例3 若一台 BF 系列四相反应式步进电动机，其步座角为 1.80/0.90。试问：
(1)1.80/0.90表示什么意思?
(2)转于齿数为多少?
(3)写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。
(4)在A 相测得频率为400Hz 时，其每分钟的转速为多少?
工作频率启动频率制动频率（与启动频率相同）连续运行频率（简称运行频率）f e
空载f ost 额定f st {
{()()0
005.13240/3603602=??==ZKm β()min /150324060060603r ZKm f n =???==
第十一章步进电动机传动控制系统 11.1 步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续地发给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。 图11.1 步进电动机实物图 步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，运行中无累积误差。 步进电机能方便地实现正、反转和调速、定位控制。特别是不需位置传感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。因此，步进电动机广泛应用在数字控制的各个领域。如各种数控机械、办公自动化产品、工厂自动化机器、计算机外设等。 步进电动机的缺点是不能达到很高的转速（一般小于1000到2000转/min）。存在低频振荡、高频失步等缺陷。另外，步进电机自身的噪声和振动较大。 一、步进电动机的工作原理 步进电动机的种类很多，按工作原理分，有反应式（Variable-reluctance）、永磁式（Permanent-magnet）、混合式（Hybrid）三种。按输出转矩大小分，有快速步进电机、功率步进电机。按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。 步进电动机的结构形式虽然繁多，但工作原理基本相同，下面仅以三相反应式步进电动机为例说明之。
如图11.2所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图。和一般旋转电动机一样， 步进电机也分为定子和转子两大部分。定子部分由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成。定子铁心是由硅钢片叠压而成的有齿的圆环状铁心。图中定子有6个磁极，每对磁极上绕有励 磁绕组，由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。如图所示。 转子部分由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心。图中转子上有4个凸齿。 若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相应的方式转动。其转动原理其实就是电磁铁的工作原理 。 比如，给A 相绕组通电时，转子位置如图（a ），转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁 磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。 A'A K1K2K3 B'C' B C
几种典型的步进电机闭环控制系统 工业大学 【摘要】系统阐述了步进电动机闭环控制系统的优点，给出了几种典型的闭环控制系统，并提出了步进电动机高精度定位系统的设计思想。 【叙词】步进电机闭环系统／高精度定位 l概述 步进电机是机电一体化产品中的关键元件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。它能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移，是一种离散型自动化执行元件。随着计算机控制系统的发展，步进电动机广泛应用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其它自动化系统中，是高科技发展的一个重要环节。 2步进电动机闭环系统与开环系统比较[1- 步进电机的主要优点之一是适于开环控制。在开环控制下，步进电动机受具有予定时间间隔的脉冲序列所控制，控制系统中无需反馈传感器和相应的电子线路。这种线路具有简单、费用低的特点，使步进电动机的开环控制系统得以广泛的应用。 但是，步进电机的开环控制无法避免步进电动机本身所固有的缺点，即共振、振荡、失步和难以实现高速。另一方面，开环控制的步进电动机系统的精度要高于分级是很困难的，其定位精度比较低。因此，在精度和稳定性标准要求比较高的系统中，就必须果用闭环控制系统。 步进电动机的闭环控制是采用位置反馈和（或）速度反馈来确定与转子位置相适应的相位转换，可大大改进步进电动机的性能。 在闭环控制的步进电机系统中，或可在具有给定精确度下跟踪和反馈时，扩大工作速度围，或可在给定速度下提高跟踪和定位精度，或可得到极限速度指标和极限精度指标。步进电动机的闭环控制性能与开环控制性能相比，具有如下优点： a．随着输出转矩的增加，二者的速度均以非线性形式下降，但是，闭环控制提高了矩频特性。 b．闭环控制下，输出功率／转矩曲线得以提高，原因是，闭环下，电机励磁转换是以转子位置信息为基础的，电流值决定于电机负载，因此，即使在低速度围，电流也能够充分转换成转矩。 c．闭环控制下，效率一转矩曲线提高。 d．采用闭环控制，可得到比开环控制更高的运行速度，更稳定、更光滑的转速。 e.利用闭环控制，步进电动机可自动地、有效地被加速和减速。 f．闭环控制相对开环控制在快速性方面提高的定量评价，可借助比较Ⅳ步通过某个路径间隔的时间得出： 式中n-步进电动机转换拍数(N>n) g．应用闭环驱动，效率可增到7.8倍，输出功率可增到3.3倍，速度可增到3.6倍。 闭环驱动的步进电机的性能在所有方面均优于开环驱动的步进电动机。步进电机闭环驱动具有步进电动机开环驱动和直流无刷伺服电机的优点。因此，在可靠性要求很高的位置控
四相步进电机控制系 统设计
课题：四相五线单4拍步进制电动机的正反转控制专业：机械电子工程 班级：2班 学号： 20110259 姓名：周后银 指导教师：李立成 设计日期： 2014.6.9~2014.6.20 成绩：
1概述 本实验旨在通过控制STC89C52芯片，实现对四相步进电机的转动控制。具体功能主要是控制电机正转10s、反转10s，连续运行1分钟，并用1602液晶显示屏显示出来。 具体工作过程是：给系统上电后，按下启动开关，步进电机按照预先 实验具体用到的仪器：STC89C52芯片、开关单元、四项步进电机、等硬件设 备。 实验具体电路单元有：单片机最小系统、步进电机连接电路、开关连接电路、1602液晶显示屏显示电路。 2四相步进电机 2.1步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。 2.2步进电机的控制 1.换相顺序控制：通电换相这一过程称为脉冲分配。 2.控制步进电机的转向控制：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，则电机就反转。
3.控制步进电机的速度控制：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。 2.3步进电机的驱动模块 ABCD四相工作指示灯指示四相五线步进电机的工作状态 2.4步进电机的工作过程 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、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，
步进电动机的工作原理及特点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，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 1 步进电机概述 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 2国外的研究概况 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如、、、、都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。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。国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
电力传动控制系统——运动控制系统 （习题解答） 第 1 章电力传动控制系统的基本结构与组成.......... 第 2 章电力传动系统的模型................. 第 3 章直流传动控制系统................... 第 4 章交流传动控制系统................... 第 5 章电力传动控制系统的分析与设计* ............ 错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签
第1章电力传动控制系统的基本结构与组成 1.根据电力传动控制系统的基本结构，简述电力传动控制系统的基本原理和共性问题。 答：电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式，由于电力传输和变换的便利，使电力传动成为现代生产机械的主要动力装置。电力传动控制系统的基本结构如图1-1所示，一般由电源、变流器、电动机、控制器、传感器和生产机械（负载）组成。 控制指令 图1-1电力传动控制系统的基本结构 电力传动控制系统的基本工作原理是，根据输入的控制指令（比如：速度或位置指令），与传感器采集的系统检测信号（速度、位置、电流和电压等），经过一定的处理给出相应的反馈控制信号，控制器按一定的控制算法或策略输出相应的控制信号，控制变流器改变输入到电动机的电源电压、频率等，使电动机改变转速或位置，再由电动机驱动生产机械按照相应的控制要求运动，故又称为运动控制系统。 虽然电力传动控制系统种类繁多，但根据图1-1所示的系统基本结构，可以归纳出研发或应用电力传动控制系统所需解决的共性问题： 1）电动机的选择。电力传动系统能否经济可靠地运行，正确选择驱动生产 机械运动的电动机至关重要。应根据生产工艺和设备对驱动的要求，选择合适的电动机的种类及额定参数、绝缘等级等，然后通过分析电动机的发热和冷却、工作制、过载能力等进行电动机容量的校验。 2）变流技术研究。电动机的控制是通过改变其供电电源来实现的，如直流 电动机的正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压的方向，而调速需要改变电 枢电压或励磁电流的大小；交流电动机的调速需要改变其电源的电压和频率等，因此，变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。 3）系统的状态检测方法。状态检测是构成系统反馈的关键，根据反馈控制 原理，需要实时检测电力传动控制系统的各种状态，如电压、电流、频率、相位、 磁链、转矩、转速或位置等。因此，研究系统状态检测和观测方法是提高其控制
《机电传动控制》课程总复习2016 一、选择题 1、电动机所产生的转矩在任何情况下，总是由轴上的负载转矩和_________之和所平衡。 （ D ）A．静态转矩B．加速转矩C．减速转矩D．动态转矩 2、机电传动系统稳定工作时中如果T M>T L，电动机旋转方向与T M相同，转速将产生的变化是。（ B ）A．减速B．加速 C．匀速D．停止 3、机电传动系统中如果T M 步进电机自动控制系统 设计内容 设计用P C机对四相步进电机，方向，步数及自动化控制系统，并编写汇编程序实现相应轻能。 设计要求 （1）设计控制系统硬件电机。 （2）由8255键盘控制电机的方向，走的步数,并由数码管显示相应的参数。 （3）在命令执行结束后，由PC内部扬声器发出信号提示。 设备与器材 PC机一台，TPC－1实验台一个，并行接口8255一片，步进电机一个，LED数码管4个，74ls164按键11个，GAL芯片一个，74LS245一片。 硬件方案 硬件共分成5个模块：①译码驱动电路，②8255控制键盘模块③8255LED显示模块，④步电机驱动模块，⑤步进电机模块 a) 译码驱动电路 方案一使用适当的门电路来实现不同地址的，用74LS245做数据驱动，缺点： 由于只使用门电路，电路连线非常复杂 方案二使用76LS138和适当门电路实现译码，相对于方案一电路复杂度有一定的改观，在TPC实验箱上使用这种译码方案 方案三使用可编程逻辑器件GAL16V8实现译码功能，用GAL优点：成本低，电路连线少。本设计选择这个方案来实现译码功能。 a)键盘模块 方案一用8255 12个口直接接按键，此方法成本高，不使用行列法，浪费端口，如用行列法只用7个端口。 方案二使用2个74LS273或74LS373控制键盘，其中一个控制行，273反向从键盘中读数据，另一个控制列选，273正向向键盘发数据。 方案三使用7281芯片同时控制键盘和数码，7281通过串行口和总线通信，端口使用少，且操作方便。 方案四PC0~4，PB0~4分别控制16个按键。由于本模块技术已经成熟，在应用中广泛使用，所以本设计选择此方案来实现。 c) LED数码管显示模块 方案一74LS138一片，ULN2803A一片和74HC573一片，来实现显示，74LS138译 码送UNL2083A通过UNL2083A控制位，通过74HC573控制数据，本方案，成本较高，要单片机中有使用比较多。 方案二使用一片8255A控制两个74HC573和一个正相驱动器74LS07和一个反相驱 动器74LS06分别控制4个LED位选和编码数据传输。此方案用到了8255A由于模块②中用到的8255A3个口都以使用，再用一个8255A成本比较高。 方案三通过一个片信号，两个74HC373和一个正相驱动器74LS06和一个反相驱动 器74LS07分别控制3个LED位选和编码数据传输。此方案成本低，但是软件实现的点复杂。 方案四使用4个74HC373和控制4个LED编码数据，用8255A PC高位和总线片选信号控制数据输入位选，由于是静态显示，一般用于1个或2个数码管的显示。 方案五使用4个74LS164，通过串行移位来实现LED显示。成本不高，使用端口少，可以直接通过8255PC7和PB7口，一个做为移位控制，一个送数据。本设计使用此方案 d) 步进电机驱动模块 步进电动机的结构与工作原理 步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。 步进电动机 步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。 步进电动机的特点： (1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。 步进电动机的种类 根据励磁式方式的不同分为：反应式、永磁式和混合式（又叫感应子式）三种。反应式步进电机的应用较多。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。 图7-20 （a）三相反应式步进电动机工作原理图 A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。 A 相通电使转子1、3齿和AA' 对齐。 图7-20 （b）三相反应式步进电动机工作原理图 同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30； 图7-20 （c）三相反应式步进电动机工作原理图 最后，C相通电，转子1、3齿和C相轴线对齐，相对B相通电比较，转子再次转动30。 步进电动机的结构 步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极。 步进电动机结构简图 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。 注意：这里的相和交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。 平顶山学院 补考 课程：交流传动控制系统(专升本)总时长：120分钟 1. (单选题) 我国铁路的供电方式为( )(本题 2.0分) A. 15KV16.67HZ B. 1500V直流 C. 25KV50HZ D. 3000V直流 答案: C 解析: 无 2. (单选题) 两电平牵引逆变器由几相组成( )(本题2.0分) A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 答案: C 解析: 无 3. (单选题) 两电平牵引逆变器输出线电压由几个电平组成( )(本题2.0分) A. 2 B. 3 C. 4 D. 5 答案: B 解析: 无 4. (单选题) 在恒力矩控制时,一般控制电机的气隙磁通为( )(本题2.0分) A. 与电机转速成正比 B. 恒定 C. 与供电频率成正比 D. 与电机转速成反比 答案: B 解析: 无 5. (单选题) 高速列车牵引传动系统属于( )(本题2.0分) A. 交-直-交传动 B. 直-交传动 C. 交-直传动 D. 交-交传动 答案: A 解析: 无 6. (单选题) 恒功率控制时,当转差频率不变时,电压( )(本题2.0分) A. 不变 B. 与频率正比递增 C. 与频率平方根值正比递增 D. 与频率平方正比 答案: B 解析: 无 7. (单选题) 变频调速运行时,电机转子漏抗( )(本题2.0分) A. 与供电频率成正比 B. 恒定 C. 与供电频率成反比 D. 与供电频率平方成正比 答案: A 解析: 无 8. (单选题) 异步牵引电机牵引工况运行时,供电频率与转子频率的关系为( )。(本题2.0分) A. 大于 B. 等于 C. 小于 D. 小于等于 答案: A 解析: 无 目录 1 概述 (1) 1.1 PLC控制步进电机研究的意义 (1) 2 基于PLC的步进电机控制系统设计 (9) 2.1 系统的组成及功能 (9) 2.2 步进电机特性 (9) 2.3 PLC介绍 (12) 2.4 步进电机控制系统程序设计 (13) 3 磁头定位 (20) 3.1 硬盘工作原理 (20) 3.2 磁头及定位系统 (23) 4 难题及解决过程 (24) 5 结论 (25) 结束语 (28) 致谢 (29) 参考文献 (30) 附录A (31) 1 概述 1.1 PLC控制步进电机研究的意义 基于步进电动机良好的控制和准确定位特性，被广泛应用在精确定位方面，诸如数控机床、绘图机、扎钢机、自动控制计算装置、自动记录仪表等自动控制领域。 PLC作为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂，价格便宜，可现场修改程序，体积小、硬件维护方便，价格便宜等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。因此，通过研究用PLC来控制步进电动机的，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。以往的步进电动机需要靠驱动器来控制，随着技术的不断发展完善，PLC具有了通过自身输出脉冲直接步进电动机的功能，这样就有利于步进电动机的精确控制。本课题《基于PLC的步进电机磁头定位系统设计》就是利用PLC控制步进电机在硬盘工作时磁头定位的研究。 1.2 国内外关于步进电机和PLC的应用状况 1.2.1 步进电机方面 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。控制涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前，国内生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只有一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，选用步进电机时应该十分注意以下一些指标。 （1）步进电机的静态指标术语 相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB， 本科毕业设计 基于单片机的步进电机控制系统的设计 摘要 随着自动控制系统的发展和对高精度控制的要求，步进电机在自动化控制中扮演着越来越重要的角色，区别于普通的直流电机和交流电机，步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为控制执行元件，是机电一体化的关键组成之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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。 本系统介绍了一种基于单片机的步进电机控制系统的设计，包括了硬件设计和软件设计两部分。其中，硬件设计包括单片机最小系统、键盘控制模块、LCD显示模块、步进电机驱动模块、位置检测模块共5个功能模块的设计。系统软件设计采用C语言编写，包括主程序、数字键处理程序、功能键处理程序、电机驱动处理程序、显示模块、位置采集模块。 本设计采用STC89C52单片机作为主控制器，4*4矩阵键盘作为输入，LCD1602液晶作为显示，ULN2003A芯片驱动步进电机。系统具有良好的操作界面，键盘输入步进电机的运行距离；步进电机能以不同的速度运行，可以在不超过最大转速内准确运行到任意设定的位置，可调性较强；显示设定的运行距离和实际运行距离；方便操作者使用。关键词：单片机步进电机液晶显示键盘驱动 Design of the Stepping Motor Control System Based on SCM Qiu Haizhao (College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China) Abstract:With the development of automatic control system and the requirements of high-precision control, stepping motor control in automation is playing an increasingly important role, different from the common DC and AC motor, stepper motor rotation angle and rotational speed can be high-precision controlled. Stepper motor as a control actuator is a key component of mechanical and electrical integration, widely used in a variety of automated control systems and precision machinery and other fields. Stepper motor is the open-loop control components changing electric pulse signals into angular displacement or linear displacement .In the case of non-overloaded, the motor speed, stop position depends only on the pulse frequency and pulse number, regardless of load changes, that is, to add a pulse motor, the motor is turned a step angle. This system introduces a design of stepper motor control system based on single chip microcomputer, including hardware design and software design in two parts. Among them, the hardware design, including single chip minimal system, keyboard control module, LCD display module, the stepper motor drive module, position detection module five functional modules. System software design using C language, including the main program, process number keys, the key of function processes, motor driver handler, the display module, position acquisition module. This design uses STC89C52 microcontroller as the main controller, 4 * 4 matrix keyboard as an input, LCD1602 LCD as a display, ULN2003A chip as stepper motor driver. System has a good user interface, keyboard input stepper motor running distance; Stepper motor can run at different speed, and run to any given position accurately in any speed without exceeding the maximum speed, with a strong adjustable ; Display the running distance and the actual running distance, which is more convenient for the operator to use. Key words: SCM stepper LCD keyboard driver 文献综述 电气工程及其自动化 步进电动机的微机控制 前言：进电动机属于DC驱动的同步电动机，它是纯粹的数字控制电动机。它是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展推动了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。 步进电动机系统是由步进电动机及其驱动控制电路构成的。近二十年来,电力电子技术、微电子技术和微处理器技术的飞速发展，极大地推动了步进电动机驱动控制技术的进步，并使之在不断完善中趋于成熟。步进电动机驱动控制技术的发展，在使得步进电动机系统获得更加广泛应用的同时，也使得步进电动机与其驱动电路装置日益成为不可分割的一个整体。步进电动机驱动电路的合理设计与改进，需要对步进电动机运行机理和具体结构设计的透彻了解与深入分析。同时，步进电动机系统的性能和运行品质在很大程度上取决于其驱动电路的结构与性能，同一台电动机配以不同类型的驱动电路，其性能会有较大差异。抛开驱动电路来谈步进电动机的性能是不完全的。 步进电动机主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表、和磁盘等等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备如打印机、绘图机等中亦有应用。 正文：国内外关于步进电动机的研究主要在它本身的性能提高，应用领域的不断拓广，电动机外形的改变和不同的更先进的控制方式。 1、步进电动机的发展历史与概要。 步进电动机的发展过程 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用、其原始模型起源于1830年至1860年间。1870午前后开始以控制为目的的尝试、应用于氮弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电动机。 此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞 第13章步进电动机传动控制系统 教学内容 13.1 步进电动机 13.2 步进电动机的环形分配器 13.3 步进电动机的驱动电路 13.4 步进电动机的运行特性及选用中应注意的问题 教学安排 本章安排2个学时，采用多媒体授课。 知识点及其基本要求 1．掌握步进电动机步矩角和步进电动机转速的数学表达式及其物理意义； 2．掌握步进电动机的结构、运行特性及影响因素。 重点和难点 重点 掌握步进电动机的通电方式和主要性能指标。 难点 步进电动机的矩角特性和矩频特性。 教学设计 1.了解步进电动机的结构和工作原理，掌握步进电动机的通电方式和求解步距角与转速的公式。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移 或线位移的机电执行元件。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。 (1)步进电动机的结构 右图所示为一台三相反应式步进电动机的 结构示意图，定子有6个磁极，每两个相对 的磁极上绕有一相控制绕组。转子上装有四个 凸齿。 图13-1 步进电动机结构图 （2）步进电动机的基本工作原理 步进电机的工作原理同电磁铁的工作原理，磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点。 图13-2 三相反应式步进电动机的工作原理图 通电顺序A-B-C-A，转子便按顺时针方向一步步转动。每换接一次，转子前进一个步距角。通电顺序改为A-C-B-A便可反向旋转。 （3）步进电机的通电方式 三相单三拍 通电顺序：A-B-C-A或A-C-B-A，步距角30度（齿距90度） 特点：每次只有一相控制绕组通电吸引转子，易引起在平衡位置振荡，稳定性差，绕组通电换极时易失步。 双三拍 通电顺序：AB-BC-CA-AB或反过来，步距角30度（齿距90度） 特点：始终有两相通电，感应力矩大，静态误差小，定位精度高，工作稳定，不易失步。 三相六拍 通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A步，距角15度（齿距90度）或A-AB-B-BC-C-CA-A 特点：单、双相轮流通电，通电状态增加一倍、步距角减少一半，但具有双三拍的特点。 （4）小步距角步进电动机 步距角步进电机的一般要求:转子齿数Z必须满足当一相磁极下定子与转子齿数相对时,下一磁极下定子与转子齿的位置错开齿距的1/m,m为相数。 机电传动控制复习提纲 第一章机电传动的动力学基础 1.机电传动运动方程的几种形式 2.1、2.2、2.3题 2.飞轮矩、转动惯量的折算 2.7、2.8 3.机电传动系统稳定平衡点的判断 2.11 第三章直流电机的工作原理与特性 1.基本方程 电动势方程：E k e n 电磁转矩方程：T k t I a 电枢回路电动势平衡方程：U E I aR 2.固有机械特性与人为机械特性（电枢串接电阻、改变电枢电压、改变磁通）的曲线与特点 3.计算题类型：3.10、3.15；分析题类型：3.21 第四章机电传动系统的过渡过程（略） 第五章交流电动机的工作原理及特性 1.固有机械特性（式5.27）与人为机械特性（降低电源电压、定子回路串接电阻或电抗、改变电源频率、转子回路串接电阻） 2.交流电机启动方法 3.三相异步电动机调速特性（式5.36） 4.单相异步电动机工作原理 5.计算题类型：5.6、5.11 第六章控制电机 1.两相交流伺服电机消除自转的方法 第七章机电传动控制系统中常用的检测元件 略 第八章继电器-接触器控制 1.继电器-接触器控制的基本线路 （直接启动、转子串接电阻启动、正反转控制、Y—△接法降压启动） 例题：8.18 第九章PLC控制 1.PLC基本结构 2.PLC等效继电器 3.梯形图编程 4.例题：三相异步电机启停控制、三相电机正反转控制、三相电机Y-△启动控制、搬运机械手控制 《机电传动控制》复习重点 第2xx机电传动的动力学基础 机电传动系统的运动方程式 会判断驱动力矩和负载力矩的正负号 并能够根据该方程式判断机电系统的运动状态 动态转矩的概念 机电传动的负载特性 什么是负载特性：电动机轴上的负载转矩与转速之间的关系 4种典型的负载特性曲线 恒转矩负载包括反抗性恒转矩负载和位能性负载 机电传动稳定运行的条件 充分必要条件 掌握判断稳定工作点的方法 第三章直流电机的工作原理及特性 直流电机既可以用作电动机也可以用作发电机 任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应的基础上的 直流电机做发电运行和电动运行时都会产生电动势E和电磁转矩T，但是不同的运行方式下其作用是不同的 电势平衡方程 力矩平衡方程 并励发电机电压建立的三个条件是什么？ 毕业设计论文 论文题目：基于单片机的步进电机控制电路板设计 摘要 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，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。 本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制，通过IO口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机；同时，用 4个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。 系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括AT89C51单片机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动（集成达林顿ULN2003）模块、数码显示（SM420361K数码管）模块、测速模块（含霍尔片UGN3020）6个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上，对速度进行实时监控显示。软件采用在Keil软件环境下编辑 ************* 第1章绪论 1.1 课题背景 当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。 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。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，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；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品（打印机、照相机、雕刻机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。控制核心采用C51芯片，它以其独特的低成本，小体积广受欢迎，当然其易编程也是不可多得的优点为此，本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统，可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。 1.2 设计目的及系统功能 本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用AT89C51作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。 1 Stepper motor Convert electrical pulse signal into angular displacement of the stepping motor to control the micro &special motor rotors. As actuators in the automatic control device. For each pulse signal input, further before stepping motors, also known as the pulse motor. Stepper motor used in digital computer peripheral equipment, as well as the printer, plotter, and disk device. Stepper motor is the electrical pulse signal into angular displacement or line open loop control elements of displacement. In the case of the overload, motor speed, stop position depends only on the pulse signal frequency and pulse number, and not affected by load change, which give the motor a pulse signal, a step from the Angle of motor is turning. This line sexual relations, and the error of the stepper motor only periodic without cumulative error, etc. Made in the field of speed and position control with stepper motor to control becomes very simple. Although the stepper motor has been widely used, but stepping motor does not like ordinary dc motor, ac motor under normal use. It must be driven by double annular pulse signal and power circuit of control system can use. So good with step motor is not easy, it involves the mechanical, electrical, electronic and computer and many other professional knowledge. Today, the manufacturer of stepper motor is indeed many, but has the professional and technical personnel, can be developed, developed at the factory are very few, most manufacturers only a, 20 people, even the most basic equipment. Only in a stage of blind imitation. This gives households in product selection, use lots of trouble. Stepping motor driving power source by frequency pulse signal generator, pulse distributor and pulse amplifier, thus provide pulse current drive power supply to the motor windings. The performance of the stepper motor depends on the good cooperation between the motor and drive power supply. Stepper motor is no cumulative error, the advantages of simple structure, convenient operation and maintenance, low manufacturing cost, the ability of stepper motor to drive the load inertia is big, suitable for small and medium-sized machine speed and accuracy is not high, defect is low efficiency, fever, sometimes out of step. Stepper motor is widely used in the digital control system, such as d/a conversion device, numerical control machine tools, computer peripherals, recorder, clocks, such as in the industrial automation production lines, printing equipment, etc are used. Stepper motor is divided into electromechanical, magnetoelectric and linear three basic types. Electromechanical stepper motor consists of core, coil, gear mechanism, etc. Will produce magnetic solenoid coil electricity, promote its core panels, through a rotary Angle of the output shaft gear mechanism, rotating the gear 天行健，自强不息；地势坤，厚德载物。1/5步进电机自动控制系统
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