步进电机传动控制系统

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《机电传动与控制》

机电传动与控制辅导资料十五主题：课件第9章步进电动机传动控制系统学习时间：2012年1月9日－1月15日内容：我们这周主要学习课件第9章信号处理初步第1-3节的相关内容。

希望通过下面的内容能使同学们加深对相关知识的理解。

一、学习要求1.了解步进电动机的结构与工作原理；2. 掌握步进电动机的主要特性与性能指标。

3. 了解步进电动机环形分配器的基本原理及其硬、软件的实现方法；4.了解两种不同类型步进电动机的驱动电路及优缺点。

重点难点分析：1．重点：分析和设计简单的步进电动机驱动电路;2．难点：驱动电源对步进电动机运行性能的影响。

二、主要内容9.1 步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。

1）步进电动机的结构与工作原理（1）结构特点步进电动机和一般旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分。

图13.2为三相反应式步进电动机的结构示意图。

定子有六个磁极，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。

（2）工作原理①基本工作原理图13.2三相反应式步进步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作电动机的结构示意图原理，如图13.3所示。

设A相绕组先通电，B相和C相不通电，在电磁作用下，转子齿1、齿3被吸引到A下，此时，转子转矩为零，自锁，B、C两相的定子齿和转子齿在不同方向各错开30度。

当通电顺序为A-B-C-A时，转子便按顺时针方向一步一步转动。

每换接一次，转子就转过一个步距角。

电流换接三次，磁场旋转一周，转子转过一个齿距（此例中转子有四个齿时齿距为90度）。

欲改变旋转方向，则只要改变通电顺序即可。

图13.3 三相单三拍通电方式时转子的位置（a ）A 相通电（b ）B 相通电（c ）C 相通电②通电方式三相步进电动机一般有单三拍、单双六拍及双三拍等通电方式。

单是指每次切换前后只有一相绕组通电，双就是指每次有两相绕组通电，而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一“拍”。

步进电机定位控制

02
反应式步进电机
03
混合式步进电机
转子为软磁材料，结构简单、步矩角小、精度较高，但动态性能较差。
结合了永磁式和反应式的优点，具有较高的精度和动态性能，但结构复杂、成本较高。
步进电机的主要应用领域
01 数控机床：用于工件的精确加工和定位。
02 机器人：用于机器人的关节驱动和定位控制。
03
自动化生产线：用于自动化生产线的物料搬运和定位控制。
04
打印机、复印机等办公设备：用于纸张的进给和定位控制。
02
CHAPTER
步进电机定位控制系统
定位控制系统的基本组成
控制器
用于接收输入的定位指令，并按照控制算法生成驱动脉冲信号。
驱动器
将控制器输出的脉冲信号放大，驱动步进电机转动。
步进电机
步进电机定位控制的软件实现
软件实现概述
软件实现是实现步进电机定位控制的重要组成部分，主要包括脉冲发生、运动控制和通信等功能。
脉冲发生
根据控制算法输出的控制信号，生成相应的脉冲信号，驱动步进电机运动。
运动控制
实时监测步进电机的运动状态，根据反馈信息调整控制信号，确保电机按照预定轨迹运动。
通信功能
工作原理：步进电机内部通常由一组带有齿槽的转子构成，定子上有多相励磁绕组。当给定一个脉冲信号时，定子上的励磁绕组会按一定的顺序通电，从而在转子上产生一个磁极，该磁极与定子上的齿槽对齐时，转子会转动一个步进角。步进角的大小取决于转子的齿数和通电的相数。
步进电机的种类与特点
01
永磁式步进电机
结构简单、成本低、步矩角大，但精度较低。
接受驱动器发出的脉冲信号，按照设定的步数和方向转动。

第九章-步进电动机传动控制系统

是电机作单步运动
所能带动的极限负载，也称为极限启动转矩。实际电机所带的负载转矩TL必须小于极限启动转矩才能运行，即电机所带负载的阻转矩 TL＜
Tst
步距角减少可使相邻矩角特性位移减少，就可提高极限
启动转矩Tst，增大电机的负载能力。三相六拍时，矩角特
性幅值不变，而步距角小了一半，故极限启动转矩。
(b) (c) 图三相六拍运行 (a) A相通电； (b) A、 B相通电；(c) B相通电第8 页
(a)
③三相双三拍运行
通电方式AB→BC→CA→AB‥，一拍转过30 °。
9
步进电动机的结构
10
转子齿数齿距角
z表示.
转子相邻两齿间的夹角，用θ z 表示。 z 拍和步距角
Tst 时，A相通电时，转子处于a”点；改由B相通电情况2：负载转矩 TL
时，转子不能前进。
图9.6 最大负载能力的确定
25
•最大负载转矩（起动转矩）
步进电动机在步进运行时所能带动的最大负载，可由相邻
Tst
两条矩角特性交点所对应的电磁转矩
相邻矩角特性的交点所对应的转矩
Tst
来确定。
T A T sm sin e
则B通电时，距角特性为
T B T sm sin( e 120 )
图 A相、B相定子齿相对转子齿的位置
21
当A、B两相同时通电时合成矩角特性应为
T A B T A T B T sm sin e T sm sin( e 120 ) T sm sin( e 60 )
使各相电流平衡。
VD2及Rf2作用是构成续流电路。
这种电源效率较高，起动和运行频率也比单一电压型电源要高。

第3章步进电动机的控制

ƒ
升速恒速减速低速
起点
终点
（时间） t
图3-24
点、位控制中的加减速控制
15
变速控制的方法有：
改变控制方式的变速控制：最简单的变速控制可利用改变步进电机的控制方式实现。例如：对于三相步进电机系统，启动或停止时用三相六拍，大约0.1s以后，改用三相三拍，快到达终点时再采用三相六拍，以达到减速控制的目的。均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制：步进电机的加速（或减速）控制，可以用均匀地改变脉冲时间间隔来实现。采用定时器的变速控制：单片机控制系统中，用单片机内部的定时器来提供延时时间。方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间，由定时器向CPU申请一次中断，CPU响应中断后，便发出一次控制脉冲。此时只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加速（或减速）的目的。这种方法可以提高控制系统的效率。
脉冲方向控制
步进控制器
功率放大器
步进电机
负载
图3-19 步进电机控制系统的组成
2
随着电子技术的发展，除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软件实现。采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器，不仅简化了线路，降低了成本而且可靠性也大为提高，同时，根据系统的需要可灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。典型的微型机控制步进电机系统原理图如图3-20所示。使用微型机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。步进电机
6
二、步进电动机的闭环控制

在开环步进电动机系统中，电动机的输出转矩在很大程度上取决于驱动电源和控制方式。对于不同的步进电动机或同一种步进电动机而不同负载，励磁电流和失调角发生改变，输出转矩都会随之发生改变，很难找到通用的控速规律，因此，也很难提高步进电机的技术指标。闭环系统是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处理自动给出驱动脉冲串。因此采用闭环控制可以获得更精确的位置控制和更高、更平稳的转速，从而提高步进电动机的性能指标。步进电动机的输出转矩是励磁电流和失调角的函数。为了获得较高的输出转矩，必须考虑到电流的变化和失调角的大小，这对于开环控制来说是很难实现的。

机电传动系统的组成

机电传动系统的组成
机电传动系统的组成包括：电机、机械传动装置和控制系统。

1. 电机：电机是机电传动系统的核心组成部分，负责将电能转换为机械能等形式的能量输出。

常见的电机包括直流电机、交流电机和步进电机等。

根据具体应用的需求，选择适合的电机类型。

2. 机械传动装置：机械传动装置主要用于将电机的旋转运动转换为所需的线性运动、转动力矩或转速等。

常见的机械传动装置包括齿轮传动、皮带传动、链传动和联轴器等。

根据传动的需求和性能要求，选择合适的机械传动装置。

3. 控制系统：控制系统用于控制和实时监测机电传动系统的运行状态，常见的控制方式有手动控制和自动控制。

手动控制可以通过开关、按钮等手动操作来控制传动系统；自动控制则需要使用传感器、控制器、编码器等部件，通过采集和处理输入和输出信号，实现对传动系统的自动控制和调节。

以上是机电传动系统的主要组成部分，不同的应用领域和具体需求可能会有所不同，需要根据具体情况进行选择和配置。

《步进电机》PPT课件

➢ 当U相通电，V、W相不通电，如图3.3a所示，1、3齿与U相对齐；
➢ 当V相通电，U、W相不通电，如图3.3b所示，2、4齿与V相对齐；
➢ 当W相通电，U、V相不通电，如图3.3c所示，1、3齿与W相对齐；
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8
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9
由此可见，当通电顺序为U→V → W→U →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。
上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U → UV → V → VW→W → WU →U →… 称为三相六拍通电，如图3.4所示。三相六拍通电方式的步距角减小一倍。
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3.1.2 小步距角步进电动机
实际的小步距角电动机如图3.5所示。它的定子内圆和转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的齿宽和齿距相等。
第3章步进电动机传动控制
3.1 步进电动机 3.2 步进电动机的环形分配器 3.3 步进电动机的驱动电路
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1
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。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。
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11
（2）通电方式双相轮流通电方式
每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳，且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易失步。
以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：UV → VW→WU →UV →… 称为三相双三拍通电。
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（2）通电方式单双相轮流通电方式

基于STM32的步进电机控制系统

基于STM32的步进电机控制系统摘要本文的主要工作是基于STM32步进电机控制系统的设计。

随着越来越多的高科技产品逐渐融入了日常生活中，步进电机控制系统发生了巨大的变化。

单片机、C 语言等前沿学科的技术的日趋成熟与实用化，使得步进电机的控制系统有了新的的研究方向与意义。

本文描述了一个由STM32微处理器、步进电机、LCD显示器、键盘等模块构成的，提供基于STM32的PWM细分技术的步进电机控制系统。

该系统采用STM32微处理器为核心，在MDK的环境下进行编程，根据键盘的输入，使STM32产生周期性PWM信号，用此信号对步进电机的速度及转动方向进行控制，并且通过LCD显示出数据。

结果表明该系统具有结构简单、工作可靠、精度高等特点.关键词：STM32微处理器；步进电机；LCD显示；PWM信号；细分技术AbstractAs well as the high-tech products gradually integrated into the daily life,servo control system has undergone tremendous changes.SCM and C language of the frontier disciplines such mature technology and practical，steering control system is a new research direction and meaning.This paper describes a STM32 microprocessors, steering, LCD display and keyboard, Based on the STM32 servo control system of PWM signal，This system uses STM32 microprocessor as the core, MDK in the environment, according to the keyboard input , STM32 produce periodic PWM signal, with this signal to the velocity and Angle of steering gear control, and through the LCD display data. The features of the simple hardware, stable operation and high precision are incarnated in the proposed system.Keywords:STM32 microprocessors; Steering system; LCD display；pulse width modulation signal；Subdivide technology目录第1章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 课题目标及意义 (2)1.3 课题任务及要求 (3)1.4 课题内容分析与实现 (3)1.5 课题论文安排介绍 (3)第2章步进电机控制系统的总体方案论证 (5)2.1 总体方案 (5)2.2 步进电机控制系统硬件方案 (5)2.3 步进电机控制系统软件方案 (6)第3章系统的硬件设计 (7)3.1 STM32开发板简介 (7)3.2 步进电机模块 (8)3.2.1 步进电机驱动模块 (8)3.2.2 步进电机驱动控制模块 (10)3.2.3 步进电机的一些特点 (11)3.2.4 步进电机的一些基本参数 (12)3.2.5 步进电机的驱动方法 (13)3.3 A/D转换模块 (13)3.3.1 模拟/数字转换（ADC）介绍 (13)3.3.2 模拟/数字转换（ADC）主要特性 (13)3.3.3 模拟/数字转换（ADC）功能描述 (14)3.4 LCD显示模块 (16)3.5 硬件电路 (17)第4章控制系统软件设计 (18)4.1 控制系统软件设计步骤 (18)4.2 Keil for ARM软件开发环境 (19)4.3 PWM细分技术简介 (20)4.3.1 PWM细分技术简介 (20)4.3.2 PWM细分技术驱动原理 (20)4.3.3 PWM细分调压调速原理 (22)4.4 主程序设计 (23)4.5 各模块程序设计 (25)4.5.1系统初始化 (25)4.5.2A/D转换程序设计 (26)4.5.3 PWM细分程序设计 (29)4.5.4电机控制程序设计 (30)4.5.5 LCD显示程序设计 (32)第5章步进电机控制系统综合调试与分析 (33)5.1 硬件电路调试 (33)5.2 软件电路调试 (34)5.3 系统联调结果与分析 (34)结论 (35)社会经济效益分析 (36)参考文献 (37)致谢 (38)附录I 电路原理图 (39)附录Ⅱ程序清单 (41)附录IV 元器件清单............................................................................ 错误!未定义书签。

步进电机工作原理

步进电机工作原理步进电机是一种常用的电机类型，它能够将电能转换成机械运动，广泛应用于电子设备、机器人、自动控制和数码设备等领域，是现代化生产制造和智能化系统的重要组成部分。

那么，步进电机工作原理是什么呢？下面，我们来详细了解一下。

一、步进电机的基本概念步进电机，也称作脉冲电机、节拍电机、定位电机等，是一种由电脉冲控制旋转角度或移动距离的电机。

它通过控制电脉冲的频率和顺序，来控制电机旋转的角度和步进的距离。

步进电机是一种数字控制电机，需要使用数字逻辑控制芯片或单片机进行控制。

步进电机通常由转子、定子、传动机构、驱动电路和控制系统组成，其中转子和定子是步进电机的核心部件。

转子是由多个磁极组成的，定子则是由绕组和磁铁芯组成的。

步进电机的运动是由定子和转子的磁性作用所引起的。

二、步进电机的工作原理1、磁极的排列和控制步进电机的转轴上有若干个定量的磁极，一般称之为步数。

在某些情况下，如可编程型步进电机，步数可任意调节。

电机的旋转原理是通过不断翻转电磁铁的极性，使转子在几个磁极之间按顺序分别吸引和排斥，从而产生转动的力矩。

2、磁性的转换和电流的控制步进电机的磁性转换是通过定子和转子之间磁场的吸引和排斥作用所实现的。

当通过一个完整的正弦周期电流后，磁极之间相对的位置不会变化，但后面的周期中，所谓的下一步，就是指磁极的相对位置发生了变化。

在步进电机运动过程中，控制电路会通过绕组施加不同的电流，来操纵转子的运动。

电流的变化可以导致磁场的极性变化，转子随之按照预定的步数顺序旋转。

电机转动的精度和稳定性都与电流的控制有关。

3、脉冲控制步进电机的运动是由一定的脉冲频率和脉冲顺序控制的。

控制器会将以往与转子运动有关的信息预先编码成指令序列，这些指令在控制电路的作用下，逐一发送给电机。

每一个指令都会对应一定量的脉冲信号，这些信号会传输到电机的驱动电路中，通过变化电流来控制电机的运动。

三、步进电机的分类步进电机的分类较多，常见的分类如下：1、单相步进电机单相步进电机只有一个储能元件，也称单相杆式步进电机。

步进电动机的控制

i —传动比
αmin—负载轴要求的最小位移增量（即每个脉冲对应的最小角位移增量）
➢步距脚θb也可用分辨率bs来表示：bs=360°/ θb（步/转）
➢ 当步进电机拖动的机械作直线运动时，用丝杠作运动转换器，步进电 t/ t
δ—直线增量运动当量（mm/每步）
360 tb z
因为每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，各相绕
组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。故步距角：
b

齿距拍数

齿距 Km

360 Kmz
K--定子绕组通电方式系数。相邻两次通电的相数一样，取K=l，如三相单三拍、三相双三拍工作方式；反之，取K=2，如三相单双六拍工作方式。（拍数/相数）
步距精度Δθb应满足: b i(L )
ΔθL—丝杠传动精度
2）最大静转矩
步进电动机的静特性，是指步进电动机在稳定状态（即步进电动机不改变通电情况的运行状态）时的特性，包括静转矩、矩角特性及静态稳定区。
静转矩：指步进电动机处于稳定状态下的电磁转矩。它是绕组电流和失调角的函数。
在稳定状态下，如果在转子轴上加一负载转矩使转子转过一个角度θ，并能稳定下来，这时转子受到的电磁转矩与负载转矩相等，该电磁转矩即为静转矩，而角度θ即为失调角（或：电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角叫做失调角）。
（一）反应式步进电机的结构
1.单段（径向式）三相反应式步进电机的结构原理图
主要由定子和转子两部分组成。
• 定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子上有六个均匀分布的极，每两个为一对。定子绕组是绕置在定子上的六个均匀分布铁芯齿上的线圈，它把沿直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图中所示的步进电机为A、B、C三相控制绕组，故称为三相步进电机。当任一相绕组通电时，便形成一对定子磁极，即形成N、S极。在定子的每个磁极上，即定子铁芯的每个齿上又开了五个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9°，在空间位置上依次错开1/3齿距其展开图如图所示。

电机传动系统布置介绍

集成式布置：将电机、减速器、驱动器等部件集成在一个单元内，节省空间，提高效率
定制式布置：根据具体应用和需求，定制电机传动系统的布置方式，提高系统效率和性能。
布置方式的优缺点
集中式布置：优点是结构紧凑，便于维护；缺点是占用空间大，散热困难。
分散式布置：优点是节省空间，散热性好；缺点是结构复杂，维护困难。
演讲人
电机传动系统的定义
电机传动系统是利用电力驱动机械运动的装置
01
包括电机、传动机构、控制装置等部分
02
电机传动系统可以实现能量的转换和传递
03
广泛应用于各种机械设备和自动化系统中
04
电机传动系统的分类
直流电机传动系统：使用直流电作为电源，结构简单，控制方便
1
交流电机传动系统：使用交流电作为电源，功率大，效率高
05
安全可靠：保证电机传动系统的安全性和可靠性，防止故障发生
02
设计原则的应用实例
紧凑型设计：通过优化布局，减小体积和重量，提高传动效率
模块化设计：将传动系统划分为多个模块，便于维护和更换
集成化设计：将多个功能集成到一个部件中，降低成本和安装空间
智能化设计：采用智能控制技术，提高传动系统的响应速度和精度
延长使用寿命：定期维护与保养可以延长电机传动系统的使用寿命，降低维修成本。
维护与保养的具体内容
定期检查电机传动系统的各个部件，确保其正常工作
定期更换润滑油，保持传动系统的润滑
定期清洁传动系统，防止灰尘和杂物的积累
定期检查传动系统的紧固件，确保其紧固可靠
定期检查传动系统的电气系统，确保其正常工作
定期检查传动系统的冷却系统，确保其正常工作
定期检查传动系统的安全防护装置，确保其正常工作

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第十三章习题与答案
13.4 步进电动机的步距角之含义是什么？一台步进电动机可以有两个步距角，例如，3o/1.5o，这是什么意思？什么是单三拍、单双六拍和双六拍？
每当输入一个电脉冲时,电动机转过的一个固定的角度,这个角度称之为步矩角。

一台步进电动机有两个步矩角,说明它有两种通电方式, 3o得意思是单拍时的步矩角. 1.5o得意思是单双拍或双拍似的步矩角。

单三拍:每次只有一相绕阻通电,而每个循环只有三次通电。

单双六拍:第一次通电有一相绕阻通电,然后下一次又两相通电,这样交替循环运行,而每次循环只有六次通电。

双三拍:每次又两相绕阻通电,每个循环由六次通电。

13.5 一台五相反应式步进电动机，采用五相十拍运行方式时，步距角为1.5o，若脉冲电源的频率为3000Hz，试问转速是多少？
n=βf*60/2π
=1.5*3000*60/2*3.14
=42993.6r/min
转速是42993.6r/min
13.6 一台五相反应式步进电动机，其步距角为1.5o/0.75o，试问该电机的转子齿数是多少？
1.5=360/ZKM
1.5=360/Z*5*1
Z=48
电机的转子齿数是48。