第4章 步进电动机运动控制

步进电机运动控制系统设计设计时考虑到CPU在执行指令时可能受到干扰的冲击,导致程序”跑飞”或者进入”死循环”,因此,设计了看门狗电路,使用的是MAXIM公司生产的微处理系统监控集成芯片MAXI813。

本文还详细地给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了该汇编程序。

步进电机最早是在1920年由英国人所开发。

1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。

以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的系统中。

在生产过程中要求自动化、省、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

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。

随着微和技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民领域都有应用。

步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。

步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。

一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。

步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。

在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。

因此非常适合于单片机控制。

步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。

步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。

传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

步进电机运动规律及速度控制方法姓名：吴良辰班级：10机设（2）学号：201010310206学期我们专业开设了机电传动控制这么课，它是机电一体化人才所需要知识结构的躯体，由于电力传动控制装置和机械设备是一个不可分割的整体，所以我么能从中了解到机电传动控制的一般知识，要掌握电机、电器、晶闸管等工作原理、特性、应用和选用的方法。

了解最新控制技术在机械设备中的应用。

在现代工业中，机电传动不仅包括拖动生产机械的电动机，而且还包括控制电动机的一整套控制，以满足生产过程自动化的要求。

也就是说，现代机电传动是和各种控制元件组成的自动控制系统联系在一起。

机电系统一般可分为图一所示的三个部分。

图1 机电传动控制在没上这门课之前，在我自己认为，电机就是那些就是高中学的那些直流电动机，就是通电线圈在磁场转动。

那是直流电动机了，慢慢的我接触了交流电动机，刚开始知道220V市电。

记得大一下学期，我们金工实习了，看到工训下面那么多的车床，铣床，钻床……由于要提供大的功率，所以主电机都是选用380V。

上完这门让我更详细了解他们内部的结构和工作原理。

还说明知识是慢慢积累的过程。

见的多学的多。

我明白了很多以前的疑惑。

看到电视机上那些智能机器人，他们的活动很自如，就像仿生肌肉一样。

尤其是日本的机器人。

它的机械臂很有可能是步进电机控制的，还有一种说法是液压与气压控制的。

我觉的两者都有。

很有幸大一时候进入了第二课堂，在里面学到东西，也接触了步进电机，我是在学51单片机那时候也买了一个，就觉得很神奇。

在加上前几天参加了江西省电子设计大赛，我就感觉到要是要选控制类的题目做，步进电机是不能少的。

所以步进电机是个好东西。

我在网上查了一下资料，上个世纪就出现了步进电机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。

很遗憾的是它是国外人发明的。

开始写正题了，上完这门课，那个步进电机是让我很痴迷的。

绪论1、运动控制系统：以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。

工作原理：通过控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。

2、分类（1）按被控量分：以转速为被控量的系统——调速系统以角位移或直线位移为被控量的系统——位置随动(伺服)系统。

（2）按驱动电机的类型分：直流电机带动生产机械——直流传动系统交流电机带动生产机械——交流传动系统（3）按控制器类型分：以模拟电路构成的控制器——模拟控制系统以数字电路构成的控制器——数字控制系统（4）按控制系统中闭环的多少分：单环、双环、多环控制系统3、运动控制系统的功率放大与变换装置：一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电；4、反抗性恒转矩负载不是转矩作用方向和运动方向相反吗？那为什么n>0时T>0,n<0时T<0?答：n>0,T>0 和n<0,T<0意味着电机目前处于正转电动和反转电动状态，这个和负载转矩没有关系。

第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速调节转速方法Φ-=eKIRUn2、直流电动机点数两端的平均电压 三种改变输出平均电压的调制方法：（1）T 不变，变 ton —脉冲宽度调制(PWM)（2）ton 不变，变 T —脉冲频率调制(PFM)（3）ton 和 T 都可调，改变占空比—混合调制(两点式控制)。

当负载电流或电压低于某一最小值，开关器件导通，当高于某一最大值时，使开关器件关断。

3、UPE 是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。

UPE 变换器的器件选择：中、小容量系统,多采用IGBT 或P-MOSFET 构成较大容量系统,采用GTO 、IGCT 电力电子开关器件特大容量系统,则常用晶闸管触发与整流装置4、 系统稳态参数计算例： 用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示，s s ond ρU U T t U ==5、PID调节器的类型和功能比例微分(PD)：由PD调节器构成的超前校正,可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性, 但稳态精度可能受到影响；比例积分(PI)：由PI调节器构成的滞后校正,可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；比例积分微分(PID)：PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点,可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。

步进电机的单脉冲控制、双脉冲控制、开环控制和闭环控制
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

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。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

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。

步进电机的单脉冲控制与双脉冲控制步进电机的控制有单电压和高低电压控制之分；
单电压控制用一串脉冲信号控制一个电子开关的通、断来控制电机驱动绕组得电、失电；高低电压控制在单电压控制的基础上，用另一串脉冲控制一个电子开关的通、半导通，两个开关串联，两个控制脉冲同频率但不同相位和宽度。

达到给绕组的供电电压全、一半、迅速关断的目的。

步进电机的开环控制和闭环控制步进电机的开环控制
1、步进电机开环伺服系统的一般构成
步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。

因此，步进电机控制系统一般采用开环控制方式。

图为开环步进电动机控制系统框图，系统主要由控制器、功率放大器、步进电动机等组成。

2、步进电机的控制器
1、步进电机的硬件控制
步进电动机在个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因而只要控制一定的脉冲数，即。

第四章进给运动的控制本章对数控机床进给运动控制的有关问题做了论述。

在对开环步进电动机的环分、速度控制、自动升降速控制介绍的同时，重点对闭环位置控制的结构与原理、位置控制的数学模型和特性、轮廓误差以及数控装置与进给驱动之间的信号连接进行了分析，并根据现代数控系统的特点对进给运动的控制参数和进给运动中的补偿问题进行阐述。

第一节概述一、进给伺服驱动装置的控制性能数控机床用伺服驱动装置分为开环和闭环两大类，闭环型驱动按位置检测的方式可分为半闭环和全闭环两种。

开环控制采用步进电动机作为驱动元件，由于它没有位置反馈回路和速度控制回路, 简化了线路，因此设备投资低, 调试维修都很方便，但进给速度和精度较低，被广泛应用于中、低档数控机床及一般的机床改造中。

闭环型采用直流或交流伺服电动机驱动。

半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电动机轴上(一般已由电动机生产厂家装好)，用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移。

如果滚珠丝杠精度足够高，间隙小，精度一般是可以满足要求的。

加之传动链上有规律的误差（如间隙及螺距误差等）可以由数控装置加以补偿，进一步提高精度，因此在精度要求适中的中小型数控机床上，半闭环控制得到广泛应用。

半闭环方式的优点是其闭环环路短(不包括传动机构)，因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象。

且其快速性好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。

但如果传动机构的误差过大或其误差不稳定，则数控系统难以补偿。

如由传动机构的扭曲变形所引起的弹性间隙，因其与负载力矩有关，故无法补偿。

由制造与安装所引起的重复定位误差以及由于环境温度与丝杠温度变化所引起的丝杠螺距误差也是不能补偿的。

因此要进一步提高精度，只有采用全闭环控制方式。

全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。

但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求，因闭环环路包括了机械传动机构，其闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯性有关，还取决于阻尼、油的粘度、滑动面摩擦系数等因素。

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；PLC1、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度或者15度。

步进电机控制工作原理步进电机的名称步进电机(stepping motor),步进电机(step motor)，或者是脉冲电机(pulse motor)，其它的如(stepper motor)等……有着各式各样的称呼方式，这些用日本话来表示的时候，就成为阶动电动机，还有，阶动就是一步一步阶段动作的意思，这各用另外一种语言来表示时，就是成为步进驱动的意思，总之，就是输入一个脉冲就会有一定的转角，分配转轴变位的电动机。

步进电机简介：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组件。

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。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

单相步进电机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。

多相步进电机有多相方波脉冲驱动，用途很广。

使用多相步进电机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电机各项绕组。

每输入一个脉冲到脉冲分配器，电机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。

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。

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。

步进电机按旋转结构分两大类：1是圆型旋转电机如下图A 2直线型电机，结构就象一个圆型旋转电机被展开一样，如下图B一，步进电机的种类现在，在市场上所出现的步进电机有很多种类，依照性能及使用目的等有各自不同的区分使用。

举个例子，各自不同的区分使用有精密位置决定控制的混合型，或者是低价格想用简易控制系构成的PM型，由于电机的磁气构造分类，因此就性能上来说就会有影响，其它的有依步进电机的外观形状来分类，也有由驱动相数来分类，和驱动回路分类等。