步进电机控制系统设计

毕业设计（论文）（说明书）题目：步进电机控制体统设计姓名：张亚勇编号：平顶山工业职业技术学院年月日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书姓名张亚勇专业矿山机电任务下达日期年月日设计（论文）开始日期年月日设计（论文）完成日期年月日设计（论文）题目：步进电机控制系统设计A·编制设计B·设计专题（毕业论文）指导教师系（部）主任年月日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录机电系矿山机电专业，学生张亚勇于年月日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目：专题（论文）题目：指导老师：答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生毕业设计（论文）成绩为。答辩委员会人，出席人答辩委员会主任（签字）：答辩委员会副主任（签字）：答辩委员会委员：，，，，，，平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第页共页学生姓名：专业年级毕业设计（论文）题目：评阅人：指导教师：（签字）年月日成绩：系（科）主任：（签字）年月日毕业设计（论文）及答辩评语：平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）第1页步进电机控制系统设计摘要：步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可靠，为了使电机的走位更为准确，达到精密控制的目的，设计了一种高精度的步进电机驱动方案。使用斩波恒流细分的驱动方法，在实际运行中具有良好的升降速曲线。实际运行表明，步进电机运行稳定，且具有步距角小、转矩恒定、功耗低。因此在众多领域有着极其广泛的应用。研制一种高性价比步进电机驱动器及其控制系统具有重要的意义。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件。在额定功率范围内，电机的转速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，平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）第2页加上步进电机累积误差较小等特点，使得在速度、位置等领域用步进电机来控制变得较为简单。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发生器、功率驱动电路等组成控制系统驱动后方可使用。在本文中，详细介绍了一种新颖的电机驱动方案，它具有功耗低，精度高，使用灵活等优点。引言：步进电机是指原理、结构、性能、作用等与常规电机不同，并且体积和输出功率都很小的电机。一般地，步进电机的外径不大于160mm，功率在数百毫瓦和数百瓦之间。在军事、民用的各种现代化装备及其控制系统中得到广泛的应用。如今，在实际应用中，微特电机己由过去简单的起动控制、提供动力的目的，发展到对其速度、位置、转矩等的精确控制，特别是工业自动化、办公自动化和家庭自动化方面，几乎都采用了电机技术、微电子技术和电力电子技术等相结合的机电一体化产品。电子化是微特电机发展的一个必然趋势。随着我国经济的逐渐发展，微特电机在国内的需求与应用正平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）第3页在逐渐增长。我国微特电机的生产能力自20世纪80年代以来不断增长，目前我国的主要产品有有刷永磁直流电机、小功率交流电机、交直流串激电机、罩极电机、步进电机、振动电机(手机用)等，并且己经实现大规模、大批量的生产。技术含量高的微特电机，如精密无刷电机、高速同步电机、高精度步进电机、片状绕组无刷电机、高性能伺服电机以及新原理新结构的超声波电机国内尚未形成商品化或批量生产能力。步进电机的应用主要包括信息产业、家电产品、车辆、航空航天等几个领域，朝着小型、高速、高力矩、高效率、低噪声的方向发展。综述：步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）第4页现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。特点：因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）第5页可以应用在打印机和绘图仪中。1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2．步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）第6页步进电机的基本原理：步进电机作为执行元件，是机电的关键产品之一,广泛应用在各种控制系统中。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，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。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）第7页反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。步进电机的一些基本参数：电机固有步距角：表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）第8页/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。保持转矩（HOLDINGTORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。DETENTTORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。步进电机空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）第9页按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。系统原理：对于一个步进电机驱动系统来说，应包括信号发生、信号分配、功率放大等几个模块，下面对其逐一进行分析介绍，驱动系统原理方框图见图1。1.1脉冲信号的发生：电机转速是由给入的驱动脉冲信号频率决定的。在本驱动系统当中，脉冲信号由单片机C8051F012产生。平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）第10页C8051F012是Cygnal公司生产的高速MCU，内部集成了多个外设，其中共有4个16位定时器。在本脉冲信号产生模块中，使用了定时器0及定时器1。其中，定时器0用于产生控制转速的脉冲信号，其翻转频率设为Vref。这样，电机的基本转动频率定为f0。1.2驱动信号的分配：一般情况下，步进电机根据环形分配器决定分配方式，各绕组的电流轮流切换，从而使步进电机的转子步进旋转。电机工作方式只有两种，即整步工作和半步工作，而步距角已由电机的结构确定。由于在本方案中，对于电机步距角要求较高，基本步距已不能满足其要求，故需要对电机进行细分驱动。即在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或关断，只改变相应绕组中的额定电流的一部分，则转子相应的每步转动原有步距角的一部分。本方案中，驱动器工作在20细分状态，其步距角只为电机固有步距角的1/20。具体以42BYGH023W为例，固定步距角为1.8°。；而20细分状态后，电机每次只转动0.09°。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。在本驱动系统中，步进电机所需的细分脉冲由定时器1平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）第11页产生，脉冲频率为f1，且有f1=20f0。当信号步进电机采用半步行走模式时，转动精度可达0.045°。1.3细分斩波恒流驱动的软、硬件实现：在步进电机驱动系统中，最重要的就是电流驱动及功率放大部分。本系统中，该部分选用的是L297+L298构架，适用于对双极性两相步进电机或单极性四相步进电机的控制。L297主要用来接收C8051F012发出的信号脉冲，从而产生对功率级电路控制信号。L298为双H桥驱动器，可用来驱动电压为46V、每相电流为2.5A以下的步进电机。若负载需更大电流驱动，可使用L297+双L6203组合。L297的主要功能是译码器，它根据接受驱动脉冲信号产生所需的相序。为了获得电动机良好的速度和转矩特性，相序信号是通过两个PWM斩波器对电动机控制，每个斩波器用于双极性步进电动机的其中一相或用于单极性步进电机的每对绕组。以往驱动步进电机时，加到每相线圈上的是恒定电流，这造成了一定的损失。而在L29