步进电动机的传动控制设计学士学位论文.doc

毕业设计(论文)

题 目： 步进电动机的传动控制设计
专 业： 机电一体化
层 次： 专 科

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题 目
步进电动机的传动控制设计
学生姓名
杏文明
专业
机电一体化
层次
专科
学号
011808103016
指导教师
焦键
任务书下达时间

概述：
步进电机又称脉冲电动机, 是数字控制系统中的一种执行元件, 其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移, 且其输出转角、转速与输入脉冲个数、频率有着严格的同步关系。虽然步进电机是一种数控元件, 易于同数字电路接口, 但一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机, 必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。步进电机的性能在很大程度上取决于驱动器的优劣

要求阅读或检索的参考资料及文献（包括指定给学生阅读的外文资料）：

高中毓主编 . 机电一体化系统设计 . 北京：机械工业出版社,2000
邓星钟主编 . 机电传动控制 . 武汉：华中科技大学出版社，2001.
张建民主编 . 传感器与检测技术 . 北京：机械工业出版社，2000
吴丽主编 . 电气控制也PLC实用教程 . 郑州：黄河水利出版社，2005

摘要
步进电机是一种将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移的数控元件, 其性能在很大程度上取决于
驱动电路的优劣。本文阐述了驱动电路的基本组成及工作要求, 分析了几种典型驱动电路的特性, 结果表明: 恒流
斩波技术将具有非常广泛的应用前景。
关键词: 步进电机; 驱动电路; 恒流斩波

11

目录
前言 1
1 步进电动机及其驱动控制系统的设计 2
1.1 步进电机的概述 2
1.2 步进电动机的结构设计 3
1.3 步进电动机的工作原理的设计 4
2 换相顺序的控制 5
2.1 步进电机转向控制的设计 5
2.2 步进电机的速度控制的设计 5
2.3 步进电机起停控制的设计 5
2.4 步进电机加减速控制的设计 5
2.5 恒流斩波驱动电路 8
2.6 性能比较 8
结论 9
致谢 10
参考文献 11

前言
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。当定子上绕组通电时,可产生激励磁场,并与转子形成回路。如果转子和定子之间的齿没有对齐,由于磁力线力图走磁阻最小的线路,从而带动转子旋转一角度,使转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子绕组矢量磁场旋转一个角度,转子也随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。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。随着电力电子技术的发展,可以实现细分驱动,即将一个步距角细分成若干小步来驱动。步进电机必须使用专用的步进电机驱动设备才能够正常工作。步进电机系统的运行性能,除与电机自身的性能有关外,在很大程度上还取决于驱动设备性能的优劣。

1 步进电动机及其驱动控制系统的设计
1.1 步进电机的概述
步进电动机是用于开环伺服系统中的驱动原件，它是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的执行器。步进电动机的角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比。通过控制脉冲频率、脉冲数量、电动机绕组通电相序，就可以获得所需的转速、转角及转向。与交、直流伺服电动机所构成的闭环伺服驱动系统相比，步进电动机及其驱动控制系统具有结构简单、控制容易、维修方便等优点，故主要用于速度和精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造中。
步进电动机的分类，近年来步进电动机发展很快，品种规格较多。步进电动机可从多种角度分类，按工作原理分，通常分为反应式(磁阻式)、永磁式和永磁反应式；按结构分，可分为单段式(径向式)、多段式(轴向式)及印刷绕组式；按运动方式分，可分为旋转运动式、直线运动式、平面运动式及滚切运动式；按使用场合分，可分为功率式和控制式；按相数分，可分为三相、四相、五相、六相等。实践巾反应式步进电动机应用较广泛。
（1）反应式步进电动机
反应式步进电动机又称磁阻式步进电动机，它的定子和转子由硅钢片或其他软磁材料制成，定子上有励磁绕组，绕组通电励磁后产生反应力矩使转子转动。电动机相数一般为三、四、五、六相。绕组排列形式有单段式径向磁路式，多段径向磁路式和多段轴向磁路式三种。反应式步进电动机是目前数控机床中应用最广的一种步进电动机，步距角一般为0．36'～3'。反应式步进电动机具有下列特点：
1)对步进电动机的控制十分方便。通过控制步进电动机的指令脉冲数、指令脉冲频率和通电相序就可实现控制步进电动机的转角大小、旋转速度和旋转方向。
2)气隙小。定子、转子之间的间隙称为气隙。从电动机性能上看，在励磁电流相同时，气隙越小，磁通密度越高，电磁转矩越大。在定子、转子齿对齐的状态下，气隙越小，定位精度越高。
3)步距角小。因为定子、转子是采用软磁材料制成，靠磁阻变化产牛转矩。在机械加工允许的情况下，转子齿数可以做得很多，所以步距角可以很小。
4)电动机内部阻尼较小。当相数较少时，单步运行振荡时间长。
5)带惯性负载能力差，尤其在高速时容易失步。
6)断电后无定位转矩。
(2)永磁式步进电动机
永磁式步进电动机的定子由软磁材料制成并有多对绕组，而转子上装有永磁铁制成的磁极。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩，使转子旋转。永磁式步进电动机具有以下特点：
1)步距角大。由于永磁式转子受磁钢加工的限制，极对数不能做得很多，因而步距角较大。
2)控制功率小，效率高。
3)内阻尼较大，单步振荡时间短。
4)断电后具有一定的定位转矩。
(3)永磁反应式步进电动机
永磁感应式步进电动机又称混合式步进电动机。它在结构和性能上，兼有反应式和永磁式步进电动机的特点，既具有反应式步进电动机步距角小和工作频率较高的特点，又具有永磁式步进电动机控制功率小和低频振荡小的特点。永磁感应式步进电动机是步进电动机的最新产品，近年来国内外步进电动机的生产厂家相继推出了它的系列产品，有取代反应式步进电动机的趋势。
1.2 步进电动机的结构设计
从上面的讨论可知，步进电动机的种类较多，其结构和工作原理也有所不同，这里仪以反应式步进电动机为重点，介绍步进电动机的工作原理。
(1)径向式反应式步进电动机越高。
1)步距角小。因为定子、转子是采用软磁材料制成，靠磁阻变化产牛转矩。在机械加工允许的情况下，转子齿数可以做得很多，所以步距角可以很小。
2)电动机内部阻尼较小。当相数较少时，单步运行振荡时间长。
3)带惯性负载能力差，尤其在高速时容易失步。
4)断电后无定位转矩。
(2)永磁式步进电动。
永磁式步进电动机的定子由软磁材料制成并有多对绕组，而转子上装有永磁铁制成的磁极。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩，使转子旋转。永磁式步进电动机具有以下特点：
1)步距角大。由于永磁式转子受磁钢加工的限制，极对数不能做得很多，因而步距角较大。
2)控制功率小，效率高。
3)内阻尼较大，单步振荡时间短。
4)断电后具有一定的定位转矩。
(3)永磁反应式步进电动机
永磁感应式步进电动机又称混合式步进电动机。它在结构和性能上，兼有反应式和永磁式步进电动机的特点，既具有反应式步进电动机步距角小和工作频率较高的特点，又具有永磁式步进电动机控制功率小和低频振荡小的特点。永磁感应式步进电动机是步进电动机的最新产品，近年来国内外步进电动机的生产厂家相继推出了它的系列产品，有取代反应式步进电动机的趋势。
1.3 步进电动机的工作原理的设计
从上面的讨论可知，步进电动机的种类较多，其结构和工作原理也有所不同，这里仪以反应式步进电动机为重点，介绍步进电动机的工作原理。
(1)径向式反应式步进电动机

图1-1 反映式步进电动机工作原理图

2 换相顺序的控制
2.1 步进电机转向控制的设计
步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制2 个方面。从结构上看,步进电机分为三相、四相、五相等类型,常用的则以三相为主。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3 种,下面具体加以阐述:
通电换相这一过程称为脉冲分配。例如,三相步进电机在单三拍的工作方式下,其各相通电顺序为A →B →C →A ,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C 相的通断。三相双三拍的通电顺序为AB →BC →CA →AB ,三相六拍的通电顺序为A →AB →B →BC →C →CA →A。
如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍,即A →AB→B →BC →C →CA →A。如果按反序通电换相,即A→AC →C →CB →B →BA →A ,则电机就反转。其他方式情况类似。
2.2 步进电机的速度控制的设计
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。2 个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。
2.3 步进电机起停控制的设计
步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感,即振动感。为了使电机转动平滑,减小振动,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机转轴不能自由转动。
2.4 步进电机加减速控制的设计
在步进电机控制系统中,通过实验发现,如果信号变化太快,步进电机由于惯性跟不上电信号的变化,这时就会产生堵转和丢步现象。所以步进电机在启动时,必须有加速过程,在停止时必须有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线,步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律,能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性好,缩短了升降速的时间,并可防止失步和过冲现象。
在一个实际的控制系统中,要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”,与此类似“, 停止频率”是指系统控制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些数据,才能有效地对电机进行加减速控制。
加速过程由突跳频率加加速曲线组成(减速过程反之) 。突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率f 0 。步进电机的最高起动频率(突跳频率) 一般为0. 1 kHz 到3～4 kHz ,而最高运行频率则可以达到N ×102 kHz ,以超过最高起动频率的频率直接起动,会产生堵转和丢步的现象。较为理想的起动曲线应是按指数规律起动。但实际应用时对起动段的处理可采用按直线拟合的方法,即阶梯加速法。一般可按2 种情况处理:
(1) 已知突跳频率则按突跳频率分段起动,分段数n = fPf 0 ;
(2) 未知突跳频率,则按段拟合至给定的起动频率,每段频率的递增量(后称阶梯频率)Δf = fP8 ,即采用8 段拟合。在运行控制过程中,将起始的速度(频率) 分为n 分,作为阶梯频率,采用阶梯加速法将速度连续升到所需要的速度,然后锁定,按预置的曲线运行,如图2所示。
fhh
t/s
f0

图1-2 步进电动机运动中频率变化曲线
（3）单电压驱动电路单电压驱动是应用最早的一种电路形式, 它的电路原理如图所示。它的突出特点是线路简单, 成本低, 在绕组回路中串接电阻, 用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。缺点是: 串接电阻的做法将产生大量的热, 功耗较大, 对驱动电源的正常工作极其不利, 尤其在高频工作时更加严重。因而它一般用于小功率或起动、运行频率要求不高的场合。

U
cp
l
R
D
T

图1-3 单电压驱动电路
T2
2
CP2
l
CP1
R
D1
D2
U2
U1

图4高低压切换驱动电路
高低压供电驱动方式是在单电压供电的基础上,为了解决单电压驱动的快速性能不好而发展起来的一种供电技术。其基本思路是, 在脉冲到来时, 在电机绕组的两端先施加一较高电压, 从而使绕组的电流迅速建立, 使电流建立时间大为缩短, 在相电流建立起来之后, 改用低电压, 以维持相电流的大小, 这样做可以减小限流电阻的阻值甚至去掉限流电阻, 使电源的驱动效率大为提高。典型电路如图3 所示。
这种电路的特点是电流波形得到了很大改善, 电机的矩频特性很好, 起动和运行频率得到很大的提高。但在高压工作结束和低压工作开始的衔接处的电流波形呈凹形, 致使电机的输出力矩有所下降。
2.5 恒流斩波驱动电路
为了弥补高低压驱动电路的高、低压电流波形在连接处为凹形的缺陷, 发展了恒流驱动技术, 使步进电机电流在额定值附近保持恒定。图4 为一种恒流斩波驱动电路原理图, 为单极型驱动方式, 它充分利用了现有的电源电压, 能够在较宽的频率范围内工作, 极大改善了电流波形、矩频特性, 由于不需外接限流电阻, 故使能耗大为降低, 提高了电源效率。
2.6 性能比较
各种驱动电路性能比较见表1。

驱动电路
起动频率
运行频率
运行平稳性
效率
成本
单电路
低
较低
较差
低
低
高低压
高
较高
差
较高
较高
恒流斩波
高
高
好
高
高

表1 各种驱动电路性能比较

结论
该论文阐述了步进电机控制的设计方法和技术，读者根据它可以对步进电动机进行理想的控制。步进电机驱动器广泛用于工矿企业中的数控电子设备的精确开环控制，以满足工业自动化

致谢
   我要感谢，非常感谢自己。在论文的写作过程中，自己总是积极主动的，主动与老师同学们沟通，不耻下问。通过写作论文，我更加深刻理解了“态度决定一切”这句话。我要感谢，非常感谢新闻与传播学院的那些人，那些事，那些记忆.最后，我要感谢，非常感谢四年的大学生活，感谢我的家人和那些永远也不能忘记的朋友，他们的支持与情感，是我永远的财富。 
   谢谢！谢谢！

参考文献
高中毓主编 . 机电一体化系统设计 . 北京：机械工业出版社,2000
邓星钟主编 . 机电传动控制 . 武汉：华中科技大学出版社，2001.
张建民主编 . 传感器与检测技术 . 北京：机械工业出版社，2000
吴丽主编 . 电气控制也PLC实用教程 . 郑州：黄河水利出版社，2002