步进电机驱动控制技术及其应用.docx
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步进电机驱动控制技术及其应用
南京信息职业技术学院
毕业设计论文
作者邓天培学号20812P13
系部机电学院
专业机电一体化技术
题目步进电机驱动控制技术及应用
指导教师段向军李雪俊
评阅教师
完成时间：
2011年4月30日
毕业设计（论文）中文摘要
（题目）：
步进电机驱动控制技术及应用
摘要：
步进电机是一种将脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的控制电机,它能够在不涉及复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度，并由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差等优点,在民用、工业用的经济型数控定位系统中获得了广泛的应用,具有较高的实用价值。
为了强调本论文的实用性及可行性，本文综述了步进电机的各种特性；说明了步进电机的构造、工作原理及驱动；回顾了步进电机在国内外发展及应用的概况；分析了步进电机的调速方法，给出控制系统的具体实现方案。
关键词：
步进电机、控制系统、调速方法
毕业设计（论文）外文摘要
Title:
Steppingmotordrivercontroltechnologyandapplication
Abstract:
Steppingmotorisapulsesignalintomechanicalangulardisplacementcontrolmotororline.Itcannotinvolvingcomplexfeedbackloopinrealizegoodpositioningaccuracy.Andbecauseofitslowpricesandeasycontrol,noerroraccumulation,etc.Incivilandindustrialuseintheeconomicalncpositioningsystemhasbeenwidelyusedhashighpracticalvalue.Toemphasizethepracticabilityandfeasibility,thisessay.Thischapterreviewsthesteppermotorvariouscharacteristics.
Explainsthestepmotorstructure,workingprincipleanddrive.Reviewedthesteppingmotorinthedomesticandforeigndevelopmentandapplicationofthesituation.Analyzedthesteppingmotorspeedcontrolmethodsofthecontrolsystem,givesaconcreterealizationscheme.
keywords:
SteppingmotorControlsystemcontrolmethod
目录
第一章引言5
1.1步进电机的优点5
1.2步进电机的缺点6
第二章步进电机的工作原理7
2.1磁阻式步进电机7
2.2永磁式步进电机8
2.3混合式步进电机9
2.4关键技术问题10
第三章PLC的步进电机控制系统11
3.1PLC直接控制步进电机11
3.2采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程11
3.3PLC直接控制步进电机的编程方法13
第四章步进电机的调速方法15
4.1步进脉冲的调频方法15
4.2升降频方法及其实现17
4.2.1升降频方法17
4.2.2软件实现19
结论23
致谢24
参考文献25
第一章引言
在我国,步进电动机的研究始于1958年，当时只有清华大学,华中理工大学等少数高等院校在从事这项工作。
60年代受苏联的影响，主要以三相磁阻式步进电机为主。
70年代我国研制快走丝数控线切割机、数控机床等数控设备的需求对步进电机的发展起了很大的促进作用。
当时受到苏联、日本等工业较发达国家的影响，国内开始自行研制磁阻式步进电机的系列产品。
1.1步进电机的优点
基于电机的运动控制技术作为自动化领域的关键部分，在国民经济当中起着重要的作用。
随着现代科学技术的进步，尤其是集成电路、电力电子器件、自动化控制理论等方面的进展，电机在其实际应用中已由过去简单地控制转动停止、以提供动力为目的应用上升到对速度、加速度、位移和转矩等进行精确控制阶段，以便使被驱动的机械运动准确符合预想的要求。
步进电机正好能够很好地符合这种需求，它是一种将数字脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的数模转换控制电机。
通常所说的步进电机一般是指机电一体化设备包括步进电机及其驱动器，当步进电机驱动器接受到一个脉冲之后就驱动步进电机转动一个固定的角度即步距角。
步进电机不像其它电机那样连续旋转而是以一定的步距角一步一步做增量运动因此而得名。
所以通过控制脉冲个数来控制步进电机转动的角位移，达到精确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲的频率来控制步进电机转动速度和加速度，达到调速的目的。
除此之外步进电机还具有以下一些优点[1～6]：
（1）无刷：
步进电机是无刷结构电机，与带有换向器和电刷等易损部件的传统有刷电机相比而言可靠性更高；
（2）与负载无关：
不超载时步进电机能够按照设定的速度运行；
（3）动态响应快：
易于启动、停止和反转；
（4）保持转矩：
停止时能够自锁；
（5）无累积误差：
虽然步进电机每转动一步的角位移与标称的步距角具有一定的误差（3～5%），但是转动一周后累积的误差和为零。
（6）步距角与环境无关：
步进电机的固有步距角是由本身构造决定的，与温度、电压、电流等使用环境无关。
（7）易于控制：
只需控制脉冲的频率和个数，即可达到定位、调速目的。
（8）价格低廉：
步进电机相对于同样用于定位领域交、直流伺服电机而言具有较高的性价比。
1.2步进电机的缺点
正是由于这些优点，使得由步进电机及其驱动控制器构成的开环数控定位系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。
与同样应用于定位领域的交、直流伺服电机构成闭环伺服系统相比较而言，主要优势在于性价比高和驱动控制简单，但是性能上却具有以下明显的不足之处[1～6]：
（1）低速转动时振动和噪声都比较大；
（2）输出力矩随着转动速度的升高而降低；
（3）启动频率不能太高，否则会堵转并伴随有呼啸声；
（4）速度突变较大时存在丢步和过冲现象；
（5）最高运动速度较低，且高速运转时输出力矩小。
（6）开环控制，不能保证实际转动的角度与设想的完全一致。
虽然步进电机有这些缺点，但是并不影响其在经济型的数控装置上的使用。
现在比较常用的步进电机主要有反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。
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，振动和噪音小；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；混合式步进电机混合了永磁式和反应式的优点，步距角小、转矩大且振动、噪音小，它主要又分为两相和五相：
两相步距角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
第二章步进电机的工作原理
目前步进电机的种类繁多，性能特点也各有差异，但按照基本构造和工作原理可分为三种类型：
磁阻式（亦称反应式），即VR型（VariableReluctance）；永磁式（亦称爪极式），即PM（PermanentMagnet）；混合式，即HB（Hybrid）。
以下将就这三种类型步进电机的构造以及基本驱动原理做简要的描述。
2.1磁阻式步进电机
磁阻式步进电机通常也可称为反应式步进电机，其定转子均采用齿状结构，定子每个极上都绕有线圈，转子则是由软铁材料制成的。
其基本原理是绕组通电励磁之后会产生一个转矩迫使转子转动到磁通路径磁阻最小的位置。
为了更好的说明磁阻式步进电机的工作原理，图2展示了简化的三相反应式步进电机，其定子上有八个极，转子只有四个小齿，步距角为30°。
当绕组1通电时，为了保持其磁通路径磁阻最小，将产生一个转矩迫使X与之对齐；接着若绕组1断电、绕组2通电，则转子将顺时针转动使得Y与绕组2对齐保持磁通路径磁阻最小。
实际上的步进电机可通过增加定子极数或者转子的齿数来减少步距角，例如图1所示的是四相反应式步进电机的横截面示意图，其定子上有八个极，每个极上分布有5个小齿，转子有50个小齿，步距角为1.8°。
图1四相反应式步进电机横截面示意图图2三相反应式步进电机示意图[5]
2.2永磁式步进电机
图3永磁式步进电机结构示意图[7]
如图3所示，永磁式步进电机转子为N极、S极相间的永磁体，由于定子极冲制成爪型因而又名爪极式步进电机。
其基本工作原理是转子上的永磁体建立的磁场和定子绕组电流激励的磁场相互作用，形成的同性相斥、异性相吸的电磁转矩，当绕组励磁产生的合磁场发生旋转时，转子也会跟着同步转动起来。
如图4所示
图4两相永磁式步进电机实物解剖图
永磁式步进电机的定子是由绕满漆包线的注塑骨架套在爪极板上构成的，当绕组通电励磁后定子上爪极就会被磁化为N极或者S极，从而与转子的N极和S极相互作用形成电磁转矩。
永磁式步进电机相对于反应式步进电机来说，具有控制功率小、振动和噪音小的优点，但是由于其定子极数和转子极数相同，且转子永磁体要制成NS密集相间的多对磁极比较困难，因而其步距角一般比较大。
2.3混合式步进电机
混合式步进电机定子、转子铁芯均为齿状结构同反应式步进电动机结构非常相似，但是其转子带有永久磁钢具备永磁体的特性，所以混合式步进电动机可看作VR和PM两种步进电动机的组合。
图6所示的混合式步进电机的详细的结构示意题图，图5则是两相混合式步进电机的实物解剖图。
从这两个图中可以看出混合式步进电机的定子是多个带有小齿且绕有线圈的极子构成的，这个可以说和反
应式步进电机是相同的，而转子则是由左右两边带有小齿的铁芯以及中间的永久磁钢构成，左右两个铁芯一边呈现S极另一呈现N极且相互错开1/2个小齿齿距以
图5两相混合式步进电机实物解剖图[9]图6混合式步进电机结构示意图[8]
便形成跟永磁式步进电机类似的N、S相间磁极。
混合式步进电机的基本工作原理和永磁式步进电机一样，是靠绕组通电之后激励的磁场与转子固有的磁场进行同性相斥、异性相吸的相互作用，形成电磁转矩促使转子转动，当定子绕组激励的合磁场发生旋转时定子也同步旋转。
目前步进电机主要以定子8极、转子50齿的两相混合式步进电机和定子10极转子50齿的五相混合步进电机为主，图7和图8为各自的横截面示意图。
图7五相混合式步进电机横截面示意图[8]图8两相混合式步进电机横截面示意图[10]
2.4关键技术问题
步进电机由于的驱动控制简单、无累积误差等优点，被广泛应用于经济型的高分辨率数控定位系统当中。
但是它存在着两个明显的固有缺点，一个是低速转动时振动和噪音相对较大，另一个是当频率突变过大时容易堵转、丢步或者过冲，这两个缺点对定位系统的精度会产生较大的影响。
步进电机作为一种机电一体化设备，电机本身固有的问题可通过驱动器或者控制器来弥补。
采用细分驱动技术可以大大减少低速转动时的振动和噪音，还可以起到减小步距角、提高分辨率、增大输出力矩的效果；采用升降频控制技术,则可以克服步进电机高速起停时存在的堵转、丢步或者过冲等问题，使步进电机转动得更加平稳、定位更加精确。
第三章基于PLC的步进电机控制系统
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等。
另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。
由于通过控制脉冲个数可以很方便的控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积累，可以达到准确定位的目的。
还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速和加速度，达到任意调速的目的，因此步进电机可以广泛的应用于各种开环控制系统中。
3.1PLC直接控制步进电机
使用PLC直接控制步进电机时，可使用PLC产生控制步进电机所需要的各种时序的脉冲。
例如三相步进电机可采用三种工作方式：
三相单三拍：
三相双三拍：
三相单六拍：
可根据步进电机的工作方式，以及所要求的频率（步进电机的速度），画出A、B、C各相的时序图。
并使用PLC产生各种时序的脉冲例如：
采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程。
要求通过PLC可实现三相步进电机的起停控制、正反转控制，以及三种工作方式的切换（每相通电时间为1秒钟）。
3.2采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程
变量约定如下：
输入：
启动按钮SB1：
I0.0方向选择开关SA1：
I0.1
停止按钮SB2：
I0.2三相单三拍方式选择SA2：
I0.3
三相双三拍方式选择SA3：
I0.4三相单六拍方式选择SA4：
I0.5
输出：
A相加电压：
Q0.0B相加电压：
Q0.1
C相加电压：
Q0.2启动指示灯：
Q0.3
三相单三拍运行方式：
Q0.4三相双三拍运行方式：
Q0.5
三相单六拍运行方式：
Q0.6输出脉冲显示灯：
Q0.7
三相单三拍正向的时序图如下图所示：
三相双三拍正向的时序图如下图所示：
三相单六拍正向时序图如下图所示：
3.3PLC直接控制步进电机的编程方法
1．使用定时器指令实现各种时序脉冲的要求：
使用定器产生不同工作方式下的工作脉冲，然后按照控制开关状态输出到各相对应的输出点控制步进电机。
例如：
使用图所示的程序可以产生所需要的脉冲：
M0.0作为总控制状态位，控制脉冲发生指令是否启动。
一旦启动，采用T0、T1、T2以及它们的组合可以得到三相单三拍和三相双三拍的两种工作方式下，各相的脉冲信号。
如T0的状态为三相单三拍工作状态下A相的脉冲。
同理可使用类似程序得到三相单六拍时各相所需的脉冲信号。
2．使用移位指令实现各相所需的脉冲信号。
例如在MW10中进行移位，每次移位的时间为1秒钟。
如图为三相单六拍正向时序流程图，三相单三拍可利用相同的流程图，从M11.1开始移位，每次移两位，而三相双三拍从M11.2开始，每次移两位。
在程序段1中，先产生周期为1秒钟的脉冲信号，如图所示：
第四章步进电机的调速方法
本章节提出了步进电机的几种速度调节方法。
脉冲频率的调节采用软件延时或硬件定时。
升降频采用直线升降法、指数曲线升降法或抛物线升降法。
给出了脉冲频率调节的实用程序，通过对步进电机矩频特性曲线的分析，得出了步进电机的升频表格，并提供了一个完整的软件升降频流程图。
几种调速方法应用在多种数控机床上，提高了步进电机的定位精度，改善了电机转动的平稳性，加速了电机的升降过程。
4.1步进脉冲的调频方法
（1）软件延时：
通过调用标准的延时子程序来实现。
假定控制器基
AT89S52单片机，晶振频率为12MHz，那么可以编制一个标准的延时。
子程序如下：
该子程序的入口为（0E）（0D）两个字节，若需要20000us的延时，则给（0E）（0D）两个字节赋值4E20H，即执行下面程序：
MOV0EH，#4EH；20000的十六进制码为4E20。
MOV0DH．#20H
CALLDELAY；调用标准延时子程序DELAY。
若要控制步进电机走100步，每两步之间延时20000s，则汇编程序为：
MOV0FH，#100D；准备走100步。
CONTI：
CALLI_STEP；电机走一步（调用电机的脉冲分配子程序）
MOV0EH，#4EH；20000的十六进制码为4E20。
MOV0DH，#20H
CALLDELAY；相邻步之间的延时（决定电机的转速）。
DJNZ0FH，CONTI；循环次数减1后，若不为0则继续，循环100次。
可以看出，采用软件延时方法实现速度调节的优点是程序简单，思路清晰，不占用硬件资源。
缺点是浪费CPU的宝贵时间，在控制电机转动的过程中，CPU不能做其它事。
硬件定时：
假定控制器仍为AT89S52单片机，晶振频率为12MHz，将AT89S52的TD作为定时器使用，设定T0工作在模式1（16位定时／计数器）。
今要求它能定时地发出步进脉冲，其定时中断产生的脉冲序列的周期（即步进电机的脉冲间隔）假定为20000s，则可算出TD所对应的定时常数为B1E0H，CPU相应的程序如下：
主程序：
MOVTMOD，#01H；设T0取工作模式1。
MOVTH0．#0B1H；装入定时常数高8位。
MOVTLO，#0E0H；装入定时常数低8位。
SETBTR0；启动T0定时。
SETBET0；允许T0中断。
SETBEA；允许CPU中断。
$ ；CPU等待T0的定时到。
中断服务程序：
CLRET0;关T0中断。
CALLI_STEP；控制电机走一步（调用电机的脉冲分配子程序）。
RETI；T0中断返回。
本例中，只要改变T0的定时常数，就可实现步进电机的调速。
这种方法既需要硬件（T0定时器）又需要软件来确定脉冲序列的频率，所以是
一种软硬件相结合的方法。
它的缺点是占用了一个定时器。
在比较复杂的控制系统中常采用定时中断的方法，这样可以提高CPU的利用率。
4.2升降频方法及其实现
4.2.1升降频方法
当步进电机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行，需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零速。
此时，电机运行于恒速状态，无需升降频控制。
当步进电机的运行频率fb>fa（fa为步进电机有载起动时的起动频率）时，若直接用fb起动，由于频率太高，步进电机会丢步，甚至产生堵转。
同样，在fb频率下突然停止，步进电机会超程。
因此，当要求步进电机在运行频率．fb下正常工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电机从启动频率fa开始，逐渐加速升到运行频率fb，然后进入匀速运行，最后的降频可以看作是升频的逆过程。
步进电机常用的升降频控制方法有3种：
（1）直线升降频。
如图1所示。
这种方法是以恒定的加速度进行升降，平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。
加速时间虽然长，但
软件实现比较简单。
图1直线升降频
指数曲线升降频。
如图2所示，这种方法是从步进电机的矩频特性出发，根据转矩随频率的变化规律推导出来的。
它符合步进电机加减速过程的运动规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性能较好，升降时间短。
指数升降控制具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性较差，一般适用于跟踪响应要求较高的切削加工中。
图2指数曲线升降频
（1）抛物线升降频。
如图3所示，抛物线升降频将直线升降频和指数曲线升降频融为一体，充分利用步进电机低速时的有效转矩，使升降速的时间大大缩短，同时又具有较强的跟踪能力，这是一种比较好的方法。
图3抛物线升降频
4.2.2软件实现
步进电机在升降频过程中，脉冲序列的产生，即两个脉冲时间间隔的软件确定，有2种方法：
（1）递增／递减一定值。
如线性升降频，两脉冲频率的差值Δf=|fi-fi-1|是相等的，其对应的时间增量Δf也是相等。
时间的计算若采用软件延时的方法，可先设置一个基本的延时单元Te，不同频率的脉冲序列可由Te的不同倍数产生。
设起动时所用频率对应的时间常数为tNe以后逐次递减Δt（设Δt=tM），直到等于运行频率所对应的时间（tRe）为止。
这种方法编程简单，节省内存。
时间计算也可采用定时中断的方法，可将定时常数逐次递增／递减一定值，实现升降频控制。
因其定时不是连续的，所以升降速曲线不是一条直线，而是折线，但可近似看成直线。
（2）查表法。
为了对步进电机实现最佳升降频控制，缩短电机的升降频时间，可从步进电机矩频特性出发进行分析。
由步进电机的矩频特性（见图4，130BC3100A电机）可知，转矩M是频率f的函数（即角加速度dω/dt=M（f）／J，J为电机的转动惯量），它随着f的上升而下降，所以它呈软的特性。
当频率较低时，转矩M较大，对应的角加速度dω/dt也较大，所以升频的脉冲频率增加率df／dt应取得大一些；当频率较高时，较小，dω/dt也较小，此时，升频的脉冲频率增加率df／dt应取小一些，否则，会由于无足够的转矩而失步。
因此，根据步进电机的矩频特性，可以看出：
在步进电机的升频过程中，应遵循“先快后慢”的原则。
按此要求，从开始升频到升至fb之间，按最佳升频要求的频率取出f1，f2，f3，……，fn并将它们所对应的脉冲间隔时间t1，t2，……，tn，依次存于内存的一个数据区，如表1所示（称阶梯频率表）。
图4步进电机的矩频特性曲线
表1阶梯频率表
序号
频率（时间）
备注
K1
Fa（ta）
最低频率
K1+1
F1（t2）
升降
↑↓
频频
K1+2
F2（t2）
…
…
K1+n
Fn（tn）
最高频率
考虑到步进电机的惯性作用。
在升速过程中，如果速率变化太大，电机响应将跟不上频率的变化，出现失步现象。
因此，每改变一次频率，要求电机持续运行一定步数（称阶梯步长），使步进电机慢慢适应变化的频率，从而进入稳定的运行状态。
根据最佳升降频控制规律，可推出步进电机的“频率-步长”关系曲线如图5所示。
图5频率-步长曲线
这样，升频时除需将阶梯频率表存于内存的一个数据区内外，还需建立另一个数据区，用来存放阶梯步长（如表2所示）。
在升频过程中，可用查表的方法，分别得到fi=（ti）和所对应的△Li，实现升降频控制。
软件上的具体做法是：
将fi（ti）和△Li在EPROM中交替存放（如表3所示），程
序执行时按顺序取数，每次取出一个频率和该频率对应的步长。
表2阶梯步长表
序号
步长（脉冲）
K2
ΔLa
K2+1
ΔL1
K2+2
ΔL2
…
…
K2+n
ΔLn
表3频率-步长表
K
fn（ta）
K+1
ΔLa
K+2
f1（t1）
K+3
ΔL1
K+4
f2（t2）
K+5
ΔL2
…
…
结论
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的数字电机，在经济型数控机床及自动化设备中应用广泛。
控制步进电机的转动需要3个要素：
方向、转角和转速。
对于含有硬件的驱动电源，方向取决于控制器送出的方向电平的高或低。
转角取决于控制器送出的步进脉冲的个数。
而转速则取决于控制器发出的步进脉冲之间的时间间隔。
在步进电机的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。
步进电机工作时，失步或过冲直接影响其定位精度。
一般电动机是连续旋转的，而步进电机的转动是一步一步进行。
每输入一个脉冲电信号，步进电机就转动一个角度。
通过改变脉冲频率和数量，即可实现调速和控制转动的角位移大小，具有较高的定位精度，其最小步距角可达0.75°，转动、停止、反转反应灵敏、可靠。
致谢
三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。
三年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。
伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡
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