1、<p>　　畢 業(yè) 設 計 論 文</p><p>　　專 業(yè)：機電一體化技術</p><p>　　班 級：2010級機電一體化</p><p><b>　　姓 名：</b></p><p><b>　　學 號: </b></p><p>&

2、lt;b>　　指導老師：</b></p><p><b>　　內容摘要</b></p><p>　　步進電機可以對旋轉角度和轉動速度進行高精度控制。步進電機作為制執(zhí)行元件，是電氣自動化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機械等領域。例如，在儀器儀表，機床設備以及計算機的外圍設備中（如打印機和繪圖儀等），凡需要對轉角進行精確控制的情況下

3、，使用步進電機最為理想。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 步進電動機原理................................4</p><p>　　方案選擇...................

4、....................10</p><p>　　系統(tǒng)原理與設計.................................13</p><p>　　結束語..................................................18</p><p>　　參考文獻............................

5、....................19</p><p>　　第一章 步進電動機原理</p><p>　　根據(jù)機電能量轉換原理，步進電動機與通常的的交流或直流電動機無異，是將電能變成機械能的電磁元件。但它的運行原理等方面存在特殊性。所以我們在使用前必須先了解其原理，才能在設計時靈活運用。</p><p>　　1.1 步進電動機的分類</p>

6、<p>　　1 按工作原理分類：</p><p><b>　　激磁式（電磁式）</b></p><p>　　步進電動機的定子和轉子均有繞組，靠電磁力矩使轉子動。</p><p>　　反應式（磁阻式）圖—1</p><p>　　轉子無繞組，定子繞組勵磁后產生反應力矩，使轉子轉動。</p>&l

7、t;p><b>　　永磁式 圖—2</b></p><p>　　轉子和定子的某一方具有永久磁鋼，另一方由軟磁材料制成。繞組輪流通電，建立的磁場與永久磁鋼的恒定磁場相互作用產生轉矩。</p><p>　　混合式（永磁感應式）</p><p><b>　　圖—1</b></p><p><

8、b>　　圖—2</b></p><p>　　2. 按輸出轉矩的大小分類：</p><p><b>　　1快速步進電動機</b></p><p>　　電動機的輸出轉矩一般為0。07～4Nm，可以控制小型精密機床的工作臺，例如線切割機床。</p><p><b>　　2功率步進電動機</b&

9、gt;</p><p>　　電動機的輸出轉矩一般為5～40Nm，可直接驅動機床的移動部件。</p><p>　　此外，按勵磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相、等等。相數(shù)越多，步距角越小，但結構越復雜。按運動方式分為旋轉運動、直線運動、平面運動等。按定子排列還可分為徑向式（單段式）和軸向（多段式），軸向式的轉動慣量小，快速性和穩(wěn)定性好，功率步進電動機多為軸向式。</p><

10、;p>　　1.2 步進電動機的結構與原理 </p><p><b>　　1結構特點</b></p><p>　　步進電動機由定子和轉子兩大部分組成。我們以三相步進電動機為例。三相反應式步進電動機的結構簡圖（如圖—3）所示，定子有六個磁極，每相對磁極構成一相控制繞組 ，轉子上有均布的四個齒。</p><p><b>　　圖-

11、3</b></p><p><b>　　2 工作原理</b></p><p>　　步進電動機的工作原理，其實就是電磁鐵的工作原理，當U相通電，V、W相不通電，如圖3所示，1、3齒與U相對齊；當V相通電，U、W相不通電，如圖3所示，2、4齒與V相對齊；當W相通電，U、V相不通電，如圖3所示，1、3齒與W相對齊。</p><p>　　由

12、此可見，當通電順序為U→V → W→U →V →…時，轉子便順時針方向一步一步地轉動，通電狀態(tài)每換接一次，轉子前進一步，一步對應的角度稱為步距角。電流換接三次，磁場旋轉一周，轉子前進一個齒距的位置，一個齒距所對應的角度稱為齒距角（此例中齒距角為90度）當改變通電順序時，將改變轉子的轉向。</p><p><b>　　通電方式</b></p><p><b>

13、　　單相輪流通電方式</b></p><p>　　每次切換前后只有一相繞組通電。在這種通電方式下，電動機工作的 穩(wěn)定性較差，容易失步。上述例子即為單向輪流通電方式，稱為三相單三拍通電。</p><p><b>　　單雙相輪流通電方式</b></p><p>　　上述兩種通電方式的組合。即通電方式為：U → UV → V → VW

14、→W → WU →U →… 稱為三相六拍通電，如圖-4所示。 三相六拍通電方式的步距角減小一倍。</p><p><b>　　圖-4</b></p><p>　　1.3 步進電動機的選擇</p><p>　　我們在選擇步進電動機的時候，要先要了解它的性能和特點。具體的反映在一些參數(shù)上。</p><p>　　步進電機

15、的一些基本參數(shù)：</p><p><b>　　電機固有步距角： </b></p><p>　　它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0。9°/1。8°（表示半步工作時為0。9°、整步工作時為1。8°），這個步距角可以稱之為‘電機固有步距角’，它不

16、一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。</p><p><b>　　步進電機的相數(shù)：</b></p><p>　　是指電機內部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0。9°/1。8°、三相的為0。75°/1。5°、五相的為0。36

17、6;/0。72° 。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。</p><p>　　保持轉矩（HOLDING TORQUE）：</p><p>　　是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩

18、接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N。m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N。m的步進電機。</p><p>　　DETENT TORQUE：</p><p>　　是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。DETENT TORQUE 在國內沒有統(tǒng)

19、一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。</p><p>　　步進電機的一些特點：</p><p>　　1．一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。</p><p>　　2．步進電機外表允許的最高溫度。</p><p>　　步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁

20、，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。</p><p>　　3．步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。</p><p>　　當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作

21、用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。</p><p>　　4．步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。</p><p>　　步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻

22、率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。</p><p>　　第二章 方案選擇</p><p>　　在設計步進電動機的驅動系統(tǒng)前我們應該針對工作所面對的對象選擇正確的方案，首先要清楚開環(huán)與閉環(huán)控制的區(qū)別。</p><p>　　2.1 開環(huán)控制與閉環(huán)控制</p><p>　　一般而言,

23、步進電機的控制方式可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。</p><p>　　開環(huán)控制的步進電機驅動系統(tǒng)的輸入脈沖不依賴與轉子的位置,而是事先按一定規(guī)律給定的。在這里,負載位置對控制電路沒有反饋,因此步進電機必須正確的響應每次勵磁變化,如果勵磁變化太快,電機不能夠移動到新的要求位置,那么實際的負載位置相對控制器所期待的位置將出現(xiàn)永久誤差。如果負載參數(shù)基本上不隨時間變化,那么相與相之間控制信號的延時設置比較簡單,但是在負

24、載可能變化的應用場合下,延時必須以最壞的情況進行設定。并且這樣確定的控制方式對于其他負載而言并非最佳,這其實就限制了開環(huán)控制的應用范圍。</p><p>　　開環(huán)控制還有一個缺陷就是電機的輸出轉矩和速度在很大程度上取決于驅動電源和控制方式。對于不同的電機或者同一種電機不同的負載,很難找到通用的加減速規(guī)律,因此使提高步進電機的性能指標受到限制。</p><p>　　閉環(huán)控制是不斷直接或間接地

25、檢測轉子的位置和速度,然后通過反饋和適當?shù)奶幚?自動給出脈沖鏈,使步進電機每一步都響應控制信號的命令,從而只要控制策略正確電機不可能輕易失步。</p><p>　　初始是電機系統(tǒng)受一相或幾相勵磁而靜止。開始工作時先把目標位置送入減法計數(shù)器,然后將啟動信號加到控制單元,控制單元把命令信號送到相序發(fā)生器,使勵磁變化一次。電機以負載參數(shù)決定的速率開始加速。</p><p>　　當?shù)谝徊轿恢每斓綍r

26、,位置檢測器產生一個送到減法計數(shù)器和控制單元的脈沖。減法計數(shù)器減一,負載相對目標位置響應減一。在這里注意閉環(huán)控制中減法計數(shù)器記錄的是實際的負載位置,而在開環(huán)控制中計數(shù)器只尋要記錄送給電機的步進命令數(shù),并不保證這些命令是否被執(zhí)行。</p><p>　　送達控制單元的位置檢測脈沖用來產生下一步命令。負載越大則達到第一步位置所花的時間就越長，相繼的步進命令之間的時間間隔就越長，因而自動適應了比較慢的加速速率。</

27、p><p>　　電機開始減速的時刻由減法計數(shù)器決定。在減速期間，執(zhí)行的步數(shù)取決于負載條件，慣量大、轉矩小的負載需要更多的減速步數(shù)。如果實際的負載條件沒有最壞的情況那么嚴重，那么系統(tǒng)在達到目標位置前的步進速率將底于啟動頻率，因此就會可靠地停止。當減法計數(shù)器為零時，則表示要求的步數(shù)已執(zhí)行完畢。這時減法計數(shù)器發(fā)出一個停止信號控制單元，從而禁止以后的步進命令，系統(tǒng)工作停止。</p><p>　　綜上所

28、述，閉環(huán)控制的勵磁延時設置隨負載而變化，他能產生接近最佳的速度曲線和快速的負載定位。并且一般采用直接監(jiān)視負載位置的方法，因此發(fā)生失步的可能性大大減小。</p><p>　　在本實驗中因為要求不是很高，所以只要采取最簡單的開環(huán)控制系統(tǒng)，用來實現(xiàn)步進電動機的正轉、反轉、加速、減速。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)原理與設計</p><p>　　3.1 系統(tǒng)原理

29、</p><p>　　步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執(zhí)行元件。步進電動機的運動由一系列電脈沖控制，脈沖發(fā)生器所產生的電脈沖信號，通過環(huán)形分配器按一定的順序加到電動機的各相繞組上。步進電動機轉子轉動的速度取決于脈沖信號的頻率，總位移量取決于總的脈沖數(shù)，它作為伺服電動機應用于控制系統(tǒng)時，可以使系統(tǒng)簡化，工作可靠，而且可以獲得較高的控制精度。為了使電動機能夠輸出足夠的功率，經過環(huán)形分配器產生的脈沖信號

30、還需要進行功率放大。</p><p>　　環(huán)形分配器、功率放大器以及其他輔助電路統(tǒng)稱為步進電機的驅動電源。步進電動機、驅動電源和控制器構成步進電動機傳動控制系統(tǒng)，如圖-5所示</p><p><b>　　圖-5</b></p><p><b>　　3.2 驅動電源</b></p><p>　　環(huán)形

31、分配器、功率放大器以及其他輔助電路統(tǒng)稱為步進電機的驅動電源。</p><p>　　3.2.1 環(huán)形分配器</p><p>　　環(huán)形分配器是根據(jù)指令把脈沖信號按一定的邏輯關系加到放大器上，使各相繞組按一定的順序和時間導通和斷開，并根據(jù)指令使電動機正轉或反轉，實現(xiàn)確定的運行方式。環(huán)形分配器可以由硬件和軟件兩種方式實現(xiàn)。</p><p><b>　　硬件環(huán)形分

32、配器</b></p><p>　　硬件環(huán)形分配器由門電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路構成。</p><p><b>　　集成脈沖分配器</b></p><p>　　L297是專為四相步進電動機設計的環(huán)形分配器。它有四個輸出端，當輸入端CL或EN加上時鐘脈沖后，輸出波形將符合四相步進電動機的要求。若采用CL脈沖輸入端，是上升沿觸發(fā)，同

33、時EN為使能端，EN＝1時工作，EN＝0時禁止。CW為方向控制端，控制正反轉。</p><p>　　改變輸入CL的脈沖可以使步進電動機加速、減速。19腳為半步、全步選擇端，當輸入高電平時為全步方式轉動，低電平相反。20腳為復位輸入端。如圖-6</p><p><b>　　圖-6</b></p><p><b>　　軟件環(huán)形分配器<

34、;/b></p><p>　　一般微機系統(tǒng)需要進行如下設置：</p><p>　　設置輸出接口 設輸出口的P1。0接A相；P1。1接B相；P1。2接C相。P1。3接D相；設計環(huán)形分配子程序；在存儲器中建立環(huán)形分配表；設計延時子程序；設計延時子程序來控制步進頻率；當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA時為正轉，通電時序為DA-CA-BC-AB時為反轉。</p>&l

35、t;p>　　3.2.2 驅動電路</p><p>　　單電壓限流型驅動電路</p><p>　　這種電路的特點是線路簡單，成本低，低頻時響應較好；缺點是效率低，尤其在高頻工作的電動機效率更低。在實際中較少使用，只有在小功率步進電動機且在簡單應用中才使用。</p><p><b>　　雙電壓驅動電路</b></p><

36、p>　　這種電路的特點是電動機繞組主電路中采用高壓和低壓兩種電壓供電，一般高壓為低壓的數(shù)倍。適用于大功率和高頻工作的步進電動機，優(yōu)點是功耗小，起動力矩大，突跳頻率和工作頻率高，缺點是低頻振蕩加劇，波形呈凹形，輸出轉矩下降；大功率管的數(shù)量多用一倍，增加了驅動電源。</p><p><b>　　斬波驅動電路</b></p><p>　　斬波電路的出現(xiàn)是為了彌補雙電壓

37、電路波形呈現(xiàn)凹形的缺陷，改善了輸出轉矩的下降，使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近</p><p><b>　　升頻升壓驅動電路</b></p><p>　　為了減小低頻振動，應使低速時繞組電流上升的前沿較平緩，這樣才能使轉子在到達新的穩(wěn)定平衡位置時不產生過沖，而在高速時則應使電流有較陡的前沿，以產生足夠的繞組電流，才能提高步進電動機的帶載能力。這就要求驅動電源低頻時用

38、較低的電壓供電，高頻時用較高的電壓供電。升頻升壓驅動電路可以較好地滿足這一要求。</p><p><b>　　專用功率放大器</b></p><p>　　L298是專用的功率放大器，是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片的主要特點是:工作電壓高,最高工作電壓可達46V;輸出電流大,瞬間峰值電流可達3A,持續(xù)工作電流為2A;內含兩個H橋的高電壓大電流全橋

39、式驅動器,可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器、線圈等感性負載;采用標準TTL邏輯電平信號控制;具有兩個使能控制端,在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作;有一個邏輯電源輸入端,使內部邏輯電路部分在低電壓下工作;可以外接檢測電阻,將變化量反饋給控制電路。</p><p>　　3.3 系統(tǒng)設計</p><p>　　控制步進電動機的方案有很多種，這里我所采用的是L297和L2

40、98芯片實現(xiàn)驅動步進電機的一種簡單方法,利用該方法設計的步進電機驅動系統(tǒng)具有硬件結構簡單、軟件編程容易和價格低廉的特點。</p><p>　　其中主要的是利用L297為環(huán)形分配器，L298為功率放大器，555電路產生脈沖輸入18腳，通過改變脈沖的頻率，使步進電動機加速、減速。這個可以在WEB上實驗出來，頻率改變的情況如圖-7。改變17腳的電平高低，使步進電動機正轉，反轉?？傮w來說系統(tǒng)如圖-8</p>

41、<p><b>　　圖-7</b></p><p><b>　　圖-8</b></p><p>　　說明（我所選用的日本產的四相步進電動機，在電動機上有5根線，在接入時候需要區(qū)分電源接線，ABCD四相也要從試驗中找出。接13，14腳電阻市場上一般買不到，我用兩個0。5/5W的電阻代替。在電源的選用上我分別做了一個5V和12V的直流穩(wěn)壓

42、電源，在接入時必須共地。二極管選用4007比較保險。濾波電容都選用100∪F的。）</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在論文研究和撰寫過程中，本人得到了指導教師**老師的悉心指導。在課題研究設計過程中，老師淵博的知識、踏實嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度以及精益求精的工作作風使我獲益匪淺。尤其朱老師幫我找了很多相關資料，解決了設計中所遇到的實際問題。在此

43、謹向朱老師表示最衷心的感謝。</p><p>　　最后還要感謝在校的各位教職和領導,在這三年里多虧有他們的關懷指導才使我能夠順利的完成學業(yè)。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　【1】 《 步進電機控制技術入門》 作 者：王鴻鈺編著 出版社：同濟大學出版社,1996</p><p>

44、　　【2】 《 步進電動機及其驅動控制系統(tǒng) 》 作 者：劉寶廷編著 出版社：哈爾濱工業(yè)大學出版社,1997。</p><p>　　【3】 《 電子技術基礎 》 作 者：康華光編著 出版社：高等教育出版社，1998</p><p>　　【4】 《電子線路設計·實驗·測試 》 作 者：謝自美編著</p><p>　　出版社： 華中科技大