步进电机控制技术论文
步进电机控制技术论文
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。学习啦小编为大家整理的电机控制技术论文，希望你们喜欢。
电机控制技术论文篇一
步进电机控制系统
摘要：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。
关键词：步进电机;执行元件;计算机;发展
1步进电机原理及特征
1.1步进电机的目前发展情况
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元件。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。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、位置等控制领域使用步进电机进行控制变得非常简单。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。
1.2步进电机的特点
1.步进电动机工作时每相绕组不是恒定地通电， 而是按一定的规律轮流通电。 2.每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角。 3.步进电机可以按特定指令进行角度控制， 也可以进行速度控制。角度控制时， 每输入一个脉冲， 定子绕组就换接一次， 输出轴就转过一个角度， 其步数与脉冲数一致， 输出轴转动的角位移量与输入脉冲成正比。速度控制时， 步进电机绕组中送入的是连续脉冲， 各相绕组不断地轮流通电， 步进电机连续动转， 它的转速与脉冲频率成正比。改变通电顺序， 即改变定子磁场旋转方向， 就可以控制电机正转或是反转。
1.3步进电机的一些典型运用场合
①步进电机主要用于一些有定位要求的场合。例如：线切割的工作台拖动，植毛机工作台(毛孔定位)，包装机(定长度)。基本上涉及到定位的场合都用得到。
②广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。
③步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用，这类步进电机的特点是保持转矩不高，频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。
目前用于电脑绣花机的步进电机多数为三相混合式步进电机，并采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质，减少转矩波动，抑制振荡，降低噪音，提高步矩分辨率。
1.4 步进电机的运转原理及结构
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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(及步进角)。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;也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。
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。
1.5 旋转
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，(转子不受任何力，以下均同)。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て。
这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4(即齿1前一齿)移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步(每脉冲)1/3て，向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。
2电路设计分析
2.1 8253及8255驱动步进电机电路
①按图连接线路，利用8255 输出脉冲序列，开关K0～K6 控制步进电机转速，K7控制步进电机转向。8255 CS 接288H～28FH。PA0～PA3 接BA～BD;PC0～PC7 接K0～K7。
②编程：当K0～K6 中某一开关为“1”(向上拨)时步进电机启动，并且电机转动速度大小不同。K7 向上打电机正转，向下打电机反转。
2.2实验重要参数计算
由实际测试得，stepcount步数设定为约59步时。步进电机转动一圈。
由实验要求：先顺时针，每分钟6圈，转十分钟。约得stepcount=59*6*10=3540。
停止三秒：8086机器周期为1/5MHz.3s=1/5MHz*15*exp6即15M个机器周期的指令。
后逆时针，每分钟30圈，转十分钟。约得stepcount=59*30*10=17700。
2.3 实际问题及解决方法
①硬件连接及软件程序不够熟练，经多方面查资料，翻阅书籍，确定设计方案及硬件软件的具体设计内容。
②键盘及LED显示的控制不够理想，经程序的细心解读，最终达到了设计的目的。按10号键显示0。。。0030，按12号键显示1。。。0006，按14号键启动运行，按15号键停止运行。 ③转速控制，开始不够精确。经反复测试，最终确定为59步每圈。并计算出6R/MIN，30R/MIN的设定步数。
3总结体会
首先，利用星研集成环境软件编辑并运行程序，在STAR ES598PCI实验仪上调试实验结果，分析实验程序及硬件电路;然后，在利用原有源程序进行实验时，电机的转速控制不是很明显，这就要求修改控制步速Takesetpcount的数值，及8253的分频数，以使电机转速达到6r/min和30r/min。其次，调节8259控制键盘及显示，最终达到实时显示转速及转动方向，并用键盘控制其启动与停止。由于步进电动机的运转是由电脉冲信号控制的，步进电动机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度(步距角)或前进/倒退一步，所以希望清晰的看到电机的此特性。我们通过设定步速及转速，此时可以观测到电机的步进及转动一圈的步数。
参考文献
【1】王忠民，等。微型计算机原理(第二版)。西安：西安电子科技大学出版社，2007
【2】江晓安，董秀峰。模拟电子技术(第三版)。西安：西安电子科技大学出版社，2009
【3】李全利。单片机原理及接口技术。北京：高等教育出版社，2010
步进电机控制系统
韩 浩
(西安文理学院物理与机械电子工程系 陕西西安 710000)
摘要：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。
关键词：步进电机;执行元件;计算机;发展
1步进电机原理及特征
1.1步进电机的目前发展情况
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元件。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。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、位置等控制领域使用步进电机进行控制变得非常简单。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。
1.2步进电机的特点
1.步进电动机工作时每相绕组不是恒定地通电， 而是按一定的规律轮流通电。 2.每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角。 3.步进电机可以按特定指令进行角度控制， 也可以进行速度控制。角度控制时， 每输入一个脉冲， 定子绕组就换接一次， 输出轴就转过一个角度， 其步数与脉冲数一致， 输出轴转动的角位移量与输入脉冲成正比。速度控制时， 步进电机绕组中送入的是连续脉冲， 各相绕组不断地轮流通电， 步进电机连续动转， 它的转速与脉冲频率成正比。改变通电顺序， 即改变定子磁场旋转方向， 就可以控制电机正转或是反转。
1.3步进电机的一些典型运用场合
①步进电机主要用于一些有定位要求的场合。例如：线切割的工作台拖动，植毛机工作台(毛孔定位)，包装机(定长度)。基本上涉及到定位的场合都用得到。
②广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。
③步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用，这类步进电机的特点是保持转矩不高，频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。
目前用于电脑绣花机的步进电机多数为三相混合式步进电机，并采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质，减少转矩波动，抑制振荡，降低噪音，提高步矩分辨率。
1.4 步进电机的运转原理及结构
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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(及步进角)。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;也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。
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。
1.5 旋转
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，(转子不受任何力，以下均同)。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て。
这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4(即齿1前一齿)移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步(每脉冲)1/3て，向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 2电路设计分析
2.1 8253及8255驱动步进电机电路
①按图连接线路，利用8255 输出脉冲序列，开关K0～K6 控制步进电机转速，K7控制步进电机转向。8255 CS 接288H～28FH。PA0～PA3 接BA～BD;PC0～PC7 接K0～K7。
②编程：当K0～K6 中某一开关为“1”(向上拨)时步进电机启动，并且电机转动速度大小不同。K7 向上打电机正转，向下打电机反转。
2.2实验重要参数计算
由实际测试得，stepcount步数设定为约59步时。步进电机转动一圈。
由实验要求：先顺时针，每分钟6圈，转十分钟。约得stepcount=59*6*10=3540。
停止三秒：8086机器周期为1/5MHz.3s=1/5MHz*15*exp6即15M个机器周期的指令。
后逆时针，每分钟30圈，转十分钟。约得stepcount=59*30*10=17700。
2.3 实际问题及解决方法
①硬件连接及软件程序不够熟练，经多方面查资料，翻阅书籍，确定设计方案及硬件软件的具体设计内容。
②键盘及LED显示的控制不够理想，经程序的细心解读，最终达到了设计的目的。按10号键显示0。。。0030，按12号键显示1。。。0006，按14号键启动运行，按15号键停止运行。
③转速控制，开始不够精确。经反复测试，最终确定为59步每圈。并计算出6R/MIN，30R/MIN的设定步数。
3总结体会
首先，利用星研集成环境软件编辑并运行程序，在STAR ES598PCI实验仪上调试实验结果，分析实验程序及硬件电路;然后，在利用原有源程序进行实验时，电机的转速控制不是很明显，这就要求修改控制步速Takesetpcount的数值，及8253的分频数，以使电机转速达到6r/min和30r/min。其次，调节8259控制键盘及显示，最终达到实时显示转速及转动方向，并用键盘控制其启动与停止。由于步进电动机的运转是由电脉冲信号控制的，步进电动机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度(步距角)或前进/倒退一步，所以希望清晰的看到电机的此特性。我们通过设定步速及转速，此时可以观测到电机的步进及转动一圈的步数。
参考文献
【1】王忠民，等。微型计算机原理(第二版)。西安：西安电子科技大学出版社，2007
【2】江晓安，董秀峰。模拟电子技术(第三版)。西安：西安电子科技大学出版社，2009
【3】李全利。单片机原理及接口技术。北京：高等教育出版社，2010
电机控制技术论文篇二
步进电机的加减速控制
[摘 要]本文详细分析了步进电机及其工作原理，并基于MCS-51系列单片机设计步进电机的数字控制系统。在设计中加入了步进电机的细分技术和恒频脉宽调制技术。结合脉冲分配器的使用，开发了简单的细分驱动控制电路。
[关键词]步进电机;单片机;细分控制
中图分类号：F140 文献标识码：A 文章编号：1009-914X(2015)40-0038-01
一、引言
随着科学技术的发展和微电子控制技术的应用，步进电机作为一种可以精确控制的电机，广泛应用在高精密加工机床，微型机器人控制，航天卫星等高科技领域。
二、 步进电机的原理
步进电机是一种控制用的特种电机，它无法像传统电机那样直接通过输入交流或直流电流使其运行，而是需要输入脉冲电流来控制电机的转动，所以步进电机又称为脉冲电机。其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电机就转动一个角度或前进一步。按励磁方式可以分为反应式、永磁式和混合式三种类型，本设计中选用的是反应式步进电机，其结构如图1所示。
这是一台四相反应式步进电机的典型结构。共有4套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相，也就是说定子上两个相对的大齿就是一个相，电机按照A―B―C―D―A……的顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步一步的连续转动。其转速取决与各控制绕组通电和断电的频率，即输入的脉冲频率。旋转的方向则取决与各控制绕组轮流通电的顺序。
三、步进电机的驱动控制
步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专门的步进电机驱动控制器。步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电机驱动系统的性能，不仅取决于步进电机自身的性能，也取决于步进电机驱动器的优劣。
步进电机的驱动方式有很多种，包括单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分驱动、集成电路驱动和双极性驱动。本设计选用的是恒频脉宽调制细分驱动控制方式，这是在斩波恒流驱动的基础上的进一步改进，既可以使细分后的步距角均匀一致，又可以避免复杂的计算。
四、恒频脉宽调制细分电路的设计
1、脉冲分配的实现
在步进电机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。它的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。本设计中选用8713脉冲分配器芯片来进行通电换相控制。
2、系统控制电路设计
步进电机控制系统主电路设计如图2所示。
从上图可以看出，8713脉冲分配器的5、6、7引脚均接高电平，所以这是一个控制四相步进电机按四相八拍运行的控制电路。8751单片机的P1.0和P1.1端口分别与8713脉冲分配器的3引脚和4引脚相连。由8751单片机的P1.0端提供步进脉冲，P1.1端则控制步进电机的转向，输出高电平，步进电机正传;输出低电平，步进电机反转。单片机依然是控制的主体，它通过定时器T0输出20kHz的方波，送D触发器，作为恒频信号。同时，由8713脉冲分配器的脉冲输出端输出的方波脉冲信号作为控制信号，它的方波电压的每一次变化，都使转子转动一步。
当8713脉冲分配器的脉冲输出端输出的方波脉冲信号Ua不变时，恒频信号CLK的上升沿使D触发器输出Ub高电平，使开关管T1、T2导通，绕组中的电流上升，采样电阻上R2上压降增加。当这个压降大于Ua时，比较器输出低电平，使D触发器输出Ub低电平，T1、T2截止，绕组的电流下降。这使得R2上的压降小于Ua，比较器输出高电平，使D触发器输出高电平，T1、T2导通，绕组中的电流重新上升。这样的过程反复进行，使绕组电流的波顶呈锯齿形。因为CLK的频率较高，锯齿形波纹会很小。
当Ua上升突变时，采样电阻上的压降小于Ua，电流有较长的上升时间，电流幅值大幅增长，上升了一个阶段，但由于这里输出的是方波信号而不是阶梯信号，所以只有一个上升阶段，也就是说这个“阶梯信号”只包含了一个阶，并没有把每一步细分成许多步，而是令输出脉冲信号上升和下降的坡度变大，使原本的方波输出变的圆滑，实现了控制信号类似梯形的平滑处理，如图3所示。
同样，当Ua下降突变时，采样电阻上的压降有较长时间大于Ua，比较器输出低电平，CLK的上升沿即使会让D触发器输出1也马上清零。电源始终被切断，使电流幅值大幅下降，降到新的阶段为止。
以上过程重复进行。Ua每一次变化，就会使转子转过一个细分步。
在这个电路中有一个最突出的特点，那就是用8713脉冲分配器所输出的脉冲信号取代了典型恒频脉宽细分电路中D/A转换器所提供的阶梯控制信号。这样的设计极大的简化了电路，并且降低了脉冲分配的控制难度。虽然用方波信号取代了阶梯波信号，使得单一相运行时的细分程度有所降低，但是由于步进电机的四相绕组是同进进行工作的，所以也可以达到了步进电机细分驱动控制的目的。
六、结束语
当前，步进电机的应用正不断深入到日常生活和工业制造的各个方面，并且国内外对步进电机及其控制技术的研究也在不断的进步。这些知识的掌握在今后的工作和生活之中将会起到非常积极的影响。
参考文献
[1] 吴守箴，臧英杰等.电气传动的脉宽调制控制技术[M].北京： 机械工业出版社，2002.
[2] 王晓明.电机的单片机控制[M].北京航空航天大学出版社，2002.
[3] 李建忠主编.单片机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.
[4] 李仁定主编.电机的微机控制[M].北京：机械工业出版社，2004.
[5] 黄勇，廖宇，高林.基于单片机的步进电机运动控制系统设计[J].电子测量技术，2008，31(5)：150-154.
看了“电机控制技术论文”的人还看：