步进电动机的控制软件设计

1、编号：（ ）字 号本科生毕业设计基于单片机的步进电动机控制器设计（软件部分）马坤 电气工程及其自动化04级4班题目： 姓名： 学号： 班级： 二八年六月中国矿业大学毕业论文任务书学院 应用技术学院 专业年级 电气04级4班 学生姓名 马坤 任务下达日期：2008年 3月 15日毕业设计日期：2008年 3月 15日 至 2008年 6月 10日毕业论文题目：基于单片机的步进电动机控制器设计毕业论文专题题目：基于单片机的步进电动机控制器设计（软件）毕业论文主要内容和要求：1、 熟悉步进电动机的工作原理2、 掌握步进电动机调速控制系统的工作原理3、 设计基于单片机的步进电动机控制器的软件功能和流程

2、图4、 用C语言编制开关步进电动机控制器的软件（附软件清单）5、 翻译电气自动化方面专业外文资料约3000字院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同

3、意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要步进电动机（Stepping Motor,或Step Motor,或Stepper Motor）的角位移量或直线位移量正比于所给定的电脉冲数，而其线速度v或转速n则正比于脉冲频率，并且在负载能力范围内不会因电源电压、负载、环境条件的波动而变化，因而适用于在开环系统中作执行元件使控制系统大为简化。由于它的这些

4、特点，使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统，既具有较高的控制精度和良好的控制性能，又能稳定可靠的工作，因而被广泛地应用在许多领域。本文首先介绍了步进电动机运行控制系统的研究背景、选题意义和研究内容；然后介绍了反应式步进电动机的工作原理以及其静态和动态特性，同时又介绍了步进电动机的角度细分原理和其实现的具体电路结构；其次又具体分析了本步进电动机运行控制系统的硬件组成及其原理和具体工作过程；最后重点介绍了本系统整体软件各个模块的构成及具体设计，其中有对系统的硬件电路直接进行控制的“物理层”应用模块的设计如“步进电动机运行控制模块”、“键位检测和数码显示模块”、“步进电动机的状态量采集模块”、“通

5、信和故障判断处理模块”；还有用户所面对的、对“物理层”模块进行调用的“应用层”模块“应用层综合处理模块”的设计。本文所用到的所有程序以附件的形式附在论文后面。关键词：步进电动机运行控制系统； 角度细分控制； 8051单片机ABSTRACTStepping motor also being called step motor or stepper motor, its angular displacement or linear displacement is in proportional with the electrical pulse given to it, and its linea

6、r velocity or rotation speed is in proportional with the given pulse frequency. These two properties will not be changed anyway within its load driven capability because of the variation of the power source, load even circumstances, so it is very capable to be a actuator in an open-loop control syst

7、em and making this system very simple. Because of these excellent features, the open-loop numerical control system (being composed of a stepping motor and a driven controller) has very high control accuracy and very well controlling performances. And, at the same time, working stable and reliably, s

8、o this system is being widely used in every industrial domains.In this article, it first introduced the researching background, designing significance and researching content of the stepper motor moving control system; Then it described the working principle, static and dynamic characteristics of th

9、e reaction stepper motor. at the same time explained the stepper angle fraction principle and its actual circuit diagram; In sequence this article concretely analyzed the composing of the stepper motor moving control systems hardware, and its exact working procedures; At last, this article centering

10、 on the composing and exact designing of every module of this software. The software system is composed of a lot of “physical layer” modules including “stepper motor moving control system”, “key monitoring and number displaying module”, “stepper motor state gathering module”, “communication and faul

11、t analyzing and handling module”; And one “application layer” module, this module is faced directly by the operator. In this article, the entire program has been enclosed in the back of it as an attached sheet.Keywords：Stepper motor moving control system; angle subdivide driving; 8051 microcontrolle

12、r;目 录1 前言11.1研究背景11.2选题意义11.3研究内容22 步进电动机的概述32.1步进电动机的类型、结构与工作原理32.2反应式步进电动机的特性62.3步进电动机的控制及驱动电路152.4步进电动机的角度细分控制183 步进电动机控制系统的硬件组成213.1步进动电机及其控制系统的要求213.2步进电动机及其控制系统的应用场合213.3硬件系统方框图功能简介224 步进电动机控制系统硬件电路各模块设计简介244.1主电路和辅助电路电源设计244.2脉冲分配部分电路设计264.3步进电动机的角度细分电路设计284.4步进电动机的实时状态量采集电路设计324.5键位检测与数码显示电路

13、设计364.6通信及故障判断处理电路设计384.7 8051微控制器与2051微控制器的外围电路设计405 步进电动机运行控制系统软件组成445.1 步进电动机运行控制系统各个软件模块的结构组成及其功能445.2 步进电动机运行控制系统软件设计特点455.3 步进电动机运行控制系统软件部分的文件组成465.4 步进电动机运行控制系统软件的开发环境465.4.1Vision2集成开发环境的界面465.4.2Vision2集成开发环境的工具栏命令简介476 软件系统的各个模块设计486.1 步进电动机运行控制模块软件设计486.1.1电动机运行方式初始化函数486.1.2步进电动机的基本移步函数4

14、96.1.3角度细分控制字的数模转换函数566.1.4步进电动机的单步运行函数576.1.5步进电动机的预置数运行函数576.1.6步进电动机的连续运行函数586.1.7步进电动机运行控制模块定时器T0中断函数与模块初始化函数596.2 键位检测及数码显示模块软件设计606.2.1键位检测函数606.2.2数码显示函数616.2.3定时器T1的中断函数626.2.4键位检测与显示模块的初始化函数与5ms延时函数636.3 步进电动机的实时数据采集模块软件设计636.3.1状态量采集函数及外部中断函数646.3.2状态量发送函数与串行中断函数656.3.3定时器的50ms检测发送状态量中断函数6

15、66.3.4步进电动机状态量采集模块的初始化函数与主函数666.4 通信及故障判断处理模块软件设计676.4.1系统故障报警函数686.4.2接收数据帧的分析函数696.4.3数据发送与接收函数706.4.4通信及故障判断处理模块的初始化函数716.4.5超出设计范围的一些函数过程简介716.5 应用层综合处理模块软件设计726.5.1步进电动机绕组运行方式的设置函数726.5.2步进电动机旋转方向的设置函数746.5.3步进电动机运行方式的设置函数756.5.4步进电动机角度细分数的设置函数766.5.5步进电动机转速和预置数运行方式下运行步数的设置函数776.5.6步进电动机运行执行函数7

16、96.5.8微控制器8051的主函数817 总结83参考文献84附录1：软件系统的语言清单85附录2：硬件系统的电路原理图130翻译部分131英文原文131中文译文145致 谢1581 前言本章简要地介绍了步进电动机运行控制系统的研究背景、选题意义、研究内容以及总体方案。1.1研究背景早在十九世纪三十年代就出现了步进电动机，那时候的步进电动机实际上是一种可以自由回转的电磁铁，工作原理同今天的反应式步进电动机没有什么区别。到上世纪初，由于战争的需要造船工业发展迅猛，在上世纪二十年代到三十年代间一些杂志先后刊登了一些步进电动机在航海技术方面应用的文章，介绍了步进电动机的设计和计算方法，直到上世纪三

17、十年代初这些理论才被真正用于指导步进电动机的设计与生产。但由于其性能不能满足速度不断提高的舰船的要求，使得这项技术徘徊了数十年之久，一度几乎被废弃。后来，由于无触点式电子开关元器件的出现，解决了步进电动机励磁绕组快速换向的问题。所以，在上世纪中期步进电动机又重新崛起。1952年，美国麻省理工学院首先研制成三坐标数控铣床，数控机床的出现提高了生产效率，推动了机械制造业的发展，对于采用哪种类型的电动机作为进给机关的驱动元件一直是争论的焦点。经过理论分析和现场实验，发现使用步进电动机作为进给机构的驱动元件是较理想的选择，这一应用使得步进电动机的应用范围更加广泛。我国对步进电动机的研制及应用起步不算太

18、晚。早在1958年，我国的一些科研院所就研制成功了反应式步进电动机，并开始应用到数控机床中。进入上世纪六十年代中期，许多结构新颖的步进电动机相继问世，为了降低电机功耗以及提高效率，人民发明了永磁式和混合式步进电机。到上世纪七十年代步进电动机的生产进入了全盛时期，其产量每年都已11%的指数递增。到目前为止，步进电动机已被广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外围设备、绘图仪、电子手表等多方面。1.2选题意义上面简要叙述了步进电动机的发展过程，下面在叙述其优越性的基础之上引出该项目的选题意义。步进电机（Stepping Motor,或Step Motor,或Stepper Motor）

19、是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机，其作用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移。因此步进电机又被称为脉冲电动机（Pulse Motor）。步进电动机与一般电动机不同，它的角位移量或直线位移量正比于给定电脉冲数，而其线速度v或转速n则正比于脉冲频率，并且在负载能力范围内不会因电源电压、负载、环境条件的波动而变化。因而适用于在开环系统中作执行元件使控制系统大为简化。另外，步进电动机还可以在较宽的范围内通过改变脉冲频率来调速，能够快速启动、反转和制动，并且步进电动机还有一定的自锁功能。它能直接将数字脉冲信号转化为角位移，很适合采用微型计算机控制。步进电动机的上述特点，使得由它和驱动控制器组成的开

20、环数控系统，既具有较高的控制精度良好的控制性能，又能稳定可靠的工作。这些优点使得步进电动机在庞大的电机家族中占有不可替代的位置，且广泛地应用于各种领域如数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制、石英钟表等场合。而混合式步进电动机的设计方法使得它就好像是反应式和永磁式步进电动机两者的结合，其即可以像反应式步进电动机一样具有小步距角的特点，又也可以像永磁式步进电动机一样具有相对较小的控制功率和绕组电感。步进电动机的特殊工作原理使得它不能简单的直接接到普通的交流或直流电源上运转，而需要专门的驱动器，也就是说步进电动机与它的驱动器是一个不可分割的整体。步进电动机运动控制系统的性能除受到电机本体影响之外，在

21、很大程度上还受到了驱动器性能的限制，一个好的控制器可以使步进电动机控制更灵活，在很大程度上改善其运行性能。这样看来，对步进电动机运动控制系统而言，驱动控制器的设计是重中之重。本课题在充分利用了MCS-51系列单片机内部资源和丰富的指令系统前提下，深入研究了三相反应式步进电动机的运行特性和对步进电动机整体控制系统的设计，以及利用c语言对步进电动机控制系统进行综合设计的具体实现，这样的设计不但对单片机在步进电动机的各种控制领域中的应用有一定的指导意义，并且更进一步挖掘和增强了反应式步进电动机的优势性能，对拓宽其应用领域有着重要的现实意义。1.3 研究内容本课题所设计的反应式步进电动机运行控制系统和

22、控制系统综合软件设计，是以MCS-51系列单片机8051为核心的微控制器以及加以辅助微控制器2051来实现的，步进电动机采用细分驱动的运行方式运行。对于其驱动控制则选用8713脉冲分配器来实现，它可以驱动三相、四相反应式步进电动机，具有一定的通用性，与反应式步进电动机配套可以大大地改善步进电动机的运行性能，拓宽其应用领域。设计具体内容简要地介绍了步进电动机的类型、工作原理及其特性，步进电动机运行控制系统的硬件各个模块组成、特点与工作原理，重点介绍了步进电动机运行控制系统的综合软件系统各个模块的组成和具体设计。整体软件系统主要包含有：电机运行控制模块设计、键位检测及显示部分软件设计、数据采集模块

23、软件设计、通信及故障判断处理部分软件设计、应用层综合处理模块软件设计。2 步进电动机的概述本章介绍了步进电动机的类型、结构及其工作原理，步进电动机的运行特性和控制电路和方法等内容。由于本论文选用的是三相反应式步进电动机，所以在本章的介绍中偏向于反应式步进电动机的相关内容。2.1步进电动机的类型、结构与工作原理2.1.1 步进电动机的分类与特点步进电动机是从电磁铁这样简单的装置演变过来的一种电磁能量转换元件，因此设计者可以根据电磁场理论和机械结构的繁简以及具体的性能要求设计出各种形式的步进电动机。自电动机问世至今，出现过的种类可谓繁多，但常使用的有反应式、永磁式以及混合式（永磁感应子式）三种。1

24、) 结构特点a) 反应式步进电动机定子上有多相绕组且定子磁极和转子上均有小齿，定、转子铁心可做成单段式或多段式。b) 永磁式步进电动机定子上有多相绕组但不同的是定子磁极上不开齿，转子用永久磁钢制成，转子极数与定子每相的极数相同。c) 混合式步进电动机结构较为复杂，为永磁式和反应式的组合，定子结构与反应式相同，转子由位于中部的环形永久磁钢和位于两端的无磁性铁心组成，环形磁钢轴向充磁，两端的铁心上开有小槽。2) 性能特点a) 反应式步进电动机齿距角可以做得很小，起动和运行频率较高，动态性能较差。断电时无定位力矩所以需用带电定位，因此消耗功率相对较大。b) 永磁式步进电动机转子的极数与定子的极数相同

25、，所以步距角一般较大、起动和运行频率较低、输出转距大、动态性能较好。断电时有定位力矩，消耗的功率相对较小。但需供给正负脉冲信号。c) 混合式步进电动机混合式步进电动机综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转距大、动态性能好、步距角大，但结构复杂、成本高。2.1.2反应式步进电动机的结构图2-1 三相反应式步进电动机横截面图图2-1是一个三相反应式步进电动机的结构图。从图中可以看出，它分为转子和定子两部分，定子是由硅钢片叠成，其上有6个磁极（大极），每2个相对的磁极（N、S极）组成一对一共有3对，每对磁极都绕有同一绕组从而形成一相，这样3对磁极有3个绕组形成三相。由此可以得出，四相步进电动机有

26、4对磁极4相绕组；五相步进电动机有5对磁极5相绕组，依此类推。每个磁极的内表面都分布着多个小齿，它们大小相同间距相同。转子是由软磁材料制成的，其外表面也均匀分布着小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同形状相似。由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，它们的齿距角都可以由下式来计算： (2-1)式中转子的齿数。例如，如果转子的齿数为40，则齿距角为o另外，引出步进电动机的步距角： (2-2)式中 C状态参数，采用单双通电方式时C=2，采用单或双通电方式时C=1。N拍数。M定子相数。由此可见，步进电动机的步距角由转子齿数、定子相数M和通电方式C所决定。当步进电动机通电时其转子被强行推动到最

27、大磁导率（或者最小磁阻）的位置（如图2-2（a）中定子小齿与转子小齿对齐的位置）并处于平衡状态。对三相步进电动机来说，当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必处于非最大磁导位置（如图2-2（b）中定子小齿与转子小齿不对齐位置）。图2-2 步进电动机转子定子作用示意图我们把定子小齿与转子小齿对齐的空间相对状态成为对齿；把定子小齿与转子小齿不对齐的空间相对状态成为错齿。错齿的存在是步进电动机能够旋转的前提条件，所以，在步进电动机的结构中必须保证有错齿存在，也就是说，当某一相处于对齿状态时，其他相必须处于错齿状态。我们继续上例，如果某步进电动机转子有40个齿，则转子的齿距角为9o，因为定子的齿距

28、角与转子相同，定子的齿距角也是9o，所不同的是转子的齿是圆周分布的，而定子的齿只分布在磁极上属于不完全齿，当某一相处于对齿状态时，该相磁极上定子的所有小齿都与转子上的小齿对齐。三相步进电动机的每一相磁极在空间上都与其他相相差120o。假如当前A相处于对齿状态，则以A相的位置作为参考点，B相与A相相差120o，C相与A相相差240o。下面我们可以计算当A相处于对齿状态时，B、C两相的错齿程度。将A相磁极中心线看成0o，在0o处的转子齿为0号齿，则在120o处的B相磁极中心线上对应的转子齿号为120o/9o=13.3o，即B相磁极中心线处于转子第13号齿再过1/3齿距角的地方，这B相错了1/3个齿

29、距角，即错齿3o。同理，与A相相差240o的C相磁极中心线上对应的齿号为240o/9o=26.6o，即C相磁极中心线处于转子第26号齿再过2/3齿距角的地方，这说明C相错齿6o。2.1.3反应式步进电动机的工作原理如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（或磁阻最小）的位置转动，即转子向趋于对齿的状态转动，步进电动机就是基于这一原理转动的。1) 三相单三拍通电时A相控制绕组单独通电时：电动机内部建立起以AA为轴的磁场，如图2-3（a）所示。由于定转子上均有齿和槽，所以当定转子齿的相对位置不同时，磁路的磁导也不同。具体来说，定、转子为齿对齿时每个磁极下的磁导率为最大，定

30、、转子为齿对槽时每个磁极磁导率最小。转子的稳定平衡位置是使通电相磁路的磁导率为最大值时的位置，所以相通电时转子稳定于相极下定、转子齿对齿的位置。图2-3 步进电动机一相通电时的磁场情况相绕组的轴线与相绕组轴线之间的夹角为120o，中间包含的齿距数为120o/9o=13o+，即当A相极下定、转子的齿对齿时，B相磁极上定子齿的轴线沿A-B-C方向超前转子齿的轴线1/3齿距，C相磁极上定子齿的轴线，沿ABC方向超前转子齿的轴线2/3齿距。B相单独通电时：如果A相断电，同时给B相通电，则建立了以BB为轴线的磁场。如图2-3（b）所示，即定子磁场沿A-B-C方向转过了120o机械角。此时，转子齿的轴线将

31、力求与B相磁极上定子齿的轴线对齐以达到稳定平衡位置。很显然，比起A相通电时转子沿A-B-C方向转过了1/3齿距。C相单独通电时：如果在B相断电的同时又给C相通电，则建立磁场的轴线如图2-2（c）所示的CC方向，转子又沿A-B-C方向转过1/3齿距以求使C相极下定、转子的齿对齿。因此，如果按A-B-C次序给步进电动机通电，则电机便会连续地正向转动起来。如果将通电次序改为C-B-A，电机便会朝着相反的方向转动，我们可以通过改变通电方式将改变电机的运行模式。显然，步进电动机的转速取决于控制绕组通电的频率，而旋转方向则取决于控制绕组的通电顺序。控制定子绕组从一种通电状态切换到另一种通电状态叫做 “一拍

32、”，此时转子在空间所转过的角度称为步距角，用表示。上述通电方式称为三相单三拍，“三相”是指定子共有三相绕组，“单”是指每次通电时只有一相控制绕组导通，“三拍”是指控制绕组的通电状态经过三次切换为一个循环，第四次通电就重复第一次的情况。在这种通电方式下，步进电动机的步距角为o（设齿距角Zr为9.0o。）。2) 三相单双六拍通电三相单双六拍工作方式的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A或A-AC-C-CB-B-BA-A。在这种通电方式下，电机有时是单相通电有时是两相通电，控制绕组经六次切换为一个循环，故称为“三相单双六拍”工作方式。当A相单独通电时，这种状态和单三拍A相通电的情况完全相同。当

33、A、B两相同时通电时，转子的位置应使A、B两对磁极所形成的两路磁通在气隙中所遇到的磁阻达到同样程度的最小，这时相邻两极A、B与转子齿相互作用的磁拉力大小相等、方向相反，使转子处于平衡状态。因此，从A相通电到A、B两相同时通电转子转过了1.5o。当切换成B相单独通电时，在磁拉力的作用下，转子再转过1.5o。若按BC-C-CA-A的顺序继续通电，则步进电动机将按逆时针方向连续的旋转，其步距角为1.5o。如将通电顺序变为A-AC-C-CB-B-BA-A，则步进电动机的转向变为顺时针。3) 三相双三拍通电除了“三相单三拍”和“三相单双六拍”通电方式外，三相步进电动机还有“三相双三拍”通电方式。三相双三

34、拍工作方式的通电顺序为AB-BC-CA-AB或AC-CB-BA-AC。当采用三相双三拍通电方式时任何时刻都有两相绕组同时通电，每次通电时转子的平衡位置和磁路路径与单双六拍通电方式中相应的两相同时通电时相同。因为每一个循环是三拍所以步距角也是o。2.2反应式步进电动机的特性2.2.1 步进电动机的静态特性当控制脉冲不断的送入，各相绕组按照一定的顺序轮流通电时，步进电动机转子就一步步的转动。当控制脉冲停止时，如果某些绕组仍通以恒定电流，则转子将固定于某一位置上保持不动，处于静止状态或静止运行状态。静止运行特性是指步进电动机的静转矩与转子失调角之间的关系，简称为矩角特性。步进电动机可以运行在单相或多

35、相通电的通电方式，下面分别就这两种不同的通电方式进行讨论。1) 单相通电方式步进电动机的静转矩就是同步转矩（即电磁转矩），失调角是转子偏离初始平衡位置时的电角度，即通电相的定、转子齿中心线间用电角度表示的夹角，如图2-4所示。如果将转子齿数看作转子的极对数，电角度就等于机械角度乘以转子齿数，那么一个齿距就对应电度角或电弧度，即用电角度或电弧度表示的齿距角为或。相应的步距角为： (2-3)或（rad）(2-4)其中：相应的步距角；齿距角；步距角；脉冲拍数；转子小齿数；所以，当拍数一定时，无论转子的齿数是多少,用电度角表示的步距角均相等。如三相步进电动机在三相运行时的步距角为o电度角，六拍运行时的

36、步距角为o电度角。当步进电动机通电相的定、转子齿对齐时，转子处于零位，即，电机转子上无切向磁拉力作用，转矩等于0，如图2-4（a）所示。若转子齿相对于定子齿向右错开一个角度，这时出现了切向磁拉力，产生转矩，其作用是反对转子齿错开故为负值，显然，当o时，越大，静转矩越大，如图2-4（b）所示。当o时，由于磁阻显著增大，进入转子齿顶的磁通量急剧减少，切向磁拉力以及静转矩反而减小，直到o时，转子齿处于两个定子齿正中，因此，两个定子齿对转子的齿的磁拉力互相抵消，静转矩又变为0，如图2-4（c）所示。如果继续增大，则转子齿将受到另一个定子齿磁拉力的作用，出现与o时相反的转矩，即为正值，如图2-4（d）所

37、示。图2-4 失调角与电磁转矩之间的关系通过以上讨论可见，静转矩随失调角作周期性变化，变化周期是一个齿距，即电度角。其形状比较复杂，它与气隙、定转子齿的形状及磁路有关。实践证明，反应式步进电动机的距角特性接近正弦曲线，如图2-5所示。步进电动机距角特性曲线上的静态转矩最大值表示步进电动机承受负载的能力，它与步进电动机很多特性的优劣有直接的关系。因此，静态转矩最大值是步进电动机最主要的性能指标之一，通常在技术数据中都会指明。图2-5 步进电动机的矩角特性由图2-5所示的步进电动机的距角特性曲线可以看出，当失调角在-o到+o（相当于齿距）的范围内时，若有外部扰动使转子偏离初始平衡位置，当外部扰动消

38、失后，转子仍能回到初始平衡位置，因此-o+o的区域称为步进电动机的静态稳定区。 2) 多相通电方式一般来说，多相通电时的矩角特性和最大静态转矩与单相通电时不同。按照叠加原理，多相通电时矩角特性近视的可以由每相各自通电时的矩角特性叠加起来求得。先以三相步进电动机为例,三相步进电动机可以单相通电也可以两相同时通电，下面推导三相步进电动机在两相通电时（如、两相）的矩角特性。如果转自失调角是指A相定子齿轴线与转子齿轴线之间的夹角，那么A相通电时的矩角特性是一条通过原点的正弦曲线，可以用下式表示： (2-5)当B相也通电时，由于时的B相定子齿轴线与转子齿轴线错开一个单拍制的步矩角。如果步矩角用电度角表示

39、，其值为o电度角，如图2-6所示。所以B相通电时的矩角特性可以表示为： (2-6)当A、B两相同时导通时合成的矩角特性为两者相加，即： (2-7)可见其是一条幅值不变，相移o（即）的正弦曲线。A相、B相及A、B两相同时通电的矩角特性如图2-6(a)所示。除了可以用波形图来表示多相通电时的矩角特性以外，还可以用向量图来表示，如图2-6(b)所示。图2-6三相步进电动机单相、两相通电时的转矩和等效向量图可见，对于三相步进电动机，两相通电时的最大静态转矩与单相通电通电时的最大转矩相等。也就是说，对三相步进电动机而言，不能依靠增加通电相数来提高转矩，这是三相步进电动机的一个很大的缺点。但是其它的多相步

40、进电机如五相步进电动机就可以利用增加通电相数来提高其转矩。2.2.2步进电动机的动态特性当输入的脉冲频率逐渐增加，电机转速逐渐升高时，可以发现步进电动机的带负载能力将逐步下降。电机转动时所产生的转矩叫动态转矩，动态转矩与电源脉冲频率之间的的关系称为矩频特性。1) 步进电动机的单步运行单步运行状态是指控制脉冲频率很低，下一个脉冲到来之前，上一步运行已经完成，电机一步步地完成脉动（步进）式转动的情况。a) 单步运行和最大负载转矩图2-7步进电动机的单步运行以三相单三拍运行方式为例，设负载转矩为，当A相通电时，电机的矩角特性为A相矩角特性，其静态工作点为图2-7中的A点，对应的转子角位置为。如A相断

41、电，B相通电，则电机的矩角特性将跃变为B相的矩角特性曲线。由于此时电磁转矩大于负载转矩（如图2-7中的阴影线所示），使转子转动，到达新的稳定平衡点B，对应转子角位置为，即电机前进了一个步矩角。由图2-7可知，要保证电动机能够步进运行，负载转矩不能大于相邻两拍矩角特性的交点所对应的转矩。也就是说，相邻两拍矩角特性的交点所对应的转矩时电机做单步运行所能带动的极限负载，我们把它叫做极限起动转矩，其数学表达式为： (2-8)式中 N运行拍数。由式（2-8）可见，在规定的电源条件下（已定），要提高步进电动机的负载能力，应增大运行拍数。如三相步进电动机由单三拍改为单双六拍。此外，若M=2（指两矩角特性相差

42、o电度角），则，所以反应式步进电动机的相数应满足，相数越多，就越接近。b) 单步运行时的震荡现象以上的分析认为当绕组切换时转子是单调的趋向于新的平衡位置，当实际情况并非如此，这里也可用图2-7说明。设开始时，电机处于稳定平衡点（位置）。当输入一个脉冲后，转子将转向新的稳定平衡点（位置）。当转子到达位置时,，但转子在运动过程中积累的动能使转子会冲过新的平衡位置。而此后，又使电机减速、进而反向运动，由于阻力和能量损耗的结果，转子在新的平衡位置处作衰减震荡。上述单步运行时的震荡现象对电机的运行很不利，它影响了系统的精度，带来了震动及噪音，严重时甚至使转子失步。因此，步进电动机在运行中要注意增大阻尼。

43、2) 步进电动机的连续运行和动态特性随着外加脉冲频率的提高，步进电动机进入连续转动状态。在伺服系统中，步进电动机经常作起动、制动、正转、反转、调速等动作，并在各种频率下（对应各种转速）运行，这就要求步进电机的步数与脉冲数严格相等，既不失步也不越步而且转子的运动应是平稳的。否则，由步进电机的“步进”所保证的系统精度就失去了意义。因此，在运行过程中保持良好的动态性能是保证伺服系统可靠工作的前提。a) 动态转矩与矩频特性当输入的脉冲频率逐渐增加，电机转速逐渐升高时，可以发现步进电动机的带负载能力将逐步下降。电机转动时所产生的转矩叫动态转矩，动态转矩与电源脉冲频率之间的的关系称为矩频特性。图2-8步进

44、电动机的矩频特性曲线图2-8是步进电动机的矩频特性。该特性说明电源频率升高，步进电动机的最大转矩要下降，这主要是由于控制回路绕组电感影响造成的。由于控制回路由电感，所以控制绕组通、断电后，电流均需要一定的上升、下降时间。当输入的控制脉冲频率较低时，绕组通电和断电的周期较长，电流的波形比较接近于理想的矩形波，如图2-9所示。频率升高，周期缩短，电流来不及上升到稳定值就开始下降，如图2-9所示。于是电流幅值降低（由下降到），因而产生的转矩也减小，致使电机带负载能力下降。图2-9不同频率时控制绕组的电流波形此外，当频率增加时，电机铁心中的涡流损耗也随之增大，使输出功率和转矩随之下降。当输入脉冲频率增

45、加到一定值时，步进电动机已带不动任何负载，而且只要受到一个很小的扰动，就会震荡、失步、甚至停转。从矩频特性可见，对于一定的供电方式，负载转矩越大，则步进电机允许的工作频率越低。图2-8所示的曲线为频率极限，工作频率绝对不能超过它。值得注意的是，在电机起动时所施加的最高频率（称起动频率）比连续运行频率要低的多，起动矩频特性如图2-8中之虚线所示。这是因为在起动过程中，电机除了要克服负载转矩外，还要克服加速力矩。b) 静稳定区和动稳定区图2-10步进电动机的静稳定区和动稳定区如图2-10所示，当转子处于静止状态时，若转子上没有任何强制作用，则稳定平衡点是坐标原点O。如果在外力矩作用下使转子离开平衡

46、点，只要失调角在范围内，当外力矩消失后，转子在电磁转矩的作用下仍能回到平衡位置O点；如果不满足这样的条件，即或时，转子就趋向前一齿或后一齿的平衡点运动，而离开了正确的平衡点，所以区域称为静态稳定区。如果切换通电绕组，这时矩角特性向前移动一个步矩角，新的稳定平衡点为，如图2-10所示，对应于它的静态稳定区为。在绕组切换的瞬间，转子位置只要在这个区域内，就能趋向于新的稳定平衡点，因此称即区间、为电动机空载时的动稳定区。图中点与0点之间的夹角称为稳定裕度（或裕量角）。裕量角越大，电动机运行越稳定。 (2-9)由上式可见，时，反应式步进电动机的相数最少为，电动机的相数越多，步矩角越小，相应的稳定裕度越

47、大，运行的稳定性也越好。c) 不同频率下的连续运行I. 连续单步运行：在控制脉冲频率很低的情况下，转子一步步地连续向新的平衡位置转动，电动机作连续单步运行。在有阻尼的情况下此过程为连续衰减的震荡过程。由于通电周期比较长，当下一个控制脉冲到来时，电机近似从静止状态开始，其每步都和单步运行基本一样，电机具有步进的特征，如图2-11所示。图2-12步进电动机的连续单步运行在连续单步运行的情况下，震荡是不可避免的，但最大震幅不会超过最大步矩角，因而不会出现丢步、失步等现象。II. 低频丢步和低频共振图2-11步进电动机的连续单步运行和振荡现象当控制脉冲频率比连续单步运行频率高时，可能会出现在一个周期内

48、转子震荡尚未衰减完毕，下一个脉冲就已经到来的情况。这时下一个脉冲到来时转子究竟处于什么位置与脉冲的频率有关。如图2-11所示，当脉冲周期为时，转子离开平衡位置的角度为；而周期为时，转子离开平衡位置的角度为。值得注意的是，当控制脉冲的频率等于或接近步进电机振荡频率的倍时，电动机就会出现强烈的震荡现象，甚至失步或无法工作，这就是低频共振和低频失步现象。下面以三相步进电机空载为例，说明低频丢步的物理过程。如图2-12所示，设转子开始时处于A相矩角特性的平衡位置点，第一个脉冲到来时接换为B相通电，矩角特性移动一个步矩角，转子向B相的平衡位置点运动。由于运动过程中的震荡现象，转子要在点附近震荡若干次，其

49、震荡频率接近于单步运行频率，周期为。如果控制脉冲的频率也为，则第一个脉冲正好在转子回摆到最大值时（对应于图中的R点）到来。这时换接成C相通电，矩角特性有移动一个步矩角。如果R点位于对于点的动稳定区之外，即，如图中所示，则C相通电时转子受到负的转矩作用，使转子不是由R向点运动，而是向点运动。接着第三个脉冲到来，转子又由点返回点，这样，转子经过三个脉冲仍然回到原来的位置，也就是丢了三步。这就是低频丢步的物理过程。如果电机的阻尼作用较强，震荡衰减很快，则转子回摆值较小，对应于点的位置处于动稳定区之内（），转矩为正，就不会失步。另外，拍数越多，越小，动、静稳定区越接近，同样可以消除低频丢步。图2-12

50、 步进电动机低频丢步的物理过程转子的震荡频率可由下式求得： (2-10)式中J电机及负载的转动惯量。 当控制脉冲频率等于倍的转子震荡频率时，若阻尼不强，即使不发生低频失步，也会产生强烈振动，即低频共振现象。一般不允许电机在共振频率下运行。同时，为了消弱低频共振，可以增加阻尼，限制振动的幅值。增加阻尼的方法有两种：机械阻尼和电气阻尼。机械阻尼是增加电机转子的干摩擦阻力或增加粘性阻力。其缺点是增大了惯性，使电机的快速性能变坏，体积增大。电气阻尼则有多相激磁阻尼，延迟断开阻尼等。电气阻尼方法简单，效果好。III. 高频连续运行当电机在高频脉冲下连续运行时，前一步的震荡尚未到达第一次回摆的最大值，下一

51、个脉冲就已经到来。当频率更高时，甚至在前一步震荡尚未到达第一次的峰值就开始下一步，则电机可以连续平滑的转动，转速也比较稳定。当时，当脉冲频率过高时，达到或超过连续运行频率时，由于绕组电感的作用，动态转矩下降很多，负载能力较弱，且由于电机的损耗，如轴承摩擦、风摩擦等都大为增加，即使在空载下也不能正常运行。另外，当脉冲频率过高时，矩角特性的移动速度相当快，转子的惯性导致转子跟不上矩角特性的移动，则转子位置距平衡位置之差越来越大，最后因超出动稳定区而失步，这也是最大连续频率不能继续提高的原因之一。因此，减小电机的时间常数、提高动态转矩、减小转动惯量、采用机械阻尼装置等都是提高连续运行频率的重要措施。

52、2.3步进电动机的控制及驱动电路2.3.1 步进电动机的控制电路步进电动机是一种应用较早的一种机电一体化产品，电动机本体与其控制器构成一个不可分割的有机整体，步进电动机的运行性能很大程度上取决于所用的驱动控制器的类型和参数。图2-13步进电动机驱动控制器的组成如图2-13所示，步进电动机的驱动控制器主要由脉冲发生器、脉冲分配器（环形分配器）和功率放大器组成。脉冲发生器产生频率从几到几十连续变化的脉冲信号，脉冲分配器根据指令把脉冲根据一定的逻辑关系加到各相绕组的功率放大器上，使步进电动机按照一定的方式运行，实现正、反转控制和定位。由于脉冲分配器输出的电流只有几毫安，必须进行功率放大来驱动步进电机

53、，采用开环控制并具有一定的控制精度是步进电动机的一大优点。理论上说，闭环控制比开环控制可靠，但步进电机的闭环控制系统价格较高还容易引起持续的机械振荡。如要获得优良的动态性能不如选用其它直流或交流伺服系统。因此，步进电机大部分还是采用开环控制。步进电机简单的控制过程可以通过各种逻辑电路来实现，如由门电路和触发器等组成脉冲分配器，这种控制方法线路较复杂、成本较高，而且一旦成型，很难改变控制方案。计算机技术的发展和普及为设计功能很强而价格低廉的步进电动机控制器提供了可靠的保证。由于步进电动机能直接接受数字量输入，特别适合于微机控制，因此微机控制的步进电动机驱动系统应用非常广泛。本设计所采用的系统形式

54、就是利用8051单片机作为脉冲发生器进行综合控制的系统。其输出的脉冲送给脉冲分配器并通过驱动电路加到步进电动机上，由于8051配以适当的软件就可以实现许多复杂的控制功能，所以其不仅控制灵活而且应用广泛。除了以上两种驱动控制系统之外，步进电动机的驱动控制系统还可以采用专用集成电路构成。采用专用集成电路构成的步进电动机驱动控制系统具有结构简单、性价比高的优点。2.3.2 步进电动机的驱动电路按照电流流过绕组的方向是单向的还是双向的，可以把功率放大电路（这里又称为电能变换电路）分为双极性驱动电路和单极性驱动电路两类。单极性驱动电路适用于反应式步进电动机，而双极性驱动电路适用于永磁式和混合式步进电动机。所以，本设计采用单极性驱动电路，常用的几种驱动电路形式及其特点如下。常用单极性驱动电路有以下几种：1) 单电压功率驱动电路其特点是结构简单，功放元件少，成本低。但效率低，只适用于驱动小功率步进电动机或用于性能指标要求不高的场合。如图2-14所示。2) 双电压或高低电压驱动电路其特点是受低频时绕组通电周期长，绕组电流有较大的过冲，所以低频时电机的振动噪声大，低频共振现象依然存在。如图2-