步进电机数字伺服系统与设计

1、新型电机及控制技术实验报告 学院：电气工程学院 班级：研15电气姓名：潘高超学号：151200172015年5月10日步进电机数字伺服系统分析与设计一、步进电机的研究应用现状1、步进电机的国内外研究现状步进电机最早在1920年由英国人开发，1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，它的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关。近年来，伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步，发达国家已普遍使用性能优越的混合式步进电机，其驱动技术采用恒相电流与细分驱动相结合，使步进电机在中、小功率控制系统内的精度提高，并逐步向高速大功率应用领域渗透。步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司

2、、东方公司、SANYO DENKI和 MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量还是生产手段，都是世界上最好的。 我国对步进电动机的研究从1958年开始，1970年代以前受苏联的影响，以三相磁阻式步进电动机为主，如1960年代末为快走丝数控线切割机床研制的BF1840-75，一直延续生产到现在。1970年代受到国内研制生产数控机床和其他数控设备的推动，并受到当时日本数控机床系统的影响，开始发展磁阻式步进电动机的系列产品，以定子6个极、转子40齿的三相磁阻式电动机为主， 还有定子10个极、转子100齿的五相磁阻式电动机和四相电动机等。1980 年代开始发展混合式

3、步进电动机， 以定子8极、转子50齿的二相(四相)混合式步进电动机为主1987年开始自行设计定子10极、转子50齿的五相混合式步进电动机，同时还发展了一些不同于国外的非典型产品， 如定子8极、转子60齿的二相(四相)混合式步进电动机，这是为了与磁阻式步进电动机的步距角相一致。转子200齿的五相混合式步进电动机，转子100齿的九相(三相)混合式步进电动机，主要特点是具有高分辨率和可变步矩角。经过多年的发展，我国步进电机形成一种品种规格繁多的局面，其中最主要的产品系列，一是1970年代形成的磁阻式步进电动机系列产品，在低端应用仍有较多的市场，继续生产；二是混合式步进电机的系列产品，包括引进技术和生

4、产设备，按照国外的设计生产的二相和五相混合式步进电机，以及国内自行开发生产的混合式步进电动机，仍然拥有各自不同的应用领域，短期内很难统一到几个限定的规格品种上。步进电机几十年的发展经验总结得到，磁阻式适用于平稳运行以及转速大于1000 r/min 的用途；永磁式成本低，主要用在价格低廉的消费性产品中；永磁感应子式更适合于低速大转矩用途。2、步进电机的发展方向步进电机正向以下四个方向发展：（1）小型化方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。（2）改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方形结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体

5、积比将大为提高。（3）一体化设计。即把转子位置传感器、减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。（4）向五相和三相电动机发展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其旋转磁场和电磁转矩不完全对称，振动和噪声较大，而五相和三相电动机则是完全对称的，因此更具有优势性。3、步进电机的应用领域步进电动机多用于数控车床和机器人系统中。在现代工业，特别是航空、航天、电子等领域中，要求完成的工作量大，任务复杂，精度高，利用人工操作不仅劳动强度大，生产效率低，且难以达到所要求的精度，还有一些工作环境是对人体健康有害的或人类无法到达的，这就需要数控机床和机器人

6、来完成这些工作。另外，在计算机外设和办公室自动化设备中也大量运用步进电机，如磁盘驱动、打印机、绘图仪和复印机等。二、步进电机的工作原理与基本特性1、步进电机的工作原理通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度，转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步，它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比，改变绕组通电的顺序，电机就会反转，所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。2、步进电机的特点特性

7、步进电机的主要特点有：（1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。（2）步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。（4）步进电机低速时可以正常运转，

8、但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电机的主要特性有：（1）步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。（2）三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，

9、需要48个脉冲完成。（3）步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。（4）改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。三、数字伺服系统方案设计本系统以AT89C51单片机为控制核心，设计一款具有较高的灵活性及精度，可靠性高、性价比高的步进电机伺服控制系统。步进电机伺服系统总体框图如图1所示。单片机输出控制信号，经过驱动电路完成步进电机状态的控制。根据步进电机工作电压及工作电流，系统通过AT89C51单片机引脚输出响应的控制信号，实现步进电机的启停、速度调节和换向等功能，改变控制字及其输出脉冲频率实现电机的换向与调速。通过实时扫描键盘的输入状态及外部中断方式将步进电机的运行状态实时显示在LCD上。

10、图1 总体框图图2 控制电路图3 驱动电路该系统的硬件电路设计包括控制电路，驱动电路，显示电路和复位时钟电路这四部分。如图2所示为控制电路图，通过K1、K2状态变化实现电机的启动和换向功能，当K1、K2的状态变化时，内部程序检测P1.0和P1.1的状态来调用相应的启动和换向程序，实现电机的启动和正反转控制。在此电路中，电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现，该电路控制电机加速度主要是通过S2、S3的断开和闭合，从而控制外部中断由按键次数多少来改变速度值存储区中的数据，这样也就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机转速。如图3所示为驱动电路图，通过单片机的P1.0、P1.1、P1.2和

11、P1.3输出脉冲到ULN2803的1B-4B，经信号放大后从1C-4C分别输出到电机的A、B、C、D相。如图4所示为显示电路图，采用两个共阳数码管作显示，第一个数码管的a、b、c、d、e、f、g、h分别接到P0.0-P0.7，用于显示电机正反转；第二个数码管的a、b、c、d、e、f、g、h分别接到P2.0-P2.7，用于显示电机转速。如图5所示为复位时钟电路图，采用了6路独立式键盘，使用手动复位，通过接通一按钮开关使单片机进入复位状态；晶振电路采用30PF的电容和12M晶体振荡器，为整个电路提供时钟频率。图4 显示电路图5 复位时钟电路四、步进电机特性测试实验一、实验目的1、通过实验加深对步进

12、电动机的驱动电源和电机工作情况的了解；2、掌握步进电动机基本特性的测定方法。二、实验项目1、单步运行状态；2、角位移和脉冲数的关系；3、空载突跳频率的测定；4、空载最高连续工作频率的测定；5、转子振荡状态的观察；6、定子绕组中电流和频率的关系；7、平均转速和脉冲频率的关系；三、实验内容1、实验设备序 号型 号名 称数 量备注1HK01电源控制屏1件2HK02实验桌1件3HK03涡流测功系统导轨1件4HK54步进电机控制箱1件5HK54步进电机（Zr=40）1件6弹性联轴器、堵转手柄及圆盘1套2、基本实验电路的外部接线图1表示了基本实验电路的外部接线。步进电机实验台侧图1 步进电机实验接线图3、

13、实验操作步骤(1) 单步运行状态A接通电源，将步进电机分别设置为单三拍、单双六拍、双三拍控制方式下，控制系统设置于单步运行状态或复位后，按执行键，步进电机走一步距角，绕组相应的发光管发亮，再不断按执行键，步进电机转子也不断作步进运动。观察并记录电机步距角于表1中，并利用公式计算电机步距角与实际值是否一致。表1 控制方式实际步距角理论步距角指示灯指示相序指针偏转方向单三拍3.2度3度A-B-C-A顺时针单双六拍1.3度1.5度A-AB-B-BC-C-CA-A顺时针双三拍2.9度3度AB-BC-CA-AB顺时针B通过面板设置改变电机转向，电机作反向步进运动，观测指示灯指示相序及指针偏转方向变化。(

14、2) 角位移和脉冲数的关系控制系统接通电源，将电机设为单三拍控制方式，设置好预置步数，按执行键，电机运转，观察并记录电机偏转角度，再重设置预置步数，重复观察并记录电机偏转角度于表2中，并利用公式计算电机偏转角度与实际值是否一致。表2 序 号预置步数实际电机偏转角度理论电机偏转角度13089.3度90度2120360度360度(3) 空载突跳频率的测定控制系统置连续运行状态，按执行键，电机连续运转后，调节速度调节旋钮使频率提高至某频率（自动指示当前频率）。按设置键让步进电机停转，再重新启动电机（按执行键），观察电机能否运行正常，如正常，则继续提高频率，直至电机不失步启动的最高频率，则该频率为步进

15、电机的空载突跳频率。记为 86 Hz。(4) 空载最高连续工作频率的测定接通电源，步进电机设为单三拍控制方式下，空载连续运转后缓慢调节速度调节旋钮使频率提高，仔细观察电机是否不失步，如不失步，则再缓慢提高频率，直至电机能连续运转的最高频率，则该频率为步进电机空载最高连续工作频率。记为 390 Hz。(5) 转子振荡状态的观察 步进电机空载连续运转后，调节并降低脉冲频率，直至步进电机声音异常或出现电机转子来回偏摆即为步进电机的振荡状态。(6) 定子绕组中电流和频率的关系在步进电机电源的输出端串接一只直流电流表（注意+、-端）使步进电机连续运转，由低到高逐渐改变步进电机的频率，读取并记录56组电流

16、表的平均值、频率值于表3中，观察示波器波形，并作好记录。表3序 号12345678f（Hz）406090120180240300360I（A）2.923.063.283.453.794.064.164.25(7) 平均转速和脉冲频率的关系接通电源，将电机分别设为单三拍、单双六拍连续运转的状态下。改变速度调节旋钮，测量频率f与对应的转速n，与理论值相比较，记录数据于表4、5中，并绘制曲线n=f（f）。表4 单三拍序 号12345678f（Hz）406090120180240300360n（r/min）实测20.330.645.859.490.8119.4148.5180.2n（r/min）理论2

17、030456090120150180表5 单双六拍序 号12345678f（Hz）406090120180240300360n（r/min）实测10.315.322.330.245.259.874.690.4n（r/min）理论101522.53045607590附：使用说明 HK54步进电机实验装置由步进电机智能控制箱和电机两部分构成。 1、步进电机智能控制箱 本控制箱用以控制步进电机的各种运行方式，它的控制功能是由单片机来实现的。通过键盘的操作和不同的显示方式来确定步进电机的运行状况。 本控制箱可适用于三相、四相、五相步进电动机各种运行方式的控制。 因实验装置仅提供三相反应式步进电动机，故

18、控制箱只提供三相步进电动机的驱动电源，面板上也只装有三相步进电动机的绕组接口。 （1）技术指标 功 能：能实现单步运行、连续运行和预置数运行；能实现单拍、双拍及电机的可逆运行。 电脉冲频率：5Hz1KHz 工作条件：供电电源 AC220V±10%，50Hz环境温度 -540相对湿度80% 重 量：6kg 尺 寸：390×200×230mm3 （2）使用说明 1) 开启电源开关，面板上的三位数字频率计将显示“000”；由六位LED数码管组成的步进电机运行状态显示器自动进入“9999888877776666555544443333222211110000”动态自检过程

19、，而后停止在系统的初态“.3”。 2) 控制键盘功能说明 设置键：手动单步运行方式和连续运行各方式的选择。 拍数键：单三拍、双三拍、三相六拍等运行方式的选择。 相数键：电机相数(三相、四相、五相)的选择。 转向键：电机正、反转选择。 数位键：预置步数的数据位设置。 数据键：预置步数位的数据设置。 执行键：执行当前运行状态。 复位键：由于意外原因导致系统死机时可按此键，经动态自检过程后返回系统初态。 (3)控制系统试运行 暂不接步进电机绕组，开启电源进入系统初态后，即可进入试运行操作。 1)单步操作运行：每按一次“执行键”，完成一拍的运行，若连续按执行键，状态显示器的末位将依次循环显示“BCAB”；由五只LED发光二极管组成的绕组通电状态指示器的B、C、A将依次循环点亮，以示电脉冲的分配规律。 2)连续运行：按设置键，状态显示器显示“3000”,称此状态为连续运行的初态.此时,可分别操作“拍数”、“转向”和“相数”三个键，以确定步进电机当前所需的运行方式。最后按“执行”键，即可实现连续运行。三个键的具体操作如下（注：在状态显示器显示“3000”状态下操作）： a、按“拍数”键：状态显示器首位数码管显示在“”、“ ”、“ ”之间切换，分