1、畢業(yè)設(shè)計(論文)題 目：步進電動機的傳動控制設(shè)計專 業(yè)： 機電一體化 層 次： 專 科 指導(dǎo)教師評語及評分論文評分指導(dǎo)教師（簽名） 年 月 日評審教師評語及評分評審評分組長（簽名） 年 月 日綜合評分成 績評定人簽名 年 月 日題 目步進電動機的傳動控制設(shè)計學(xué)生姓名杏文明專業(yè)機電一體化層次專科學(xué)號指導(dǎo)教師焦鍵任務(wù)書下達(dá)時間概述：步進電機又稱脈沖電動機, 是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件, 其功能是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移, 且其輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與輸入脈沖個數(shù)、頻率有著嚴(yán)格的同步關(guān)系。雖然步進電機是一種數(shù)控元件, 易于同數(shù)字電路接口, 但一般數(shù)字電路的信號能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動步進電機,

2、 必須有一個與之匹配的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電機。步進電機的性能在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣要求閱讀或檢索的參考資料及文獻（包括指定給學(xué)生閱讀的外文資料）：高中毓主編 . 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 . 北京：機械工業(yè)出版社,2000鄧星鐘主編 . 機電傳動控制 . 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.張建民主編 . 傳感器與檢測技術(shù) . 北京：機械工業(yè)出版社，2000吳麗主編 . 電氣控制也PLC實用教程 . 鄭州：黃河水利出版社，2005摘要步進電機是一種將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移的數(shù)控元件, 其性能在很大程度上取決于驅(qū)動電路的優(yōu)劣。本文闡述了驅(qū)動電路的基本組成及工作要求, 分析了幾種

3、典型驅(qū)動電路的特性, 結(jié)果表明: 恒流斬波技術(shù)將具有非常廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:步進電機; 驅(qū)動電路; 恒流斬波目錄前言11 步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計21.1 步進電機的概述21.2 步進電動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計31.3 步進電動機的工作原理的設(shè)計42 換相順序的控制52.1 步進電機轉(zhuǎn)向控制的設(shè)計52.2 步進電機的速度控制的設(shè)計52.3 步進電機起停控制的設(shè)計52.4 步進電機加減速控制的設(shè)計52.5 恒流斬波驅(qū)動電路82.6 性能比較8結(jié)論9致謝10參考文獻11前言步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機,其位移速度與脈沖頻率成正比,位移量與脈沖數(shù)成正比。步進電機在結(jié)構(gòu)上

4、也是由定子和轉(zhuǎn)子組成,可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。當(dāng)定子上繞組通電時,可產(chǎn)生激勵磁場,并與轉(zhuǎn)子形成回路。如果轉(zhuǎn)子和定子之間的齒沒有對齊,由于磁力線力圖走磁阻最小的線路,從而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度,使轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子繞組矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度,轉(zhuǎn)子也隨著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此,控制電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓,轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角,稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式,步進電機各相繞組的電流輪流切換,在供給連續(xù)脈沖時,就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動,從而使電機旋轉(zhuǎn)。每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同,在不丟步的情況下運行,其

5、步距誤差不會長期積累。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,可以實現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動,即將一個步距角細(xì)分成若干小步來驅(qū)動。步進電機必須使用專用的步進電機驅(qū)動設(shè)備才能夠正常工作。步進電機系統(tǒng)的運行性能,除與電機自身的性能有關(guān)外,在很大程度上還取決于驅(qū)動設(shè)備性能的優(yōu)劣。1 步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計1.1 步進電機的概述步進電動機是用于開環(huán)伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動原件，它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為機械角位移的執(zhí)行器。步進電動機的角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比。通過控制脈沖頻率、脈沖數(shù)量、電動機繞組通電相序，就可以獲得所需的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向。與交、直流伺服電動機所構(gòu)成的閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)相比，步進電動機及其

6、驅(qū)動控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、維修方便等優(yōu)點，故主要用于速度和精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床及舊設(shè)備改造中。步進電動機的分類，近年來步進電動機發(fā)展很快，品種規(guī)格較多。步進電動機可從多種角度分類，按工作原理分，通常分為反應(yīng)式(磁阻式)、永磁式和永磁反應(yīng)式；按結(jié)構(gòu)分，可分為單段式(徑向式)、多段式(軸向式)及印刷繞組式；按運動方式分，可分為旋轉(zhuǎn)運動式、直線運動式、平面運動式及滾切運動式；按使用場合分，可分為功率式和控制式；按相數(shù)分，可分為三相、四相、五相、六相等。實踐巾反應(yīng)式步進電動機應(yīng)用較廣泛。（1）反應(yīng)式步進電動機反應(yīng)式步進電動機又稱磁阻式步進電動機，它的定子和轉(zhuǎn)子由硅鋼片或其他軟磁材料制

7、成，定子上有勵磁繞組，繞組通電勵磁后產(chǎn)生反應(yīng)力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。電動機相數(shù)一般為三、四、五、六相。繞組排列形式有單段式徑向磁路式，多段徑向磁路式和多段軸向磁路式三種。反應(yīng)式步進電動機是目前數(shù)控機床中應(yīng)用最廣的一種步進電動機，步距角一般為036'3'。反應(yīng)式步進電動機具有下列特點：1)對步進電動機的控制十分方便。通過控制步進電動機的指令脈沖數(shù)、指令脈沖頻率和通電相序就可實現(xiàn)控制步進電動機的轉(zhuǎn)角大小、旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向。2)氣隙小。定子、轉(zhuǎn)子之間的間隙稱為氣隙。從電動機性能上看，在勵磁電流相同時，氣隙越小，磁通密度越高，電磁轉(zhuǎn)矩越大。在定子、轉(zhuǎn)子齒對齊的狀態(tài)下，氣隙越小，定位精度越高。

8、3)步距角小。因為定子、轉(zhuǎn)子是采用軟磁材料制成，靠磁阻變化產(chǎn)牛轉(zhuǎn)矩。在機械加工允許的情況下，轉(zhuǎn)子齒數(shù)可以做得很多，所以步距角可以很小。4)電動機內(nèi)部阻尼較小。當(dāng)相數(shù)較少時，單步運行振蕩時間長。5)帶慣性負(fù)載能力差，尤其在高速時容易失步。6)斷電后無定位轉(zhuǎn)矩。(2)永磁式步進電動機永磁式步進電動機的定子由軟磁材料制成并有多對繞組，而轉(zhuǎn)子上裝有永磁鐵制成的磁極。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(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。永磁式步進電動機具有以下特點：1)步距角大。由于永磁式轉(zhuǎn)子受磁鋼加工的限制，極對數(shù)不能做得很多，因而步距角較大。2)控制功率小，效率高。3)內(nèi)阻尼較大，單步振蕩時間短

9、。4)斷電后具有一定的定位轉(zhuǎn)矩。(3)永磁反應(yīng)式步進電動機永磁感應(yīng)式步進電動機又稱混合式步進電動機。它在結(jié)構(gòu)和性能上，兼有反應(yīng)式和永磁式步進電動機的特點，既具有反應(yīng)式步進電動機步距角小和工作頻率較高的特點，又具有永磁式步進電動機控制功率小和低頻振蕩小的特點。永磁感應(yīng)式步進電動機是步進電動機的最新產(chǎn)品，近年來國內(nèi)外步進電動機的生產(chǎn)廠家相繼推出了它的系列產(chǎn)品，有取代反應(yīng)式步進電動機的趨勢。1.2 步進電動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計從上面的討論可知，步進電動機的種類較多，其結(jié)構(gòu)和工作原理也有所不同，這里儀以反應(yīng)式步進電動機為重點，介紹步進電動機的工作原理。(1)徑向式反應(yīng)式步進電動機越高。1)步距角小。因為定子、

10、轉(zhuǎn)子是采用軟磁材料制成，靠磁阻變化產(chǎn)牛轉(zhuǎn)矩。在機械加工允許的情況下，轉(zhuǎn)子齒數(shù)可以做得很多，所以步距角可以很小。2)電動機內(nèi)部阻尼較小。當(dāng)相數(shù)較少時，單步運行振蕩時間長。3)帶慣性負(fù)載能力差，尤其在高速時容易失步。4)斷電后無定位轉(zhuǎn)矩。(2)永磁式步進電動。永磁式步進電動機的定子由軟磁材料制成并有多對繞組，而轉(zhuǎn)子上裝有永磁鐵制成的磁極。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(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。永磁式步進電動機具有以下特點：1)步距角大。由于永磁式轉(zhuǎn)子受磁鋼加工的限制，極對數(shù)不能做得很多，因而步距角較大。2)控制功率小，效率高。3)內(nèi)阻尼較大，單步振蕩時間短。4)斷電后具有一定的定

11、位轉(zhuǎn)矩。(3)永磁反應(yīng)式步進電動機永磁感應(yīng)式步進電動機又稱混合式步進電動機。它在結(jié)構(gòu)和性能上，兼有反應(yīng)式和永磁式步進電動機的特點，既具有反應(yīng)式步進電動機步距角小和工作頻率較高的特點，又具有永磁式步進電動機控制功率小和低頻振蕩小的特點。永磁感應(yīng)式步進電動機是步進電動機的最新產(chǎn)品，近年來國內(nèi)外步進電動機的生產(chǎn)廠家相繼推出了它的系列產(chǎn)品，有取代反應(yīng)式步進電動機的趨勢。1.3 步進電動機的工作原理的設(shè)計從上面的討論可知，步進電動機的種類較多，其結(jié)構(gòu)和工作原理也有所不同，這里儀以反應(yīng)式步進電動機為重點，介紹步進電動機的工作原理。(1)徑向式反應(yīng)式步進電動機圖1-1 反映式步進電動機工作原理圖2 換相順序

12、的控制2.1 步進電機轉(zhuǎn)向控制的設(shè)計步進電機的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制2 個方面。從結(jié)構(gòu)上看,步進電機分為三相、四相、五相等類型,常用的則以三相為主。三相步進電機的工作方式有三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3 種,下面具體加以闡述:通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如,三相步進電機在單三拍的工作方式下,其各相通電順序為A B C A ,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C 相的通斷。三相雙三拍的通電順序為AB BC CA AB ,三相六拍的通電順序為A AB B BC C CA A。如果給定工作方式正序換相通電,步進電機正轉(zhuǎn)。若步進電機的勵磁方式為三相六拍,即A ABB BC

13、 C CA A。如果按反序通電換相,即AAC C CB B BA A ,則電機就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。2.2 步進電機的速度控制的設(shè)計如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖,它就轉(zhuǎn)一步,再發(fā)一個脈沖,它會再轉(zhuǎn)一步。2 個脈沖的間隔越短,步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進電機的脈沖頻率,就可以對步進電機進行調(diào)速。2.3 步進電機起停控制的設(shè)計步進電機由于其電氣特性,運轉(zhuǎn)時會有步進感,即振動感。為了使電機轉(zhuǎn)動平滑,減小振動,可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波,可以減小步進電機的步進角,提高電機運行的平穩(wěn)性。在步進電機停轉(zhuǎn)時,為了防止因慣性而使電機軸產(chǎn)生順滑,則需采用合適的鎖定波形,產(chǎn)生鎖定

14、磁力矩,鎖定步進電機的轉(zhuǎn)軸,使步進電機轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。2.4 步進電機加減速控制的設(shè)計在步進電機控制系統(tǒng)中,通過實驗發(fā)現(xiàn),如果信號變化太快,步進電機由于慣性跟不上電信號的變化,這時就會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步現(xiàn)象。所以步進電機在啟動時,必須有加速過程,在停止時必須有減速過程。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線,步進電機整個降速過程的頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。選定的曲線比較符合步進電機升降過程的運行規(guī)律,能充分利用步進電機的有效轉(zhuǎn)矩,快速響應(yīng)性好,縮短了升降速的時間,并可防止失步和過沖現(xiàn)象。在一個實際的控制系統(tǒng)中,要根據(jù)負(fù)載的情況來選擇步進電機。步進電機能響應(yīng)而不失步的最高步進頻率稱為“

15、啟動頻率”,與此類似“, 停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然關(guān)斷,步進電機不沖過目標(biāo)位置的最高步進頻率。電機的啟動頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng),有了這些數(shù)據(jù),才能有效地對電機進行加減速控制。加速過程由突跳頻率加加速曲線組成(減速過程反之) 。突跳頻率是指步進電機在靜止?fàn)顟B(tài)時突然施加的脈沖啟動頻率f 0 。步進電機的最高起動頻率(突跳頻率) 一般為0. 1 kHz 到34 kHz ,而最高運行頻率則可以達(dá)到N ×102 kHz ,以超過最高起動頻率的頻率直接起動,會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步的現(xiàn)象。較為理想的起動曲線應(yīng)是按指數(shù)規(guī)律起動。但實際應(yīng)用時對起動段的處理可采用按直線擬合的

16、方法,即階梯加速法。一般可按2 種情況處理:(1) 已知突跳頻率則按突跳頻率分段起動,分段數(shù)n = fPf 0 ; (2) 未知突跳頻率,則按段擬合至給定的起動頻率,每段頻率的遞增量(后稱階梯頻率)f = fP8 ,即采用8 段擬合。在運行控制過程中,將起始的速度(頻率) 分為n 分,作為階梯頻率,采用階梯加速法將速度連續(xù)升到所需要的速度,然后鎖定,按預(yù)置的曲線運行,如圖2所示。fhht/sf0圖1-2 步進電動機運動中頻率變化曲線（3）單電壓驅(qū)動電路單電壓驅(qū)動是應(yīng)用最早的一種電路形式, 它的電路原理如圖所示。它的突出特點是線路簡單, 成本低, 在繞組回路中串接電阻, 用以改善電路的時間常數(shù)以

17、提高電機的高頻特性。缺點是: 串接電阻的做法將產(chǎn)生大量的熱, 功耗較大, 對驅(qū)動電源的正常工作極其不利, 尤其在高頻工作時更加嚴(yán)重。因而它一般用于小功率或起動、運行頻率要求不高的場合。UcplRDT圖1-3 單電壓驅(qū)動電路T22CP2lCP1RD1D2U2U1圖4高低壓切換驅(qū)動電路高低壓供電驅(qū)動方式是在單電壓供電的基礎(chǔ)上,為了解決單電壓驅(qū)動的快速性能不好而發(fā)展起來的一種供電技術(shù)。其基本思路是, 在脈沖到來時, 在電機繞組的兩端先施加一較高電壓, 從而使繞組的電流迅速建立, 使電流建立時間大為縮短, 在相電流建立起來之后, 改用低電壓, 以維持相電流的大小, 這樣做可以減小限流電阻的阻值甚至去掉

18、限流電阻, 使電源的驅(qū)動效率大為提高。典型電路如圖3 所示。這種電路的特點是電流波形得到了很大改善, 電機的矩頻特性很好, 起動和運行頻率得到很大的提高。但在高壓工作結(jié)束和低壓工作開始的銜接處的電流波形呈凹形, 致使電機的輸出力矩有所下降。2.5 恒流斬波驅(qū)動電路為了彌補高低壓驅(qū)動電路的高、低壓電流波形在連接處為凹形的缺陷, 發(fā)展了恒流驅(qū)動技術(shù), 使步進電機電流在額定值附近保持恒定。圖4 為一種恒流斬波驅(qū)動電路原理圖, 為單極型驅(qū)動方式, 它充分利用了現(xiàn)有的電源電壓, 能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)工作, 極大改善了電流波形、矩頻特性, 由于不需外接限流電阻, 故使能耗大為降低, 提高了電源效率。2.6 性能比較各種驅(qū)動電路性能比較見表1。驅(qū)動電路起動頻率運行頻率運行平穩(wěn)性效率成本單電路低較低較差低低高低壓高較高差較高較高恒流斬波高高好高高表1 各種驅(qū)動電路性能比較結(jié)論該論文闡述了步進電機控制的設(shè)計方法和技術(shù)，讀者根據(jù)它可以對步進電動機進行理想的控制。步進電機驅(qū)動器廣泛用于工礦企業(yè)中的數(shù)控電子設(shè)備的精確開環(huán)控制，以滿足工業(yè)自動化致謝   我要感謝，非常感謝自己。在論文的寫作過程中，自己總是積極主動的，主動與老師同學(xué)