第7章步进电动机传动控制系统
《机电传动控制》(第5版)(全套教案)期末复习用
《机电传动控制》（第五版）教案第1章绪论1.1 机电系统的组成＝机械运动部件＋机电传动＋电气控制系统。
1.机械运动部件——完成生产任务的基础，机械执行部分；2.机电传动———＝电力传动或电力拖动，是驱动生产机械运动部件的原动机的总称；3.电气控制系统——控制电动机的系统。
1.2 机电传动的目的和任务1.机电传动的目的——将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止、以及速度调节，满足各种生产工艺的要求，保证生产过程的正常进行2.机电传动的任务①广义上讲——使生产机械设备、生产线、车间甚至整个工厂都实现自动化。
②狭义上讲——专指控制电动机驱动生产机械，实现产品数量的增加、质量的提高、生产成本的降低、工人劳动条件的改善以及能源的合理利用。
1.3 机电传动控制的发展概况一、驱动系统的发展阶段：1.成组拖动——一台电动机拖动一根天轴—→通过带轮和传动带—→分别拖动各（一组）生产机械。
生产效率低、劳动条件差，一旦电动机或传动环节发生故障则造成成组生产机械停车。
2.单电动机——一台电动机拖动一台生产机械，较成组拖动进了一步。
但当生产机械的运动部件较多时，其机械传动机构则十分复杂。
3.多电动机拖动——一台生产机械的每一个运动部件都有专门的电动机拖动。
不仅大大简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为自动化提供了有利条件，是现代化机电传动的典型方式。
二、控制系统的发展阶段：1.接触器＋继电器控制——出现在20世纪初，应用广泛、成本低；但控制速度慢、精度差。
2.电动机放大机控制（30年代）、磁放大机控制（40～50年代）——从断续控制发展到连续控制，并具有了输出反馈环节，简化了控制系统、减少了电路触点、提高了可靠性。
3.大功率可控电力半导体器件控制——具有效率高、反应快、寿命长、可靠性高、维修容易、体积小、重量轻等优点。
由此，开辟了机电传动控制的新纪元。
4.采样控制——数控技术＋微机应用的高水平断续控制，由于采样周期＜＜控制对象的变化周期，∴≌连续控制。
步进电机运动规律及速度控制方法
步进电机运动规律及速度控制方法姓名：吴良辰班级：10机设（2）学号：201010310206学期我们专业开设了机电传动控制这么课，它是机电一体化人才所需要知识结构的躯体，由于电力传动控制装置和机械设备是一个不可分割的整体，所以我么能从中了解到机电传动控制的一般知识，要掌握电机、电器、晶闸管等工作原理、特性、应用和选用的方法。
了解最新控制技术在机械设备中的应用。
在现代工业中，机电传动不仅包括拖动生产机械的电动机，而且还包括控制电动机的一整套控制，以满足生产过程自动化的要求。
也就是说，现代机电传动是和各种控制元件组成的自动控制系统联系在一起。
机电系统一般可分为图一所示的三个部分。
图1 机电传动控制在没上这门课之前，在我自己认为，电机就是那些就是高中学的那些直流电动机，就是通电线圈在磁场转动。
那是直流电动机了，慢慢的我接触了交流电动机，刚开始知道220V市电。
记得大一下学期，我们金工实习了，看到工训下面那么多的车床，铣床，钻床……由于要提供大的功率，所以主电机都是选用380V。
上完这门让我更详细了解他们内部的结构和工作原理。
还说明知识是慢慢积累的过程。
见的多学的多。
我明白了很多以前的疑惑。
看到电视机上那些智能机器人，他们的活动很自如，就像仿生肌肉一样。
尤其是日本的机器人。
它的机械臂很有可能是步进电机控制的，还有一种说法是液压与气压控制的。
我觉的两者都有。
很有幸大一时候进入了第二课堂，在里面学到东西，也接触了步进电机，我是在学51单片机那时候也买了一个，就觉得很神奇。
在加上前几天参加了江西省电子设计大赛，我就感觉到要是要选控制类的题目做，步进电机是不能少的。
所以步进电机是个好东西。
我在网上查了一下资料，上个世纪就出现了步进电机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。
很遗憾的是它是国外人发明的。
开始写正题了，上完这门课，那个步进电机是让我很痴迷的。
机电传动控制第五版课后答案--最全版
机电传动控制第五版课后答案--最全版机电传动控制是一门涉及机械、电气和控制等多领域知识的重要学科，对于相关专业的学生和从业者来说，掌握这门课程的知识至关重要。
而课后习题的答案则是检验学习成果、加深理解的重要工具。
以下为您提供机电传动控制第五版的课后答案，希望能对您的学习有所帮助。
第一章绪论1、机电传动控制的目的是什么？答：机电传动控制的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止、调速、反转以及各种生产工艺过程的要求，以满足生产的需要，提高生产效率和产品质量。
2、机电传动系统由哪些部分组成？答：机电传动系统通常由电动机、传动机构、生产机械、控制系统和电源等部分组成。
电动机作为动力源，将电能转化为机械能；传动机构用于传递动力和改变运动形式；生产机械是工作对象；控制系统用于控制电动机的运行状态；电源则为整个系统提供电能。
3、机电传动系统的运动方程式是什么？其含义是什么？答：运动方程式为 T M T L ＝J(dω/dt) 。
其中，T M 是电动机产生的电磁转矩，T L 是负载转矩，J 是转动惯量，ω 是角速度，dω/dt 是角加速度。
该方程式表明了机电传动系统中电动机的电磁转矩与负载转矩之间的平衡关系，当 T M ＞ T L 时，系统加速；当 T M ＜ T L 时，系统减速；当 T M ＝ T L 时，系统以恒定速度运行。
第二章机电传动系统的动力学基础1、为什么机电传动系统中一般需要考虑转动惯量的影响？答：转动惯量反映了物体转动时惯性的大小。
在机电传动系统中，由于电动机的转速变化会引起负载的惯性力和惯性转矩，转动惯量越大，系统的加速和减速过程就越困难，响应速度越慢。
因此，在设计和分析机电传动系统时，需要考虑转动惯量的影响，以确保系统的性能和稳定性。
2、多轴传动系统等效为单轴系统的原则是什么？答：多轴传动系统等效为单轴系统的原则是：系统传递的功率不变，等效前后系统的动能相等。
3、如何计算机电传动系统的动态转矩？答：动态转矩 T d ＝ T M T L ，其中 T M 是电动机的电磁转矩，TL 是负载转矩。
步进电机控制技术
四、反应式步进电机的特性
动态稳定区：(-π+θse)<θ<(π+θse) a点与OA点之间的夹角θr称为稳定裕度(或裕量角)。裕量
角越大，电动机运行越稳定。
r se
2 Z r (mC 2) mZ r C mC
由上式可见，C=1时，反应式步进电动机的相数最少为3。 电动机的相数越多，步距角越小，相应的稳定裕度越大，运
下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构 和工作原理。
一、步进电机简介及结构
步进电动机主要由两部分构成：定子和转子。它们均 由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。
定子绕组
定子
转子
一、步进电机简介及结构
A IA
定子 转子
定子的六个磁 极上有控制绕组， 两个相对的磁极组 成一相。
注意：
这里的相和三 相交流电中的“相” 的概念不同。步进 电动机通的是直流 IB B 电脉冲，这主要是 指线圈的联接和组 数的区别。
冲的最高频率，它是步进电动机的一项重要技术指标。它的大小与电机本 身的参数、负载转矩、转动惯量及电源条件等因素有关，它是衡量步进电
动机快速性的重要技术指标。
1)按能起动的最短脉冲间隔时间tf便可决定电动机的起动频率fst，则 fst=1/tf
2)起动频率fst的大小与电动机的步距角θS有关。
3)电动机的最大静转矩Tsm越大，作用于电动机转子上的电磁转矩也越大， 使加速度越大，转子达到动稳定区所需时间也就越短，起动频率fst越高。
二、步进电机工作方式
三相单双六拍
三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。 工作过程：
A
B' 4 1 2 3 A'
机电一体化系统设计习题答案
机电一体化系统设计习题答案【篇一：机电一体化课后答案】说明较为人们所接受的机电一体化的含义。
答：机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。
1-7.机电一体化系统由哪些基本要素组成？分别实现哪些功能？答：①.机电一体化系统由计算机、动力源、传感件、机构、执行元件系统五大要素组成。
②.对应的五大功能为：控制、动力、计测、构造、操作功能。
1-17.开发性设计、变异性设计、适应性设计有何异同？答：1、开发性设计是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品。
2、变异性设计是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的需求。
3、适应性设计是在总的设计方案、原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品在性能和质量上增加某些附加价值。
所有机电一体化系统的设计都是为了获得用来构成事物的有用信息。
1-20.简述计算机辅助设计与并行工程、虚拟设计、快速响应设计、绿色设计、反求设计等的含义。
答：1、计算机辅助设计是设计机电一体化产品的有力工具，用来设计一般机械产品的cad的研究成果。
2、并行工程是把产品的设计、制造及其相关过程作为一个有机整体进行综合协调的一种工作模式。
3、虚拟设计是虚拟环境中的产品模型，是现实世界中的产品在虚拟环境中的映像，是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计。
4、快速响应设计是实现快速响应工程的重要环节，快速响应工程是企业面对瞬息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场的新系统，快速响应设计的关键是有效开发和利用各种系统信息资源。
5、绿色设计是从并行工程思想发展而出现的一个新概念。
绿色设计就是在新系统的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。
第九章-步进电动机传动控制系统
是电机作单步运动
所能带动的极限负载，也称为极限启动转矩。实际电机所 带的负载转矩TL必须小于极限启动转矩才能运行，即电机 所带负载的阻转矩 TL＜
Tst
步距角减少可使相邻矩角特性位移减少， 就可提高极限
启动转矩Tst，增大电机的负载能力。三相六拍时，矩角特
性幅值不变，而步距角小了一半，故极限启动转矩。
(b) (c) 图 三相六拍运行 (a) A相通电； (b) A、 B相通电；(c) B相通电 第8 页
(a)
③三相双三拍运行
通电方式AB→BC→CA→AB‥，一拍转过30 °。
9
步进电动机的结构
10
转子齿数 齿距角
z表示.
转子相邻两齿间的夹角，用θ z 表示。 z 拍和步距角
Tst 时，A相通电时，转子处于a”点；改由B相通电 情况2：负载转矩 TL
时，转子不能前进。
图9.6 最大负载能力的确定
25
•最大负载转矩（起动转矩）
步进电动机在步进运行时所能带动的最大负载，可由相邻
Tst
两条矩角特性交点所对应的电磁转矩
相邻矩角特性的交点所对应的转矩
Tst
来确定。
T A T sm sin e
则B通电时，距角特性为
T B T sm sin( e 120 )
图 A相、B相定子齿相对转子齿的位置
21
当A、B两相同时通电时合成矩角特性应为
T A B T A T B T sm sin e T sm sin( e 120 ) T sm sin( e 60 )
使各相电流平衡。
VD2及Rf2作用是构成续流电路。
这种电源效率较高，起动和运行频 率也比单一电压型电源要高。
数控技术 第七章 数控机床的进给伺服系统
三 步进电动机的基本控制方法
（2） 双电压功率放大电路 优点：功耗低，改善了脉冲 优点：功耗低， 前沿。 前沿。 缺点：高低压衔接处电流波 缺点： 形呈凹形， 形呈凹形，使步进电机 输出转矩降低， 输出转矩降低，适用于 大功率和高频工作的步 进电机。 进电机。
三 步进电动机的基本控制方法
（3） 斩波恒流功放电路 优点： 优点：1）R3较小（小 R3较小（ 较小 于兆欧） 于兆欧）使整个 系统功耗下降， 系统功耗下降， 效率提高。 效率提高。 2）主回路不串 电阻， 电阻，电流上升 快，即反应快。 即反应快。 3）由于取样绕 组的反馈作用， 组的反馈作用， 绕组电流可以恒定在确定的数值上， 绕组电流可以恒定在确定的数值上，从而保证在很大频率范 围内，步进电机能输出恒定的转矩。 围内，步进电机能输出恒定的转矩。
二 数控机床对伺服系统的基本要求
1 高精度 一般要求定位精度为0.01~0.001mm； ； 一般要求定位精度为 高档设备的定位精度要求达到0.1um以上。 以上。 高档设备的定位精度要求达到 以上 2 快速响应 3 调速范围宽 调速范围指的是 max/nmin 。 调速范围宽:调速范围指的是 调速范围指的是:n 进给伺服系统:一般要求 进给伺服系统 一般要求0~30m/min，有的已达到 一般要求 ，有的已达到240m/min 主轴伺服系统:要求 主轴伺服系统 要求1:100~1:1000恒转矩调速 要求 恒转矩调速 1:10以上的恒功率调速 以上的恒功率调速
一 直流伺服电动机调速原理
7-30 直流电动机的机械特性
二 直流电动机的PWM调速原理 直流电动机的 调速原理
7-24 脉宽调制示意图 脉宽调制示意图
Ud =
τ
T
U = δ T U δ T 称为导通率
《步进电机》PPT课件
➢ 当V相通电，U、W相不通电，如图3.3b所示，2、4齿 与V相对齐；
➢ 当W相通电，U、V相不通电，如图3.3c所示，1、3齿 与W相对齐；
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8
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由此可见，当通电顺序为U→V → W→U →V →…时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通 电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的 角度称为步距角。
上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U → UV → V → VW→W → WU →U →… 称为三相六拍通电，如图3.4所示。 三相六拍通电方式的步距角减小一倍。
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3.1.2 小步距角步进电动机
实际的小步距角电动机如图3.5所示。它的定子内 圆和转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的 齿宽和齿距相等。
第3章 步进电动机传动控制
3.1 步进电动机 3.2 步进电动机的环形分配器 3.3 步进电动机的驱动电路
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1
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或 角位移的执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉 冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形 分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为了 使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生 的脉冲信号还需要进行功率放大。
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（2）通电方式 双相轮流通电方式
每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳， 且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易 失步。
以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：UV → VW→WU →UV →… 称为三相双三拍通电。
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（2）通电方式 单双相轮流通电方式
精品文档-机电传动控制(马如宏)-第7章
第7章 机电传动控制系统
通常这种系统的输出量是工作机械中执行机构的速度或位 移，当电动机与工作机械刚性连接时，它们分别对应于电动机 转子的转速和转角。根据工作机械的需要，在一些系统中除了 控制输出量以外，可能还需要控制系统内部的其他变量，如直 流电动机的电枢电流或交流电动机的定子电流、变流器电压或
(7-3)
s ned 100% n0 ned 100%
n0
n0
显然，机械特性硬度越大，Δned越小， 静差率就越小，
第7章 机电传动控制系统
图 7-4 不同转速下的静差率
第7章 机电传动控制系统
然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行 的直线性机械特性的静差率是不同的。对于图7-4中的线1和线 2，它们有相同的转速降落Δned1=Δned2 ，但由于n02 <n01，因 此s2>s1。这表明，在相同机械特性硬度条件下，低速时静差率 较大，转速的相对稳定性较差。转速n在1000 r／min时降落10 r／min，只占1％; n在100 r／min时也降落10 r／min, 就 占10％; 若n0只有10 r／min，再降落10 r／min， 则电动机 将停转，
的，以满足生产工艺和过程的要求，并达到最优的技术经济指 标的控制系统， 是整个生产设备中的重要组成部分之一。它 的性能和质量将在很大程度上影响到产品的质量、产量、生产
第7章 机电传动控制系统
机电传动控制系统是以电动机为控制对象，对生产机械按 工艺要求进行控制的系统。机电传动控制系统从硬件上可以包 括电动机、控制电器、检测元件、功率半导体器件和微电子器 件等，还可能包含微型计算机。一个大型的机电传动控制系统 可能需要控制多台电动机，往往采用多层微型计算机进行控制。
教案机电传动控制
教案机电传动控制第一章：机电传动控制概述1.1 机电传动控制的概念1.2 机电传动控制系统的组成1.3 机电传动控制的特点与应用第二章：机电传动控制的基本原理2.1 机电传动控制的基本原理介绍2.2 机电传动控制系统的建模方法2.3 机电传动控制系统的稳定性分析第三章：机电传动控制器的设计3.1 机电传动控制器的设计方法3.2 PID控制器的设计与应用3.3 模糊控制器的设计与应用第四章：机电传动控制系统的仿真与实验4.1 机电传动控制系统的仿真方法4.2 机电传动控制系统的实验方法4.3 机电传动控制系统仿真与实验的结果分析第五章：机电传动控制系统的优化与故障诊断5.1 机电传动控制系统的优化方法5.2 机电传动控制系统的故障诊断方法5.3 机电传动控制系统的优化与故障诊断的应用实例第六章：电动机控制系统6.1 电动机的基本原理与特性6.2 直流电动机控制系统6.3 交流电动机控制系统第七章：步进电机控制系统7.1 步进电机的工作原理与特性7.2 步进电机控制系统的设计方法7.3 步进电机在实际应用中的案例分析第八章：伺服电机控制系统8.1 伺服电机的工作原理与特性8.2 伺服电机控制系统的设计方法8.3 伺服电机在实际应用中的案例分析第九章：机电传动控制系统的保护与安全9.1 机电传动控制系统的保护措施9.2 机电传动控制系统的安全操作规程9.3 机电传动控制系统保护与安全的实际应用案例第十章：现代机电传动控制技术的发展趋势10.1 智能控制技术在机电传动控制中的应用10.2 网络化控制技术在机电传动控制中的应用10.3 绿色控制技术在机电传动控制中的应用第十一章：传感器在机电传动控制中的应用11.1 传感器的基本原理与类型11.2 常用传感器的特性与应用11.3 传感器在机电传动控制系统中的集成与优化第十二章：机电传动控制系统的节能与环保12.1 节能控制技术在机电传动控制中的应用12.2 环保控制技术在机电传动控制中的应用12.3 节能与环保在机电传动控制系统中的重要性第十三章：机电传动控制系统的可靠性与维护13.1 机电传动控制系统的可靠性分析13.2 机电传动控制系统的维护方法与策略13.3 提高机电传动控制系统可靠性与维护的实际案例第十四章：机电传动控制系统的实际应用案例分析14.1 机床控制系统中的应用案例14.2 自动化生产线中的应用案例14.3 控制系统中的应用案例第十五章：综合训练与实践15.1 机电传动控制系统的设计与实现15.2 机电传动控制系统的仿真与实验15.3 机电传动控制系统的实际操作与调试重点和难点解析本文主要介绍了机电传动控制的相关知识，包括概述、基本原理、控制器设计、系统仿真与实验、优化与故障诊断、电动机控制系统、步进电机控制系统、伺服电机控制系统、保护与安全、现代机电传动控制技术的发展趋势、传感器在机电传动控制中的应用、节能与环保、可靠性与维护、实际应用案例分析以及综合训练与实践。
步进电机控制系统设计
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，具有快速启动能力，定位精度高，能够直接接受数字量，因此被广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、精确定位、计算机外围设备等，在现代控制领域起着非常重要的作用。
本设计运用了8086 CPU芯片以及74273芯片、8255A芯片和步进电机以及7位小功率驱动芯片ULN2003A、指示灯等辅助硬件电路，设计了步进电机正反转及调速系统。
绘制软件流程图，进行了软件设计并编写了源程序，最后对软硬件系统进行联合调试。
该步进电机的正反转及调速系统具有控制步进电机正反转的功能，还可以对步进电机进行调速。
关键词：步进电机；正反转；调速控制；ULN2003A芯片；8086微机系统1、课程设计任务书1.1任务和目的 (4)1.2设计题目 (4)1.3内容和要求 (4)1.4列出使用元器件和设备清单 (4)2、绪论 (4)3、步进电机的总体方案 (6)4、步进电机的硬件设计 (7)4.1总体设计思路 (7)4.2电路原理图 (10)4.3线路连接图 (11)5、步进电机软件设计 (12)5. 1流程图 (12)5.2控制程序 (14)&调试说明 (19)6.1调试过程 (19)6.2调试缺陷 (19)7、总结收获 (19)8、参考文献 (20)附录：元器件及设计清单1. 课程设计任务书1.1任务和目的掌握微机硬件和软件综合设计的方法。
1.2设计题目步进电机控制系统设计1.3内容和要求1. 基本要求：控制步进电机转动，要求转速1步/1秒；设计实现接口驱动电路。
2. 提高要求：改善步进电机的控制性能，控制步进电机转/停；正转/反转；改变转速（至少3挡）；1.4列出使用元器件和设备清单8086cpu可编程并行接口8255指示灯键盘74LS138译码器驱动模块步进电机2. 绪论步进电机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Step motor或Steeping motor、Stepper servo Steppe,等等。
步进电机的运行
第7章 控制电机 电机及机床电器控制 2、绘制矩形
执行菜单命令Place→Rectangle，可将编辑状 态切换到画直角矩形模式。此时鼠标指针旁边会 多出一个大十字符号，将大十字指针中心移动到 坐标轴原点处，单击鼠标左键，确定直角矩形的 左上角，移动鼠标指针至矩形的右下角，单击鼠 标左键，结束这个矩形的绘制过程，如下图所示。
第7章 控制电机 电机及机床电器控制
教学方法
项目教学法：1、引出问题；2项目分析；3、行为引导法；4、学练结合
电电机机及及机机床电床器电控气制控制
学时、教具、课前准备
学时：8学时 教具：步进电机、步进电机控制装备、万用表 课前准备：学生预习相关课程知识；设备调试；规范标准准备；
教学过程
一、项目提出
步进电动机是受其输入信号，即一系列的电脉冲控制而动作的。 脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到 电动机的各相绕组上。为使电动机能够输出足够的功率，经环形分配 器产生的脉冲信号还需进行功率放大。环形分配器、功率放大器以及 其它控制线路组合称为步进电动机的驱动电源，它对步进电动机来说 是不可分割的一部分。步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动 机传动控制系统，如图所示。
CP脉冲 方向电平 清零
可逆计数器
方式
2．软件环分 知识点三 步进电动机的驱动电路
EPROM
输 出 状 态
零 位 输 出
电电机机及及机机床电床器电控气制控制
一）单电压限流型驱动电 二）双电压驱动电路 三）斩波驱动电路 四）升频升压驱动电路 五）细分驱动电路
知识点四 步进电动机的运行特性及使用 一）步进电动机的运行特性及影响因素 1．矩角特性 2．单步运行特性 3．连续脉冲运行特性 4．加减速特性 5．脉冲信号频率对步进电动机运行的影响 6．转子机械惯性对步进电动机运行的影响 7. 步进运行和低频振荡
步进电机控制系统的设计[文献综述]
![步进电机控制系统的设计[文献综述]](https://img.taocdn.com/s3/m/e9a33cfd4b73f242326c5fb6.png)
文献综述电子信息工程步进电机控制系统的设计摘要：步进电机是一种易于精确控制的执行元件，近几年来随着微电子技术的不断发展步进电机的控制方法也随之变得多种多样。
为了提高步进电机控制系统的动态性以及控制精度,本文献因此提出了一系列关于基于现场可编程门阵列（FPGA）和由数字信号处理器（DSP）构成的步进电机控制系统的设计方法。
关键字：现场可编程门阵列（FPGA）；步进电机；数字信号处理器(DSP)；引言20世纪后期随着晶体管的发明逐渐应用于步进电机上，使得对于数字化的控制变得更为容易。
如今的步进电机已广泛运用在高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中[1]。
例如数控机床、计算机设备、自动记录仪等，另外在工业自动化生产线、印刷设备中均有应用。
随着步进电机的应用越来越广泛，步进电机在实时性和灵活性等性能上的要求也越来越高，虽然步进电机的发展迅速，但是在大功率步进电机驱动电源的设计和使用仍然存在问题，很大程度上地限制了大功率步进电机在数控机床、自动控制等技术方面的应用。
一、基本概况步进电机（Stepping Motor）是将电脉冲信号转化为角(线)位移的电元件，当步进驱动器接受脉冲信号后，就会驱动步进电机转动一个固定的角度，即步距角。
因此，通常以通过控制脉冲个数和控制脉冲频率来调节和控制角位移量及电机转动的速度和加速度，从而达到准确的定位和调速的目的。
在非超载的情况下，脉冲信号的频率和脉冲数来决定了电机的转速停止的位置，且不受负载变化的影响。
因此步进电机在速度、位置等控制领域的控制变的非常简单且容易操作。
最早步进电机的原理与今天的反应式步进电机的组成原理基本相同。
随着时代的发展，微型计算机具有多功能的特点，因而步进电动机的控制方式变得灵活和多样。
早期的步进电机的控制系统是分立元件来控制回路，它的缺点是调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且定型之后，不容易改变其控制方案。
基于微型计算机的控制系统则是通过软件来控制步进电机，这样能够更好地发挥步进电机的潜力；因此，用微型计算机控制步进电机已经成为一种必然的趋势，并且也符合数字化的时代发展要求。
步进电机控制系统设计
步进电机控制系统设计目录1绪论 (3)1.1 步进电机概述 (3)1.2 步进电机的特征 (3)1.3 步进电机驱动系统概述 (4)1.4 课题研究的主要内容 (4)2步进电机驱动系统的方案论证 (5)2.1 步进电机驱动系统简介 (5)2.2 步进电机驱动器的特点 (5)2.3 混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较 (6)2.3.1 双极性驱动器与单极性驱动器 (6)2.3.2 单电压驱动方式 (8)2.3.3 高低压驱动方式 (9)2.3.4 斩波恒流驱动 (10)2.4 方案的确定 (10)3混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计 (11)3.1单片机最小系统 (11)3.2 红外遥控电路 (12)3.2.1 红外发射电路 (12)3.2.2 红外接收电路 (13)3.3 LCD显示电路 (14)3.4 双机通讯 (15)3.5 步进电机驱动部分 (16)3.5.1 单极性步进电机驱动 (16)3.5.2 双极性步进电机驱动 (18)3.6 电源电路 (18)4 软件设计 (19)4.1 主机LCD显示菜单程序 (19)4.2 双机通讯程序 (20)4.3 下位机步进电机驱动程序 (22)5 驱动器试验结果 (24)5.1 概述 (24)5.2 试验内容和结论 (24)总结 (26)参考文献 (27)1绪论1.1 步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线性运动的执行器。
它由步进电机及其动力驱动装置组成，形成开环定位运动系统。
当步进驱动器接收到脉冲信号时，它驱动步进电机以设定方向以固定角度（步进角度）旋转。
脉冲输入越多，电机旋转的角度越大;输入脉冲的频率越高，电机的速度越快。
因此，可以通过控制脉冲数来控制角位移，从而达到精确定位的目的;同时，通过控制脉冲频率可以控制电机转速，从而达到调速的目的。
根据自身结构，步进电机可分为三类：反应型（VR），永磁型（PM）和混合型（HB）。
混合式步进电机具有无功和永磁两种优点，应用越来越广泛。
步进电动机(第7章)
控制电机
n = ( f θ b )/6o r/min 频率f一定时，步距角越小，转速越低，电 机输出功率越小。从提高加工精度上要求，应 选用小的步距角，但从提高输出功率上要求， 步距角又不能取的太小。一般步距角应根据系 统中应用的具体情况进行选取。
一台四相步进电动机，设其为四相八拍运行。 转子上共有50个齿，计算n=1000r/min时，控 制脉冲频率？ nNZ R 1000 8 50 60 f f 666 .67 Hz n 60 60 NZ R
控制电机
当 A、B 两相同时通电时，合成距角特性应为 两者相加，即
TAB= TA + TB = -Tjmax sin （θe –60 o ）
T TA TAB TB
转矩向量图
TA
TAB 0
60o
120o
θe TB
单相、两相通电时的距角特性
控制电机
三相步进电动机两相同时通电时，最大静态转矩 值与单相通电时的最大静态转矩值相等。也就是 说，对三相步进电动机来说，不能依靠增加通电 相数来提高转矩，这是三相步进电动机一个很大 的缺点。
Tem
f
k 脉冲分配
器和功放
控制电机
步进电动机的驱动需要结合数字技术、 计算机技术和电力电子技术。 步进电动机被广泛应用于需要精确定 位和定速的控制系统中，例如数控机床、 绘图仪器、机器人等领域。
步进电动机
脉冲分配 器和功放
控制电机
XY操作台
控制电机
恒流泵
控制电机
打印机
控制电机
激光排版
控制电机
控制电机
三相步进电动机具有三相单三拍、三相六 拍和三相双三拍运行状态。 “三相”：步进电动机具有三相定子绕组。 “单、双”：每次只有一相（单）或两相（双）绕
第7章 数控机床的进给伺服系统PPT课件
式中 J1、J2——齿轮的转动惯量(N·m·s2)；J3——丝杠的转动惯量 d ——冲当量(mm／脉冲)。
然后进行负载启动频率fqF 的估算； 式中 fq——空载启动频率(Hz)，T——由矩频特性决定的力矩(Nm)
J——电机转子转动惯量(N·m·s2)。 依照机床要求的启动频率fqF ，可选择fq
第七章 数控机床的进给伺服系统
7-1 概述 7-2 步进电动机及其驱动系统 7-3 直流伺服电动机及其速度控制 7-4 交流伺服电动机及其速度控制 7-5 主轴驱动 7-6 位置控制
§ 7-1 概述
立式铣床
加工中心 刀库刀具定位电机 机械手旋转定位电机
带制动器伺服电机 主轴电机
伺服电机
伺服驱动系统（Servo System)
称做空载运行频率fmax。它也是步进电动机的重要性能指标，对于提高 生产率和系统的快速性具有重要意义。
fmax 应能满足机床工作台最高运行速度。
6. 运行矩频特性 运行矩频特性T＝f(F)是描述步进电动
机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行 T 频率之间的关系。它是衡量步进电动机运转 时承载能力的动态性能指标。
f
三、步进电动机驱动电源 1. 作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕组顺序通电。 2. 基本要求 （1）电源的基本参数与电动机相适应； （2）满足步进电动机起动频率和运行频率的要求； （3）抗干扰能力强，工作可靠； （4）成本低，效率高，安装维修方便。
1.步距角 步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式：
θ＝ 360 (°) Z mK
式中 m—步进电动机相数 Z—转子齿数 K—控制方式系数， K=拍数p/相数m
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定子
B2
B3
A3
C
B2
B3
D
A3
1．结构特点
图7.2所示为一台三相反应式步进电动机的结构简图。其 定子有6个磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组， 由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。转子上有均布的四 个凸齿。
第7章步进电动机传动控制系统
图7.2三相反应式 步进电动机结构简图
(a)
(b)
图7.3三相反应式步进电动机工作原理
若按三相六拍运行时，其步距角为
第7章步进电动机传动控制系统
7.1.2小步距角步进电动机
如果步进电动机电定子各相绕组轮流通电的脉冲的频率 为f，步距角θb的单位为(o)，则步进电动机的转速(单位为 r／min)为
可知，步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其 转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转 子的转速越高。
第7章步进电动机传动控制系统
结论：
通过以上分析可知，转子的齿数不能任意选取。因为在 同一相的几个磁极下，定转子齿应同时对齐或同时错开， 才能使几个磁极的作用相加，产生足够的反应转矩，而 定子圆周上属于同一相的极总是成对出现的，所以转子 齿数应是偶数。
另外，在不同相的磁极下，定转子相对位置应依次错开 1／m齿距，这样才能在连续改变通电状态下，获得连续 不断的运动。否则，当某一相控制绕组通电时，转子齿 都将处于磁路的磁阻最小位置上，各相绕组轮流通电时， 转子将一直处于静止状态，电动机不能正常转动运行。 为此，要求两相邻相磁极轴线之间转子的齿数为整数加 或减1／m。
分类方式 按工作原理
7.1.3步进电动机的分类`
具体类型 反应式
(又称磁阻式)
结构特点 转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运 行，是我国步进电动机发展的主要类型。
B1
A1
第7章步进电动机传动控制系统
N
B2
A2
B1
左段 A1
右段 S
若以转子左段铁心作参考，当A1、A3极上的齿与转子齿对齐时， 则有 A2、A4极上的齿与转子槽相对，B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转 子齿1/4齿距，B2、B4极上的齿沿顺时针方向超前转子齿3／4齿距；在 转子右段铁心，则A1、A3极上的齿与转子槽相对，A2、A4极上的齿与 转子齿对齐，B1、B3极上的齿沿顺时针方向超前转子3/4齿距，B2、 B4极上的齿沿顺时针方向超前转子齿1／4齿距。
步进电动机的工作机理是基于最基本的电 磁铁机理。
第7章步进电动机传动控制系统
第7章步进电动机传动控制系统
步进电动机的运动是由一系列电脉冲控制，脉冲发生 器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序 加到电动机的各相绕组上。为了使电动机能够输出足够 的功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功 率放大。环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统 称为步进电机的驱动电源。步进电动机、驱动电源和控 制器构成步进电动机传动控制系统，如图7.1所示。
7.1.2小步距角步进电动机
设转子的齿数为Z，则齿距角为
360 z
因为每通电一次(即运行一拍)，转子就走一步，故步距角
为
第7章步进电动机传动控制系统
式中：K为状态系数，相邻两次通电相数一致时K=1，如 单、双三拍时；反之则K=2，如三相六拍时。
若步进电动机的z=40，三相单三拍或三相双三拍时，其 步距角为
步进电动机的转速即取决于控制绕组通电的频率，又取决 于绕组通电方式。步进电动机的通电方式一般有单相轮流 通电方式、双相轮流通电方式和单双相轮流通电方式 。
1）单相轮流通电方式-运行的稳定性差。 2）双相轮流通电方式-输出力矩较大，定位精度高而且不
易失步。 3）单双相轮流通电方式-步距角减小一倍。
第7章步进电动机传动控制系统
第7章步进电动机传动控制系统
步进电动机（Step motor 或Stepping motor），是一种利用电磁感应原理，将电 脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。 每输入一个脉冲，电机就转过一个角度，运 行一步，其运动形式是步进式的，故称为步 进电动机。由于其输入的是脉冲电压，所以 又称脉冲电动机或阶跃电动机。
料做成凸极结构；转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电
动机”；用永久磁铁做转子的叫做“永磁式步进电动机”。步进
电动机的结构形式虽然繁多，但工作原理基本相同，下图是两相
混合式步进电动机结构图 。
C—C剖面 C
A1
D 电机绕组
D—D剖面 A1
B1
B4
转子
B1
B4
N
A2
N
N
A4S
S
A4
(1)基本工作原理
2. 工作原理
第7章步进电动机传动控制系统
7.4单三拍通电方式时的转子位置
步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转 过一个确定的角度，即步进电机的步距角，用θb表示；改变 步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变。
第7章步进电动机传动控制系统
（2）通电方式
当定子绕组按U-V-W顺序轮流通 电时，转子就顺时针方向一步一 步地移动，各相绕组轮流通电一 次，转子就转过一个齿距。
图7.6实际的三相反应式步进电动机结构 简图
三相反应式步进电动机定子、转子展开图
第7章步进电动机传动控制系统
两相混合式步进电动机定子磁极上的齿与左右段转子齿的 相对位置
B2
A2
驱动电源
控制器
环形分配器
功率放大器
步进电动机
辅助电路
图7.1步进电动机传动控制系统框图
7.1 步进电动机工作原理及分类
第7章步进电动机传动控制系统
7.1.1 步进电动机的结构与工作原理
步进电动机的结构分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠
加而成，绕有一定相数的控制绕组，由环形分配器送来的电脉冲
对各相定子绕组轮流进行励磁。转子用硅钢片叠成或用软磁性材
图7.5三相六拍通电方式
7.1.2小步距角步进电动机
定子极面小齿和转子上的小齿位 置符合下列规律：
第7章步进电动机传动控制系统
当U相的定子齿和转子齿对齐时， V相的定子齿应相对于转子齿顺 时针方向错开1/3齿距，而W相 的定子齿又应相对于转子齿顺时 针方向错开2／3齿距。也就是说， 当某一相磁极下定子与转子的齿 相对时，下一相磁极下定子与转 子齿的位置刚好错开τ/m．其中， τ为齿距，m为相数；再下一相磁 极下定子与转子的齿则错开2τ／ m；依此类推。