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資料 來源 : 運動控制 http://www.hi138.com/gongxue/dianzijixie/200909/67901.asp. 步進電機運動控制系統設計. 課程名稱 ：運動 控制概論 學生姓名 ：黃泳樺 班 級 ：控晶四乙 學 號 ： 4982C079 授課 教師 ：王明賢. 步進電機概述. ： 1 ） 一般步進電機的精度為步進角的 3-5% ，且不累積。
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資料來源 :運動控制 • http://www.hi138.com/gongxue/dianzijixie/200909/67901.asp 步進電機運動控制系統設計 課程名稱：運動控制概論 學生姓名：黃泳樺 班 級：控晶四乙 學 號：4982C079 授課教師：王明賢
步進電機概述 • ： • 1） 一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 • 2） 步進電機外表允許的溫度高。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至於失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決於不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 • 3）步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。
4）步進電機低速時可以正常運轉，但若高於一定速度就無法啟動，並伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈衝頻率，如果脈衝頻率高於該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈衝頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然後按一定加速度升到所希望的高頻4）步進電機低速時可以正常運轉，但若高於一定速度就無法啟動，並伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈衝頻率，如果脈衝頻率高於該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈衝頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然後按一定加速度升到所希望的高頻 • 1.2步進電機的工作原理： • 步進電機是一種用電脈衝進行控制，將電脈衝信號轉換成相位移的電機，其機械位移和轉速分別與輸入電機繞組的脈衝個數和脈衝頻率成正比，每一個脈衝信號可使步進電機旋轉一個固定的角度.脈衝的數量決定了旋轉的總角度，脈衝的頻率決定了電機運轉的速度.當步進驅動器接收到一個脈衝信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
1.3.1步進電機的基本參數 • 1) 空載啟動頻率: • 即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈衝頻率，如果脈衝頻率高於該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率更低。如果要使電機達到高速轉動，脈衝頻率應該有加速過程 • 2) 電機固有步距角： • 它表示控制系統每發一個步進脈衝信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值 • 3) 步進電機的相數： • 是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。 • 4) 保持轉矩（HOLDING TORQUE）：是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩
步進電機分為三大類 ： • 1)反應式步進電機: 反應式步進電機的轉子是由軟磁材料製成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本距角可以做得很小，但動態性能較差。反應式步進電機有單段式和多段式兩種類型。 • 2)永磁式步進電機: 永磁式步進電機的轉子是用永磁材料製成的，轉子本身就是一個磁源。轉子的極數和定子的極數相同，所以一般步進角比較大，它輸出轉矩大，動態性能好，消耗功率小，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈衝供電。 • 3)混合式步進電機: 混合式步進電機綜合了反應式和永磁式兩者的優點。混合式與傳統的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅動用的交流同步機設計的，後來發現如果各相繞組通以脈衝電流，這種電動機也能做步進增量運動。
步進電機閉環控制的方法 • 1) 步進確認，這是最簡單的位移控制，使用一個低值的光學編碼器計算步進移動的數量。一個簡單的迴路與指令校驗的步進電機比較，驗證步進電機移動到預計的位置； • 2) 反電動勢， 一種無傳感器的檢測方法，使用步進電機的反電動勢（eleCtromotiveforCe，emf）信號，測量和控制速度。當反電動勢電壓降至監測探測水平時，閉環控制轉為標准開環，完成最終的位移移動； • 3）全伺服控制，指全時間的使用反饋設備，用於步進電機--編碼器、解碼器、或其它反饋傳感器上，從而更為精確地控制步進電機位移和轉矩。
單片機的引腳功能: • 1）VCC（40）：電源+5V。 • 2）VSS（20）：接地，也就是GND。 • 3）XTL1（19）和XTL2（18）：振盪電路。 • 單片機是一種時序電路，必須有脈衝信號才能工作，在它的內部有一個時鐘產生電路，有兩種振盪方式，一種是內部振盪方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是外部振盪方式，採用外部振盪方式時，需在XTL2上加外部時鐘信號（詳細的內容將在以後的課程中專門介紹）。 • 4）PSEN（29）：片外ROM選通信號，低電平有效。 • 5）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號輸出端/EPROM編程脈衝輸入端。 • 6）RST/VPD（9）：復位信號輸入端/備用電源輸入端。 • 7）EA/VPP（31）：內/外部ROM選擇端 • 8）P0口（39-32）：雙向I/O口。 9． P1口（1-8）：準雙向通用I/0口。 • 9）P2口（21-28）：準雙向I/0口。
步進電機的選擇 • 因本次設計的要求，步進電機的應選用三相三拍的步進電機，關於步進電機的具體說明如下； • 反應式步進電動機是利用凸極轉子交軸磁阻與直軸磁阻之差所產生的反應轉矩而轉動的所以也稱為磁阻式步進電動機現以一個最簡單的三相反應式步進電動機為例說明其工作原理. • 圖4-2是一台三相反應式步進電動機的原理圖定子鐵芯為凸極式共有三對六個磁極每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組轉子用軟磁性材料製成也是凸極結構只有四個齒齒寬等於定子的極靴寬下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理.
三相單三拍運行 • ”三相”是指三相步進電動機，”單”是指每次只有一相控制繞組通電，控制繞組每改變一次通電方式稱為一拍，三拍是指經過三次改變通電方式為一個循環，我們稱每一拍轉子轉過的角度為步距角.三相單三拍運行時的步距角為30度
當A 相控制繞組通電，其餘兩相均不通電，電機內建立以定子A 相極為軸線的磁場.由於磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，使轉子齒1， 3 的軸線與定子A相極軸線對齊，如圖4-4 (A)所示.若A 相控制繞組斷電，B 相控制繞組通電時，轉子在反應轉矩的作用下，逆時針方向轉過30，°使轉子齒2，4 的軸線與定子B 相極軸線對齊，即轉子走了一步，如圖4-4(B)所示， 若再斷開B相，使C相控制繞組通電，轉子又轉過30 ° 使轉子齒1，3 的軸線與定子C相極軸線對齊，如圖4-4(C)所示.如此按AB–CA 的順序輪流通電，轉子就會一步一步地按逆時針方向轉動，其轉速取決於各相控制繞組通電與斷電的頻率，旋轉方向取決於控制繞組輪流通電的順序若按ACBA 的順序通電，則電機按順時針反方向轉動.
驅動電路的選擇 • 因從CPU輸出的脈衝信號特別小，固應先經過PWM8713脈衝分配器對脈衝進行分配並經過放大然後再經過光耦驅動來驅動步進進電機。 步進電機驅動電路圖
