matlab步进电机转速控制仿真(课程设计).doc

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摘要

一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。

每输入一个冲信号，该电动机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。

因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。

随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用逐渐扩大。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

在产品成型之初尚若利用仿真软件设计电路，仿真是对其进行研究的一个重

要的不可缺少的手段，在仿真环境中进行控制程序的调试，这不仅不需要实际的硬件设备，更能部分满足工程需求。

MATLAB语言是一种面向科学工程计算的高级语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等功能于一体，是一种高级的数学分析与运算软件，可用作动态系统的建模和仿真。

基于MATLAB的仿真环境下建立了步进电机模型，不仅仿真结果与实物仿真一致，而且其仿真方法简单，仿真时间大大缩短，是一种理想的步进电机仿真研究方法。

关键词：

步进电机，，，仿真

ABSTRACT

GeneralMotorsisacontinuousrotation,whilethestepiselectricrotatingstepbystep,socalledsteppermotors.Eachinputofaredsignal,themotorwillturnacertainangle（somesteppermotorscanbedirectlyoutputlinedisplacement,knownasthelinearmotor）.Therefore,thesteppermotorisapulseintothepointofdisplacement（orlineardisplacement）oftheimplementationofthecomponents.Withthedevelopmentofdigitalcontrolsystems,steppermotorapplicationgraduallyexpanding.Althoughthesteppermotorhasbeenwidelyused,butthesteppermotordoesnotlikeanormalDCmotor,ACmotorusedintheroutine.Itmustbedouble-ringpulsesignaldrivecircuitcomposedofcontrolbeforeuse.

UsedintheproductformingthebeginningofShangRuolisimulationsoftwarecircuitsimulationisanimportantstudyofits

Indispensablewantofmeanstocontrolprogramsimulationenvironmentfordebugging,notonlywithoutactuallyhardware,betterBufenmeettheengineeringrequirements.Matlablanguageisascienceandengineeringcalculationsforhigh-levellanguage,whichcombinesscientificcomputing,automaticcontrol,signalprocessing,neuralnetworks,imageprocessingandotherfunctionsintoone,isanadvancedmathematicalanalysisandcomputationsoftwarecanbeusedasdynamicModelingandSimulation.MATLAB-Simulinksimulationenvironmentbasedontheestablishmentofasteppingmotorunderthemodel,simulationresultsnotonlyconsistentwiththephysicalsimulation,andthesimulationmethodissimple,thesimulationtimeisshortened,itisanidealsteppingmotorsimulationmethods.

KEYWORDS:

Steppermotor,matlab,,simulation

前言

步进电机问世以后，很快确定了自己的应用场合为开环高分辨率的定位系统，工业应用发展到今已有约30年的历史，目前还没有更适合的取代它的产品，而且已经发展成为除直流和交流电机外的第三大类电动机产品，但毕竟发展历史不长，人们从应用的角度看仍有不成熟的感觉。

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。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

实际应用过程中一般是选择一个常用的步进电机，通过硬联线方式将驱动电路与单片机相接，然后调试程序测试电机的工作状态是否达到了控制要求。

在产品成型之初尚若利用仿真软件设计电路，在仿真环境中进行控制程序的调试，这不仅不需要实际的硬件设备，更能部分满足工程需求。

目录

摘要 1

ABSTRACT 2

前言 3

第1章引言 5

1.1步进电机概述 5

1.2系统仿真技术概述 7

1.3仿真软件的发展状况与应用 7

第2章MATLAB概要 8

2.1MATLAB概述 8

2.2概述 10

第3章步进电机基本原理 11

3.1典型结构和工作原理 11

3.2旋转通电方式 12

3.3小步距角步进电机 14

3.4其他型式的步进电动机 16

3.4.1永磁式步进电动机 16

3.5步进电机的控制方式 21

3.5.1步进电机的开环控制 21

3.5.2步进电机的闭环控制 22

第4章混合式步进数学模型及其建模 23

4.1混合式步进数学模型 23

4.2混合式步进电机的建模 27

第5章步进电动机的驱动电源 30

5.1混合式步进电机的绕组通电方式 30

5．2两相双四拍环形分配器 32

第6章步进电机控制方式仿真结果 35

6.1PID控制器 35

6.1.1模拟PID控制器 35

参考文献 38

致谢 40

第1章引言

步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。

1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。

往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。

在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多

1.1步进电机概述

步进电机依其构造上的差异可分为三大类：

可变磁阻式（VR型）：

转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。

其步进角通常为15°。

·        

永久磁铁式（PM型）：

转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。

依转子材质区分，其步进角有45°、90°及7.5°、11.25°、15°、18°等几种。

·        

混和式（HB型）：

转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。

目前市场上所使用的工业用步进电机，以混和式（HB型）最为普遍。

步进电机的特征

高精度的定位：

  步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。

以5相步进电机为例：

其定位基本单位（分辨率）为0.72°（全步级）/0.36°（半步级），是非常小的；停止定位精度误差皆在±3分（±0.05°）以内，且无累计误差，故可达到高精度的定位控制。

（步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度）

置及速度控制：

步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角的回转进而得到灵活的角度控制（位置控制），并可得到与该脉冲信号周波数（频率）成比例的回转速度。

具定位保持力：

  步进电机在停止状态下（无脉波信号输入时），仍具有激磁保持力，故即使不依靠机械式的剎车，也能做到停止位置的保持。

动作灵敏：

  步进电机因为加速性能优越,所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。

开回路控制、不必依赖传感器定位：

  步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转速发电机）及位置传感器（SENSOR），就能以输入的脉波做速度及位置的控制。

也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。

中低速时具备高转矩：

  步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。

高信赖性：

  使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。

小型、高功率：

  步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。

1.2系统仿真技术概述

系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖关系构成的具有某种特定功能的有机整体。

系统的分类方法是多种多样的，习惯上依照其应用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统。

工程系统的含义是指由相互关联部件组成的一个整体，以实现特定的目的。

例如电机驱动自动控制系统是由执行部件、功率转换部件、检测部件所组成，用它来完成电机的转速、位置和其他参数控制的某个特定目标。

非工程系统的定义范围很广，大至宇宙，小至原子，只要存在着相互关联、相互制约的关系，形成一个整体，实现某种目的的均可以认为是系统。

如果想定量地研究系统地行为，可以将其本身的特性及内部的相互关系抽象出来，构造出系统的模型。

系统的模型分为物理模型和数学模型。

由于计算机技术的迅速发展和广泛应用，数学模型的应用越来越普遍。

系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式，用来表示系