步进电机开环控制系统设计毕业设计Word文档格式.docx
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第1章绪论
1
1.1课题背景
1.2步进电机工作原理
3
1.3系统设计的目标
第2章步进电机的分类、基本结构
5
2.1步进电机的分类
2.2步进电机的基本结构
2.2.1电机固有步距角
2.2.2步进电机的相数
2.2.3保持转矩（HOLDING
TORQUE）
6
2.2.4钳制转矩（DETENT
2.3步进电机主要特点
2.4步进电机在工业控制领域的主要应用情况介绍
7
2.5本章小结
第3章步进电机开环系统硬件电路的设计
8
3.1单片机的选择
3.2步进电机的选择
9
3.3驱动电路的选择
10
3.4反馈电路的选择
12
3.5电源电路设计
13
3.6抗干扰设计
3.7看门狗电路
14
3.8本章小结
结论
15
致谢
16
参考文献
17
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第1章绪论
1.1课题背景
步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机,传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。
可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。
为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。
步进电动机的发展与计算机工业密切相关。
自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。
另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等等。
任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。
现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。
爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。
最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1.8／0.9°
（全步／半步）；
还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。
到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。
步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、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，都堪称是世界上最好的。
现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近2亿台
德国也是世界上步进电动机生产大国。
德国B．L．公司1994年五相混合式步进电动机专利期满后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，为定子6极转子50齿结构，配套电流型驱动器，每转步数为200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率，还可以在此基础上再10细分，分辨率提高10倍，这是一种很好的方案，充分运用了电流型驱动技术的功能，让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。
与此同时，日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。
该公司阪正文博士研制了三种不同的永磁式三相步进电动机，即HB型（混合式）、RM性（定子和混合式相似，转子则同永磁式环形磁铁相似）和爪极PM型。
将三相步进电动机同二相步进电动机进行比较后显示：
1．在获得小步距角方面，三相电动机比二相电动机要好。
2．S三相电动机的两相励磁最大保持力矩为3T1（T1为单相励磁转矩），而二相电动机为2T1，所以三相电动机的合成力矩大。
3．三相电动机的转矩波动比二相电动机要小。
4．三相电动机连续2步用于半步的转矩差比二相电动机的要小。
5．三相电动机绕组可以星形连接，三个终端驱动，励磁电路晶体管6个；
而二相电动机是8个。
6．连续运转时，由于三相步进电动机结构原因，磁通和电流的三次谐波被消除了，所以三相电动机的振动力矩比二相电动机的要小.
结论是显而易见的。
另外的结论是HB型电动机更适合于低速大转矩用途；
RM型适用于平稳运行以及转速大于1000R/MIN的用途；
而PM型成本低，在低转速时的振动和高转速时的大转矩方面，三相PM型电动机比两相电动机的性能要好。
因此，当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：
发展趋势一，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，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。
瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10MM的步进电动机。
发展趋势之二，是改圆形电动机为方形电动机。
由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。
同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30％～40％。
发展趋势之三，对电动机进行综合设计。
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。
发展趋势之四，向五相和三相电动机方向发展。
目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。
而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。
我国的情况有所不同，直到20世纪80年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是80年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存。
尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角（0.9°
/1.8°
）与典型的磁阻式电动机的步距角（0.75°
/1.5°
）不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。
这种现状对步进电动机的发展是不利的。
1.2步进电机工作原理
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构。
由于受脉冲的控制,其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比,通过控制脉冲数量来控制角位移量,从而达到准确定位的目的；
通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的；
通过改变通电顺序,从而达到改变电机旋转方向的目的。
总结来说,步进电机主要具有以下一些工作特性:
1．输入脉冲数严格的和电机的角位移成正比,电机运转一周后没有积累误差,因此具有良好的跟随特性。
2．由于其良好的跟随特性,步进电机可以与驱动器电路组成开环数字控制系统,同时,也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。
3．步进电机的动态响应快,易于启动和停止、正反转和变速。
4．速度可以在相当宽的范围内平滑调节；
在低速动作状态下仍能保证获得大的转矩。
本设计是采用是S7—300控制三相六拍的反应步式步进电机，通过软件设计移位脉冲频率来控制步进电机的慢速、中速、快速。
移位寄存器指令MW0的低八位按照三相六拍的步进顺序进行赋值来控制步进动机的正反转。
步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。
步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其速度与单位时间内输入的脉冲数（即脉冲频率）成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。
所以只要控制脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。
步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。
步进电机具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点,已成为运动控制领域的主要执行元件之一。
步进电机是机电一体化的关键产品,广泛应用在各种自动化控制系统和机电一体化设备中。
随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个行业的控制领域都将有广泛应用。
而现在的可编程控制（Programmable
Logic
Controller,
通常称PLC）是一种工业控制计算机,具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能,能充分适应工业环境,简单易懂,操作方便,可靠性高,是目前广泛应用的控制装置之一。
PLC对步进电机也具有良好的控制能力,利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能,即可实现对步进电机的控制。
利用PLC控制步进电机,其脉冲分配可以由软件实现,也可由硬件组成。
第2章步进电机的分类、基本结构
1．永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。
2．反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。
3．混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相。
两相步进角一般分为1.8度而五相步进角一般为
0.72度，。
这种步进电机的应用最为广泛[1]。
定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。
定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C相。
在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合，当A相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距。
如图2-1所示
图2-1A相通电定转子错开示意图
2.2步进电机的基本结构
2.2.1电机固有步距角
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关[2]。
步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机步距角为0.9°
、三相为0.75°
、五相为0.36°
/0.72°
。
在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求[3]。
如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
TORQUE）
保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数中之一[4]。
比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。
由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT
TORQUE。
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取决于不同电机磁性材料的退磁点，步进电机温度过高时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，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[5]。
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）。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,
广泛应用在各种家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等。
另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。
由于通过控制脉冲个数可以很方便的控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积累，可以达到准确定位的目的[6]。
还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速和加速度，达到任意调速的目的，因此步进电机可以广泛的应用于各种开环控制系统中。
2.5本章小结
本章主要介绍步进电机的分类及其基本结构、电机的特点。
步进电机作为执行元件，广泛应用在各种家电产品中，还广泛的应用于各种开环控制系统中。
第3章步进电机开环系统硬件电路的设计
3.1单片机的选择
本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片．89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上．使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FAlshProgrAmmABleAndErAsABleReAdOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容[7]。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
单片机的引脚功能:
1．Vcc（40）：
电源+5V。
2．Vss（20）：
接地，也就是GND。
3．XTL1（19）和XTL2（18）：
振荡电路。
单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；
另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。
4．PSEN（29）：
片外ROM选通信号，低电平有效。
5．ALE/PROG（30）：
地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。
6．RST/VPD（9）：
复位信号输入端/备用电源输入端。
7．EA/VPP（31）：
内/外部ROM选择端。
8．P0口（39-32）：
双向I/O口。
9．P2口（21-28）：
准双向I/0口。
原理图如3-1所示：
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作[8]。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
图3-1AT89C51的引脚图
3.2步进电机的选择
因本次设计的要求，步进电机的应选用三相三拍的步进电机，关于步进电机的具体说明如下；
反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的，所以也称为磁阻式步进电动机。
现以一个最简单的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理图3-2是一台三相反应式步进电动机的原理图，定子铁芯为凸极式共有三对六个磁极，每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组转子，用软磁性材料制成也是凸极结构，只有四个齿齿宽等于定子的极靴宽，下面通过几种基本的控制方式来说明其工作原理。
图3-2
三相反应式步进电机的原理图
3.3驱动电路的选择
因从CPU输出的脉冲信号特别小，固应先经过PWM8713脉冲分配器对脉冲进行分配并经过放大然后再经过光耦驱动来驱动步进进电机。
具体的连接图如3-3所示：
图3-3步进电机驱动电路图
PWM8713芯片介绍如下:
PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。
该器件采用DIP16封装，适用于二相或四相步进电机。
PMM8713在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式（1相励磁，2相励磁，3相励磁三种励磁方式之一），每相最小的拉电流和灌电流为20mA，它不但可满足后级功率放大器的要求，而且在所有输人端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强，在PMM8713的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。
PMM8713有两种脉冲输人法:
双脉冲输人法和单脉冲输人法[9]。
采用双脉冲输人法的连线方式如图3-4所示，其中CPICA两端分别输人步进电机正反转的控制脉冲。
图3-48713脉冲输入
图3-5PWM8713引脚图
PMM8713功能介绍：
PMM8713是专用的步进电机的步进脉冲产生芯片，它适用于三相和四相步进电机。
如图3-1所示PMM8713的引脚，Cu为加脉冲输入端，它使步进电机正转，Cp为减脉冲输入端，它使步进电机反转，Ck为脉冲输入端；
当脉冲加入此引脚时，Cu和Cp应接地,正反转由U/D的电平控制，EA和EB用来选择励磁方式的，可以选择的方式有一相励磁、二相励磁和一二相励磁，ΦC用来选择三、四相步进电机,Vss为芯片工作地，R为芯片复位端，Φ4～Φ1为四相步进脉冲输出端，Φ3～Φ1为三相步进脉冲输出端，Em为励磁监视端，Co为输入脉冲监视端，VDD为芯片的工作电源（+4～+18V）.其具体的原理框图如3-6所示。
图3-6驱动电路框图
3.4反馈电路的选择
应选用光电编码器作为反馈元件，光电编码器与步进电机是同轴的输出经过放大送到计算机。
并通过显示器显示出步进电机的实际转速。
关于光电编码器的说明如下。
光电编码器，是一种通过光电转换将位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔[10]。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图3-7所示；
通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
图3-7光电编码器的原理图
根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
3.5电源电路设计
本次设计用了+5V、+12V电源，采用的是78系列的集成固定三端稳压管。
78系列集成稳压器输出稳定，漂移小，精度也比较高。
其内部也有完善的保护电路。
它有风部过流保护，保证输出电流部会超出最大允许值；
它有内部热保护电路，如果输出管的结温达到允许的最大值，它会知道减小输出电流；
它内部还有工作区限制电路。
使稳压器的工作台不进入不安全区。
因此，它的可靠性高[11]。
另外，它只有三条引脚，移位输入，移位输出，移位公共端，使用起来很简单。
3.6抗干扰设计
由于系统中不可避免会从外界引入干扰，影响系统的控制精度，使系统的稳定性变差，故采用了硬件和软件抗干扰措施。
1．干扰对微机的作用可分为四部分：
（1）输入系统：
它使模拟信号失真，输入数据信号出错。
（2）输出系统：
使各输出信号混乱，不能反映微机系统的真实输出量。
从而导致一系列严重的后果，同时，还把现场的高电压设备与主机隔离，防止出现高频干扰现象。
2．本次设计采用的硬件抗干扰措施有：
（1）在电路排列方面，模拟电路和数字电路之间集中在一起，器件之间尽量缩短距离减小寄生电容。
（2）在线路设计中，将所有器件的模拟地线和数字地线都区分开，两者的地线不要混乱，分别与电源地线相连。
（3）电源系统的干扰大部分是高次谐波，然后接稳压器件，以保持电源稳定。
3．程序监视系统中的抗干扰（电源部分），WATCHDOG本身能独立工作，基本上不依赖于CPU，当电源受干扰而掉电时，WATCHDOG自动产生中断[12]。
使CPU备用电源起作用，对CPU正在执行的数据进行保护。
3.7看门狗电路
工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现，而最终造成系统故障的多数现象为“死机”。
究其原因是CPU在执行某条指令时受干扰的冲击，使它的操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错[13]。
这时,CPU执行随机拼写的指令，甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“死循环”。
为使这种“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，就是看门狗。
若程序发生“死机”，则看门狗电路产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。
3.8本章小结
本章主要介绍单片机、步进电机、显示电路与键盘、电路及电源的选择。
从而进行抗干扰设计。
步进电机选择三相三拍的步进电机并选用光电编码器作为反馈元件，用+5V、+12V作为电源，采用的是78系列的集成固定三端稳压管。
为使“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，使用看门狗。
“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。
结论
步进电机调速系统适用各种现场自动化控制，特别应用于小功率负载的控制；
具有成本底，性能稳定,可靠性高等优点。
步进电机作为执行元件，在科技的进步中起到了非常重要的作用，而步进电机调速系统可
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