文献综述-步进电动机的微机控制

文献综述电气工程及其自动化步进电动机的微机控制前言：进电动机属于DC驱动的同步电动机，它是纯粹的数字控制电动机。

它是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。

近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展推动了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。

步进电动机系统是由步进电动机及其驱动控制电路构成的。

近二十年来,电力电子技术、微电子技术和微处理器技术的飞速发展，极大地推动了步进电动机驱动控制技术的进步，并使之在不断完善中趋于成熟。

步进电动机驱动控制技术的发展，在使得步进电动机系统获得更加广泛应用的同时，也使得步进电动机与其驱动电路装置日益成为不可分割的一个整体。

步进电动机驱动电路的合理设计与改进，需要对步进电动机运行机理和具体结构设计的透彻了解与深入分析。

同时，步进电动机系统的性能和运行品质在很大程度上取决于其驱动电路的结构与性能，同一台电动机配以不同类型的驱动电路，其性能会有较大差异。

抛开驱动电路来谈步进电动机的性能是不完全的。

步进电动机主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。

如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。

步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表、和磁盘等等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备如打印机、绘图机等中亦有应用。

正文：国内外关于步进电动机的研究主要在它本身的性能提高，应用领域的不断拓广，电动机外形的改变和不同的更先进的控制方式。

1、步进电动机的发展历史与概要。

步进电动机的发展过程步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用、其原始模型起源于1830年至1860年间。

1870午前后开始以控制为目的的尝试、应用于氮弧灯的电极输送机构中。

这被认为是最初的步进电动机。

此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机。

不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。

20世纪60年代后期，在步进电动机本体方面随着水磁材料的发展，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。

在近30年间．步进电动机迅速地发展并成熟起来。

从发展趋向来讲、步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机，以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。

我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪50年代后期。

从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。

这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。

70年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破。

除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。

70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。

自80年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛利用。

2、步进电动机的运行特点和步进电动机的分类。

步进电动机有如下的特点：步进电动机的的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此，当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。

由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。

同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能闭环数控系统。

步进电动机的动态响应很快，易于启停、正反转及变速。

速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。

步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行它不能直接使用交流电源和直流电源。

步进电动机存在震荡和失真现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。

步进电动机自身噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。

步进电机的分类步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式(Hybrid Stepping,HS)。

反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。

结构简单、成本低、步距角小，可达1.5°、但动态性能差、效率低、发热大，噪声和振动都很大。

永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。

其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。

混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。

其特点是输出力矩大、动态性能好，步矩角小，但结构复杂、成本相对较高。

这种步进电机的应用最为广泛，性能最好。

步进电动机经过几十年的发展，已经成为除直流电动机和交流电动机以外应用最广泛的第三类电动机，在开环高分辨率系统中，至今还没有发现更适合取代它的产品，特别是在一些功率相当小的系统中，步进电动机更具有无可替代的主流地位。

预计未来步进电动机的研究还会持续下去，研究方向还会之一是电机与驱动的一体化，使步进电动机的体积更小巧、性能更优越，性价比更高，在大量的民用设备中批量化使用，如家庭机器人、民用智能化设备等；研究方向之二是在功率或机座号相对较大的步进电动机中，与属于BIDCM（稀土永磁无刷直流电机）的交流伺服电动机系统会和，具体来说可能会借鉴交流伺服电动机的特点，形成一种新的“步进伺服电动机”或“伺服步进电动机”，在克服低频率等方面取得突破性进展，从而在现代军事、精密机械加工、航空航天等领域的应用越来越深入。

3、反应式步进电机的工作原理和工作方式反应式步进电机的工作原理反应式步进电动机是以电磁力来作为电机运动的动力的。

转子在电磁力的作用下被推到最小磁阻也就是最大磁导率的位置，即定子小齿与转子小齿的位置对齐的时候，且这时转子处于平衡状态（如图3-2 （1）所示）。

在三相步进电动机运行时，某一相的磁极达到最大的磁导率的位置时，其余的两相磁极一定没有达到最大磁导率的位置，也就是定子小齿和转子小齿位置不对其的时候（如图3-2 （2）所示）。

反应式步进电机的工作方式三相反应式步进电机有三种工作方式：单三拍工作方式、双三拍工作方式、六拍工作方式。

三种工作方式主要是由对绕组通电时的不同顺序而产生的。

它们的通电顺序分别为A→B→C→A、AB→BC→CA、A→AB→B→BC→C→CA。

这其中，六拍工作方式在“高频性能”、“转矩”、“振荡”、“功耗”等项目方面性能比较好，而单三拍工作方式则较差。

因此，在实际使用中，六拍工作方式对提高步进电动机的工作性能有着很大的帮助。

4、单片机控制步进电机的研究单片机控制步进电动机是一种结合了软件与硬件的一种控制方法，它使用软件来实现对步进电动机输入脉冲的分配，使步进电动机的控制效果得到不少的提升。

并且，在当今社会生产发展越来越先进，自动化控制的程度越来越高，而单片机以其强大的功能，价格相对低廉，性价比高等优点而深受人们的信赖。

单片机对步进电动机的控制时通过控制信号来完成的，它主要的做用是对步进电动机换相的顺序控制，对步进电动机正反转的控制，对步进电动机转动速度的控制。

单片机控制步进电机有以下几个方面：对控制步进电机的脉冲的分配；对步进电机的转速的控制；对步进电机运行时加减速的控制；对步进电机运行时准确的位置的控制。

5、以单片机控制步进电机调速系统的实例来论证单片机控制系统的优点在实际的生产过程中，由于步进电动机启停频繁，如果控制不恰当，就会造成步进电动机的过冲和失步等现象。

因此，对于步进电动机的调速控制一直是研究的重点之一。

由于单片机控制有着功能强大，使用性强，控制精确且稳定性和可靠性高，适应能力强等一系列优点，所以，单片机一直是作为步进电机控制系统的核心，对步进电机的高性能稳定工作起到非常重要的作用。

这是一个步进电机调速系统的硬件框图其中，这里对单片机采用的是AT89C51 ，驱动电路使用的是恒流斩波驱动电路，电机使用的是三相反应式步进电动机。

显示芯片使用的是CD4511芯片，键盘使用的是设计的电路。

在系统中，利用了单片机的运算能力十分强大，以及可以编程的特点，实现了对步进电动机的复杂的调速能力。

在遇到不同的情况时，仅仅需要改变软件而不需要改变硬件电路，使这种方法具有适应能力极强的特点。

在控制时，也可以通过显示装置来方便的了解步进电机的具体的运行状态，使操作者对步进电机具体的工作情况能清楚的了解，并且，这里将两者进行结合，使系统的交互性大大增强。

在这里，单片机控制的步进电机调速系统具有下面的优点：系统的结构相对简单，成本较低；功能完善，对于一般所需求的加减速，正反转等功能都可以实现；一般情况下，只要改变软件就能适应不同的情况；对于步进电机的工作状态可以显示出，操作也简单；由于单片机抗干扰能力较强，在运行过程中，步进电机也能保持较为稳定的运行状态，可靠性高。

总结：本课题是步进电动机的微机控制，主要的研究的对象是反应式步进电动机，包括它的结构，工作原理，运行特点和不同工作方式下的单片机控制，以及单片机控制的调速系统运行状态。

由于控制系统在向着更加复杂、可靠性以及精确性要求更高的方向发展。

这就要求必须有更加先进的控制系统与之相适应。

微机自从出现以来，便以其集成度高、功能强、体积小、功耗低、价格廉、灵活方便等一系列优点。

现在微机的发展也促进了控制理论的发展。

而步进电动机主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。

步已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表、和磁盘等等之中。

步进电动机的用途之广泛，微机控制的种种优点，使研究该课题，顺应数字化时代控制系统发展的潮流，对优化步进电动机的实际应用，提高步进电动机运行的可靠性，操作的简便性以及促进步进电动机控制系统的发展具有重要的意义。

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