步进电动机控制系统研究开题报告.pdf

步进电动机有多种不同的结构。经过近七十多年的发展，逐渐形成以混合式和反应式为主的产 品格局。混合式步进电动机是在同步电动机或者说是在永磁感应子式同步电动机的基础上发展起来 的。既有反应式步进电动机基于气隙磁导变化的特征，又有轴向恒定磁场的永磁式步进电动机的特 征。其综合了该两类步进电动机的特点，因而性能更好。具有分辨率高，控制功率小等优点，是应 用最为广泛的步进电动机种类，至今没发现更合适取代它的产品。缺点是带惯性负载能力差，低频 振荡现象严重，高频运行时输出转矩下降。 国外步进电动机研究较早，对步进电机驱动技术的研究一直很活跃，如今正在研究开发以步进电动 机为执行机构的高性能伺服系统。目前，这类电动机最大的生产国还是日本。日本有很多公司生产， 像 JAPAN SERVO，SANYO DENKI 等。它们的产品无论是外观质量，内部性能指标，还是生产手段， 都处于世界先进水平。而在我国，步进电动机的研制最早始于 1958 年。经过五十年的发展，目前发 展趋于平缓，与国外相比，反应式步进电动机还占大量比例，只是随着近年来大批进口设备大量涌 入我国，而这些设备大多数采用了混合式步进电动机，混合式步进电动机才为人们所熟悉。在国外， 特别是工业比较发达的国家，步进电动机及其驱动技术早已规模化生产，我国与之相比还有相当大 的差距。虽然我国在该类电机的研制和生产上已形成一定规模，但生产规模较小，未形成商品化和 系列化，仅处于按用户要求研制定制阶段，与国外产品相比尚无竞争能力。从步进电动机驱动技术 发展历史来看，步进电动机的相数不同，有 2 相、3 相、4 相、5 相、9 相等。齿数也不同，使得产
功率开关管多采用功率场控晶体管(MOSFET)和全控型器件(IGBT)。功率集成电路(PIC)将功率器 件、前级驱动电路、控制电路及保护电路等都集成在一起，具有较强的功能和较大的输出功率。用 这种器件做成步进电动机驱动器，具有结构简单、性能稳定及运行可靠等优点。目前已应用于中、 小功率步进电动机的驱动。驱动器控制电路发展的一个重要方面是集成电路专用芯片的采用。如 F/V 变换器(LM2917)，V/W 变换器(SG3525，TL494)，微步控制与功率器件集成在一起的芯片 (A3955SB)等，更使步进电机驱动器的研制上了一个新台阶，使其性能指标有了显著的提高。使步进 电动机的控制系统达到了一个新的水平。其它一些控制技术，如矢量控制，模糊控制，神经网络控 制等也获得了飞速发展和应用。步进电动机今后的发展，依赖于新材料的应用，设计手段的完善， 以及与驱动技术的最佳配合。首先，精确的分析和设计，模型的建立和完善，是一项重要的基础研 究，至今还有很多工作要做，它可以为各类问题的深入分析提供基础，为优化设计指出方向。其次， 电力电子技术、微电子技术的发展，高性能永磁材料的应用及优化设计技术起到明显的作用自不待 说，驱动技术改进的作用也不容忽视，特别是微步驱动技术的应用和成熟，使步进电动机的分辨率 和特性与相数的关系不大，对步进电动机的设计，今后的发展会产生很大的影响，也提出了一系列 新的研究课题和方向。
本文分析了混合式步进电动机的结构和工作原理，建立了混合式步进电动机非线性动态模型， 给出了绕组的磁链方程、旋转电压方程、转子运动方程和传递函数的表达式。
根据两相混合式步进电动机的驱动控制特点，本文采用了双极性驱动方式，通过脉冲分配合理 控制绕组中的电流保证步进电动机内部合成磁场的幅值恒定，合成磁场的角度均匀，并在此基础上 设计了一种两相混合式步进电动机驱动器。
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 年前后开始以控制为目的尝试，应用于氢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永磁材料的发展，各种实用性步进电动机应用 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。
解决步进电动机的失步问题，在了解步进电动机的特点及工作原理的基础上，重点研究步进电 动机的单片机控制技术。进电动机与一般电动机不同，它的角位移量或直线位移量正比于电脉冲数， 而其线速度或转速则正比于脉冲频率。并且在负载能力范围内，不会因电源电压、负载、环境条件 的波动而变化。另外，步进电动机还可以在宽广的范围内，通过改变脉冲频率来调速，能够快速起 动、反转和制动，并且步进电动机还有一定的自锁功能。步进电动机的上述特点，使得由它和驱动 控制器组成的开环数控系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠的工作。这 些优点使得步进电动机在庞大的电机家族中占有不可替代的位置。来自 表二毕业论文范文模板
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课题研究方案
研究目标：
本课题对步进电动机的驱动电源及其驱动控制方式进行应用性研究，做出适合步进电动机运行
特性的驱动控制方式及电路，利用单片机实现对两相混合式步进电动机的闭环控制，通过键盘给入
步进电动机的速度，且利用 LED 实现实时转速显示。这对提高两相混合式步进电动机系统的性能，
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南京航空航天大学
工程硕士学位论文课题论证报告
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学 号： 姓 名： 工程领域： 研究方向： 指导教师：
年月日
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课题名称：步进电动机控制系统研究
课题来源：
选题依据（包括国内外研究情况分析，对国民经济和国防建设的价值，科技水平的估价
等）：
研究目的：
我国步进电动机的研究及制造起始于二十世纪 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也发展到了一个较高水平。70 年代中期至 80 年代中 期成为成品发展阶段，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 确模型作了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛应用。
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技术的发展，使得电动机每转步数的设计可以不受相数的限制，课题以两相混合式步进电动机为代 表作为研究对象，以先进的驱动技术为研究目的，开发高性能，高可靠性的驱动器，与两相混合式 步进电动机合理搭配使用。
鉴于上述原因，本课题对步进电动机的驱动电源及其驱动控制方式进行应用性研究，做出适合 步进电动机运行特性的驱动控制方式及电路，利用 8098 单片机实现对两相混合式步进电动机的闭环 控制，通过键盘给入步进电动机的速度，且利用 LED 实现实时转速显示。这对提高两相混合式步进 电动机系统的性能，推动步进电动机的广泛应用，发展新一代高性能混合式步进电动机控制系统， 不仅具有较高的现实意义，而且具有一定的经济价值。
该驱动器以单片机为控制核心，选驱动器件等构成驱动电路，论文从驱动技术方案、硬件电路、 控制软件设计方面进行了详细地描述。在反馈检测电路设计时，采用光电编码器来进行步进电动机 的转速。通过扩展键盘显示电路来显示电动机的转速和给定速度；另外利用语音芯片实现语音报速 功能。
最后对所设计的两相混合式步进电动机驱动器进行了性能测试分析，结果表明：该驱动器达到 了系统设计前所提出的各项指标。系统运行安全、可靠、稳定。整个系统电路简单实用、性能优良、 通用性强。设计原则适用于各种步进电动机，有一定的实用价值。
国内外研究的技术现状：
步进电动机是一种新型增量式电机，是数字控制系统的一种执行元件。它是利用电脉冲信号进 行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电动机。它的位移与输入脉冲信号相对应， 步矩误差不长期积累，不需用电刷，电机本体部件少，易于启停、正反转及变速。用步进电机作为 驱动装置构成的控制系统，具有成本低，控制简单，容易维护等优点。步进电动机问世后，广泛地 应用在等各个领域。做为机床控制、电子瞄准、工业自动化、办公自动化和机器人运动控制中应用 的重要执行部件，显示出广阔的发展前景。
研究意义与重要性：
随着步进电动机系统在各种数字控制系统中的广泛应用，各种数字控制系统随步进电动机性能 和使用条件的要求也越来越高。这就要求不断研制出高性能高可靠性高集成化低价位的驱动器和低 成本的单片机控制满足需求。众所周知，国内对这方面的研究一直很活跃，但是可供选用的高性能 的步进电动机驱动器却很少，而且国内的驱动器方面基本都存在着体积大、外形尺寸不规则、性能 指标不稳定及远没有达到系列化等问题，这就给驱动器的选用和安装带来了极大的不便，另外，随 着国内单片机技术的发展，更精度的步进电动机控制技术也得到很大的发展。国外虽然有通用的各 种类型的步进电动机驱动器，但大都存在价格昂贵，与我国的系统连接不匹配等问题。步进电动机 不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器；在驱动电源的设计方面目 前采用更多的是由单片机提供脉冲驱动信号。步进电动机系统的性能，除与电动机自身的性能有关 外，也在很大程度上取决于驱动器的性能。步进电动机在运行时，一般有以下问题:各相绕组都是开 关工作，多数电动机绕组都是连续的交流或直流，而步进动机各相绕组都是脉冲式供电所以绕组电 流不是连续的。电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以都有较大的电感。绕组通电时，电流 不能迅速上升至额定值，电流上升率受到限制，绕组断电时，应该电流截止的相不能立即截止。绕 组导通和截止都会产生较大的反电势，而截止时反电势将对驱动级器件的安全产生有害的影响。电 动机运转时在各相绕组中产生旋转电势，这些电势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。由 于旋转电势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电机输出转 矩也随着转速升高而下降。步进电动机的固有分辨率不高，不能精密位移。以应用最广的 8 极 50 齿 两相混合式步进电动机为例，其步距角为 0.9°/1.8°，需配合机械减速机构以达到所需要的脉冲当量 精度，但是，机械系统的增加也同时带来了一个误差源。步进电动机在低频运行时的振荡及过冲问 题，严重限制了步进电动机的应用范围。对这个问题的解决办法，除了改善负载特性及附加机械阻 尼外，还可以在驱动电源方面加以改善，如引入电磁阻尼、采用细分驱动等办法来解决。近代驱动