步进电机开环控制系统设计毕业设计

哈尔滨理工大学毕业设计2013 年06月14 日步进电机开环控制系统设计摘要详细讨论步进电机的工作原理及其特性，论述了步进电机控制系统的设计方案及其控制原理，简单易学,可靠性高。

步进电机是一种常用的机电执行元件,可靠性高,成本低,实用性强,具有较高的通用性和应用推广价值。

步进电动机突出的优点是它可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可靠，因此在众多领域有着极其广泛的应用。

开环系统的优点是系统简单、成本低。

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。

步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。

关键词步进电机；开环控制；调速目录摘要 (I)第1章绪论..................................................................................................... - 3 -1.1 课题背景.............................................................................................. - 3 -1.2 步进电机工作原理.............................................................................. - 5 -1.3 系统设计的目标.................................................................................. - 5 -第2章步进电机的分类、基本结构............................................................. - 7 -2.1步进电机的分类.................................................................................. - 7 -2.2 步进电机的基本结构.......................................................................... - 7 -2.2.1电机固有步距角........................................................................... - 7 -2.2.2步进电机的相数........................................................................... - 8 -2.2.3保持转矩(HOLDING TORQUE)....................................................... - 8 -2.2.4钳制转矩(DETENT TORQUE)......................................................... - 8 -2.3 步进电机主要特点.............................................................................. - 8 -2.4 步进电机在工业控制领域的主要应用情况介绍.............................. - 9 -2.5本章小结.............................................................................................. - 9 -第3章步进电机开环系统硬件电路的设计............................................... - 10 -3.1 单片机的选择.................................................................................... - 10 -3.2 步进电机的选择................................................................................ - 11 -3.3 驱动电路的选择................................................................................ - 12 -3.4 反馈电路的选择................................................................................ - 14 -3.5 电源电路设计.................................................................................... - 15 -3.6 抗干扰设计........................................................................................ - 15 -3.7 看门狗电路........................................................................................ - 16 -3.8 本章小结............................................................................................ - 16 -结论.. (17)致谢 (18)参考文献 (19)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％。