步進(jìn)電機(jī)數(shù)字伺服系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1、.新型電機(jī)及控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)報告 學(xué)院：電氣工程學(xué)院 班級：研15電氣姓名：潘高超學(xué)號：151200172015年5月10日步進(jìn)電機(jī)數(shù)字伺服系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)一、步進(jìn)電機(jī)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀1、步進(jìn)電機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀步進(jìn)電機(jī)最早在1920年由英國人開發(fā)，1950年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，它的發(fā)展與計(jì)算機(jī)工業(yè)和數(shù)字控制技術(shù)密切相關(guān)。近年來，伴隨著微電子技術(shù)大功率電力電子器件及驅(qū)動技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)達(dá)國家已普遍使用性能優(yōu)越的混合式步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動技術(shù)采用恒相電流與細(xì)分驅(qū)動相結(jié)合，使步進(jìn)電機(jī)在中、小功率控制系統(tǒng)內(nèi)的精度提高，并逐步向高速大功率應(yīng)用領(lǐng)域滲透。步進(jìn)電動機(jī)最大的生產(chǎn)國是日本，如日本伺服公

2、司、東方公司、SANYO DENKI和 MINEBEA及NPM公司等，特別是日本東方公司，無論是電動機(jī)性能和外觀質(zhì)量還是生產(chǎn)手段，都是世界上最好的。 我國對步進(jìn)電動機(jī)的研究從1958年開始，1970年代以前受蘇聯(lián)的影響，以三相磁阻式步進(jìn)電動機(jī)為主，如1960年代末為快走絲數(shù)控線切割機(jī)床研制的BF1840-75，一直延續(xù)生產(chǎn)到現(xiàn)在。1970年代受到國內(nèi)研制生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床和其他數(shù)控設(shè)備的推動，并受到當(dāng)時日本數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的影響，開始發(fā)展磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的系列產(chǎn)品，以定子6個極、轉(zhuǎn)子40齒的三相磁阻式電動機(jī)為主， 還有定子10個極、轉(zhuǎn)子100齒的五相磁阻式電動機(jī)和四相電動機(jī)等。1980 年代開始發(fā)展混合

3、式步進(jìn)電動機(jī)， 以定子8極、轉(zhuǎn)子50齒的二相(四相)混合式步進(jìn)電動機(jī)為主1987年開始自行設(shè)計(jì)定子10極、轉(zhuǎn)子50齒的五相混合式步進(jìn)電動機(jī)，同時還發(fā)展了一些不同于國外的非典型產(chǎn)品， 如定子8極、轉(zhuǎn)子60齒的二相(四相)混合式步進(jìn)電動機(jī)，這是為了與磁阻式步進(jìn)電動機(jī)的步距角相一致。轉(zhuǎn)子200齒的五相混合式步進(jìn)電動機(jī)，轉(zhuǎn)子100齒的九相(三相)混合式步進(jìn)電動機(jī)，主要特點(diǎn)是具有高分辨率和可變步矩角。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國步進(jìn)電機(jī)形成一種品種規(guī)格繁多的局面，其中最主要的產(chǎn)品系列，一是1970年代形成的磁阻式步進(jìn)電動機(jī)系列產(chǎn)品，在低端應(yīng)用仍有較多的市場，繼續(xù)生產(chǎn)；二是混合式步進(jìn)電機(jī)的系列產(chǎn)品，包括引進(jìn)技術(shù)和

4、生產(chǎn)設(shè)備，按照國外的設(shè)計(jì)生產(chǎn)的二相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)，以及國內(nèi)自行開發(fā)生產(chǎn)的混合式步進(jìn)電動機(jī)，仍然擁有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，短期內(nèi)很難統(tǒng)一到幾個限定的規(guī)格品種上。步進(jìn)電機(jī)幾十年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到，磁阻式適用于平穩(wěn)運(yùn)行以及轉(zhuǎn)速大于1000 r/min 的用途；永磁式成本低，主要用在價格低廉的消費(fèi)性產(chǎn)品中；永磁感應(yīng)子式更適合于低速大轉(zhuǎn)矩用途。2、步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展方向步進(jìn)電機(jī)正向以下四個方向發(fā)展：（1）小型化方向發(fā)展。隨著電動機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動機(jī)也必須越來越小。（2）改圓形電動機(jī)為方形電動機(jī)。由于電動機(jī)采用方形結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計(jì)得比圓形大，因而其力矩

5、體積比將大為提高。（3）一體化設(shè)計(jì)。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器、減速齒輪等和電動機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。（4）向五相和三相電動機(jī)發(fā)展。目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動機(jī)，其旋轉(zhuǎn)磁場和電磁轉(zhuǎn)矩不完全對稱，振動和噪聲較大，而五相和三相電動機(jī)則是完全對稱的，因此更具有優(yōu)勢性。3、步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域步進(jìn)電動機(jī)多用于數(shù)控車床和機(jī)器人系統(tǒng)中。在現(xiàn)代工業(yè)，特別是航空、航天、電子等領(lǐng)域中，要求完成的工作量大，任務(wù)復(fù)雜，精度高，利用人工操作不僅勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，且難以達(dá)到所要求的精度，還有一些工作環(huán)境是對人體健康有害的或人類無法到達(dá)的，這就需要數(shù)控機(jī)床和機(jī)器

6、人來完成這些工作。另外，在計(jì)算機(jī)外設(shè)和辦公室自動化設(shè)備中也大量運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)，如磁盤驅(qū)動、打印機(jī)、繪圖儀和復(fù)印機(jī)等。二、步進(jìn)電機(jī)的工作原理與基本特性1、步進(jìn)電機(jī)的工作原理通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度，轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度前進(jìn)一步，它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，改變繞組通電的順序，電機(jī)就會反轉(zhuǎn)，所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。2、步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)特

7、性步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)有：（1）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。（2）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)。一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。（3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。（4）步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)

8、，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。步進(jìn)電機(jī)的主要特性有：（1）步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。（2）三相步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為7.5度，一圈360度

9、，需要48個脈沖完成。（3）步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。（4）改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。三、數(shù)字伺服系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一款具有較高的靈活性及精度，可靠性高、性價比高的步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。單片機(jī)輸出控制信號，經(jīng)過驅(qū)動電路完成步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)的控制。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)工作電壓及工作電流，系統(tǒng)通過AT89C51單片機(jī)引腳輸出響應(yīng)的控制信號，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、速度調(diào)節(jié)和換向等功能，改變控制字及其輸出脈沖頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向與調(diào)速。通過實(shí)時掃描鍵盤的輸入狀態(tài)及外部中斷方式將步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時顯示在LCD上

10、。圖1 總體框圖圖2 控制電路圖3 驅(qū)動電路該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包括控制電路，驅(qū)動電路，顯示電路和復(fù)位時鐘電路這四部分。如圖2所示為控制電路圖，通過K1、K2狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動和換向功能，當(dāng)K1、K2的狀態(tài)變化時，內(nèi)部程序檢測P1.0和P1.1的狀態(tài)來調(diào)用相應(yīng)的啟動和換向程序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動和正反轉(zhuǎn)控制。在此電路中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要是通過定時器的中斷來實(shí)現(xiàn)，該電路控制電機(jī)加速度主要是通過S2、S3的斷開和閉合，從而控制外部中斷由按鍵次數(shù)多少來改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)，這樣也就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，從而改變了電機(jī)轉(zhuǎn)速。如圖3所示為驅(qū)動電路圖，通過單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2

11、和P1.3輸出脈沖到ULN2803的1B-4B，經(jīng)信號放大后從1C-4C分別輸出到電機(jī)的A、B、C、D相。如圖4所示為顯示電路圖，采用兩個共陽數(shù)碼管作顯示，第一個數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g、h分別接到P0.0-P0.7，用于顯示電機(jī)正反轉(zhuǎn)；第二個數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g、h分別接到P2.0-P2.7，用于顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。如圖5所示為復(fù)位時鐘電路圖，采用了6路獨(dú)立式鍵盤，使用手動復(fù)位，通過接通一按鈕開關(guān)使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)；晶振電路采用30PF的電容和12M晶體振蕩器，為整個電路提供時鐘頻率。圖4 顯示電路圖5 復(fù)位時鐘電路四、步進(jìn)電機(jī)特性測試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)加深對步

12、進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源和電機(jī)工作情況的了解；2、掌握步進(jìn)電動機(jī)基本特性的測定方法。二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1、單步運(yùn)行狀態(tài)；2、角位移和脈沖數(shù)的關(guān)系；3、空載突跳頻率的測定；4、空載最高連續(xù)工作頻率的測定；5、轉(zhuǎn)子振蕩狀態(tài)的觀察；6、定子繞組中電流和頻率的關(guān)系；7、平均轉(zhuǎn)速和脈沖頻率的關(guān)系；三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備序 號型 號名 稱數(shù) 量備注1HK01電源控制屏1件2HK02實(shí)驗(yàn)桌1件3HK03渦流測功系統(tǒng)導(dǎo)軌1件4HK54步進(jìn)電機(jī)控制箱1件5HK54步進(jìn)電機(jī)（Zr=40）1件6彈性聯(lián)軸器、堵轉(zhuǎn)手柄及圓盤1套2、基本實(shí)驗(yàn)電路的外部接線圖1表示了基本實(shí)驗(yàn)電路的外部接線。步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺側(cè)圖1 步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)接線圖3

13、、實(shí)驗(yàn)操作步驟(1) 單步運(yùn)行狀態(tài)A接通電源，將步進(jìn)電機(jī)分別設(shè)置為單三拍、單雙六拍、雙三拍控制方式下，控制系統(tǒng)設(shè)置于單步運(yùn)行狀態(tài)或復(fù)位后，按執(zhí)行鍵，步進(jìn)電機(jī)走一步距角，繞組相應(yīng)的發(fā)光管發(fā)亮，再不斷按執(zhí)行鍵，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子也不斷作步進(jìn)運(yùn)動。觀察并記錄電機(jī)步距角于表1中，并利用公式計(jì)算電機(jī)步距角與實(shí)際值是否一致。表1 控制方式實(shí)際步距角理論步距角指示燈指示相序指針偏轉(zhuǎn)方向單三拍3.2度3度A-B-C-A順時針單雙六拍1.3度1.5度A-AB-B-BC-C-CA-A順時針雙三拍2.9度3度AB-BC-CA-AB順時針B通過面板設(shè)置改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，電機(jī)作反向步進(jìn)運(yùn)動，觀測指示燈指示相序及指針偏轉(zhuǎn)方向變化。

14、(2) 角位移和脈沖數(shù)的關(guān)系控制系統(tǒng)接通電源，將電機(jī)設(shè)為單三拍控制方式，設(shè)置好預(yù)置步數(shù)，按執(zhí)行鍵，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，觀察并記錄電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度，再重設(shè)置預(yù)置步數(shù)，重復(fù)觀察并記錄電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度于表2中，并利用公式計(jì)算電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度與實(shí)際值是否一致。表2 序 號預(yù)置步數(shù)實(shí)際電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度理論電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度13089.3度90度2120360度360度(3) 空載突跳頻率的測定控制系統(tǒng)置連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，按執(zhí)行鍵，電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)后，調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)旋鈕使頻率提高至某頻率（自動指示當(dāng)前頻率）。按設(shè)置鍵讓步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，再重新啟動電機(jī)（按執(zhí)行鍵），觀察電機(jī)能否運(yùn)行正常，如正常，則繼續(xù)提高頻率，直至電機(jī)不失步啟動的最高頻率，則該頻率為步

15、進(jìn)電機(jī)的空載突跳頻率。記為 86 Hz。(4) 空載最高連續(xù)工作頻率的測定接通電源，步進(jìn)電機(jī)設(shè)為單三拍控制方式下，空載連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)后緩慢調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)旋鈕使頻率提高，仔細(xì)觀察電機(jī)是否不失步，如不失步，則再緩慢提高頻率，直至電機(jī)能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最高頻率，則該頻率為步進(jìn)電機(jī)空載最高連續(xù)工作頻率。記為 390 Hz。(5) 轉(zhuǎn)子振蕩狀態(tài)的觀察 步進(jìn)電機(jī)空載連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)后，調(diào)節(jié)并降低脈沖頻率，直至步進(jìn)電機(jī)聲音異?；虺霈F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子來回偏擺即為步進(jìn)電機(jī)的振蕩狀態(tài)。(6) 定子繞組中電流和頻率的關(guān)系在步進(jìn)電機(jī)電源的輸出端串接一只直流電流表（注意+、-端）使步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，由低到高逐漸改變步進(jìn)電機(jī)的頻率，讀取并記錄56組電

16、流表的平均值、頻率值于表3中，觀察示波器波形，并作好記錄。表3序 號12345678f（Hz）406090120180240300360I（A）2.923.063.283.453.794.064.164.25(7) 平均轉(zhuǎn)速和脈沖頻率的關(guān)系接通電源，將電機(jī)分別設(shè)為單三拍、單雙六拍連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下。改變速度調(diào)節(jié)旋鈕，測量頻率f與對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n，與理論值相比較，記錄數(shù)據(jù)于表4、5中，并繪制曲線n=f（f）。表4 單三拍序 號12345678f（Hz）406090120180240300360n（r/min）實(shí)測20.330.645.859.490.8119.4148.5180.2n（r/min）理論

17、2030456090120150180表5 單雙六拍序 號12345678f（Hz）406090120180240300360n（r/min）實(shí)測10.315.322.330.245.259.874.690.4n（r/min）理論101522.53045607590附：使用說明 HK54步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置由步進(jìn)電機(jī)智能控制箱和電機(jī)兩部分構(gòu)成。 1、步進(jìn)電機(jī)智能控制箱 本控制箱用以控制步進(jìn)電機(jī)的各種運(yùn)行方式，它的控制功能是由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。通過鍵盤的操作和不同的顯示方式來確定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀況。 本控制箱可適用于三相、四相、五相步進(jìn)電動機(jī)各種運(yùn)行方式的控制。 因?qū)嶒?yàn)裝置僅提供三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，

18、故控制箱只提供三相步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源，面板上也只裝有三相步進(jìn)電動機(jī)的繞組接口。 （1）技術(shù)指標(biāo) 功 能：能實(shí)現(xiàn)單步運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)行和預(yù)置數(shù)運(yùn)行；能實(shí)現(xiàn)單拍、雙拍及電機(jī)的可逆運(yùn)行。 電脈沖頻率：5Hz1KHz 工作條件：供電電源 AC220V±10%，50Hz環(huán)境溫度 -540相對濕度80% 重 量：6kg 尺 寸：390×200×230mm3 （2）使用說明 1) 開啟電源開關(guān)，面板上的三位數(shù)字頻率計(jì)將顯示“000”；由六位LED數(shù)碼管組成的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示器自動進(jìn)入“9999888877776666555544443333222211110000”動態(tài)自檢過

19、程，而后停止在系統(tǒng)的初態(tài)“.3”。 2) 控制鍵盤功能說明 設(shè)置鍵：手動單步運(yùn)行方式和連續(xù)運(yùn)行各方式的選擇。 拍數(shù)鍵：單三拍、雙三拍、三相六拍等運(yùn)行方式的選擇。 相數(shù)鍵：電機(jī)相數(shù)(三相、四相、五相)的選擇。 轉(zhuǎn)向鍵：電機(jī)正、反轉(zhuǎn)選擇。 數(shù)位鍵：預(yù)置步數(shù)的數(shù)據(jù)位設(shè)置。 數(shù)據(jù)鍵：預(yù)置步數(shù)位的數(shù)據(jù)設(shè)置。 執(zhí)行鍵：執(zhí)行當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。 復(fù)位鍵：由于意外原因?qū)е孪到y(tǒng)死機(jī)時可按此鍵，經(jīng)動態(tài)自檢過程后返回系統(tǒng)初態(tài)。 (3)控制系統(tǒng)試運(yùn)行 暫不接步進(jìn)電機(jī)繞組，開啟電源進(jìn)入系統(tǒng)初態(tài)后，即可進(jìn)入試運(yùn)行操作。 1)單步操作運(yùn)行：每按一次“執(zhí)行鍵”，完成一拍的運(yùn)行，若連續(xù)按執(zhí)行鍵，狀態(tài)顯示器的末位將依次循環(huán)顯示“BCAB”；由五只LED發(fā)光二極管組成的繞組通電狀態(tài)指示器的B、C、A將依次循環(huán)點(diǎn)亮，以示電脈沖的分配規(guī)律。 2)連續(xù)運(yùn)行：按設(shè)置鍵，狀態(tài)顯示器顯示“3000”,稱此狀態(tài)為連續(xù)運(yùn)行的初態(tài).此時,可分別操作“拍數(shù)”、“轉(zhuǎn)向”和“相數(shù)”三個鍵，以確定步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前所需的運(yùn)行方式。最后按“執(zhí)行”鍵，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。三個鍵的具體操作如下（注：在狀態(tài)顯示器顯示“3000”狀態(tài)下操作）： a、按“拍數(shù)”鍵：狀態(tài)顯示器首位數(shù)碼管顯示在“”、“ ”、“ ”之間切換，分別