发布时间 : 星期二 文章高精度步进电机控制系统毕业设计更新完毕开始阅读
***大学毕业设计（论文）
0 前言
步进电机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。近十几年来，数字和电子计算机的迅速发展为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。目前，我国已较多地将步进电动机用于机械加工的数字程序控制机床中（即数控机床）；在绘图机、轧钢机的自动控制，自动记录仪表和数模变换等方面也得到很多应用。在现在工业，特别是航空、导弹、无线电等工业中，要求加工的机械零件复杂，数量多，精度高，利用人工操作不仅劳动强度打，生产效率低，而且难以达到所要求的精度。例如一个劈锥，形状比较复杂，精度要求也比较高，用普通机床或仿形机床加工都是有困难的；就算加工出来还要进行人工修整，这样耗费时间太长了，为了缩短生产周期，提高生产效率，可用单片机控制机床进行加工。控制系统是单片机控制步进电动机的核心，本论文就是对其控制系统进行的设计。
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高精度步进电机控制系统设计
1 绪论
1.1 步进电机概述
步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多；输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。步进电机种类，根据自身的结构不同，可分为常用三大类：反应式(VR，也称磁阻式)、永磁式(PM)、混合式(HB)。，其中混合式步进电机兼有反应式和永磁式的优点，它的应用越来越广泛。
1.2 步进电机的特征
步进电机具有自身的特点，归纳起来有[1][2]： 1 ) 位置及速度控制简便：
步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活的角度控制(位置控制)。因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可在相当宽范围内平滑调节。
2 ) 可以直接进行开环控制：
因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。
3 ) 高可靠性：
不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。 4 ) 具定位保持力矩：
永磁式、混合式步进电机在停止状态下(无脉冲信号输入时)，仍具有励磁保持力矩，故即使不靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。
5 ) 中低速时具备高转矩：
步进电机在中低速时具有较大的转矩，能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。 同时，步进电机也有自己的一些缺点：
1 ) 步进电机带惯性负载的能力较差。
2 ) 不能直接使用普通的交直流电驱动，而必须使用专用设备一步进电机驱动器。
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3 ) 输出转矩随转速的升高而下降。
4 ) 从应用的角度来看，严重制约步进电机的两个问题是失步和振荡。由于步进电机在大多数情况下采用开环运行的方式，它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电机本身。有多种情况会产生失步，比如起动或停止频率超过突跳频率，电机高速运行的脉冲频率超过了最大运行频率，所带负载转矩超过了起动转矩，共振等。通过改善驱动器的性能，可以减小运行中失步的可能。步进电机的低频振荡是另一个需要解决的问题。步进电机在极低频率下做连续步进运行，即每改变一次通电状态，转子转过一个步距角。如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程，转子是按自由振荡频率振荡几次才衰减到新的平衡位置而停止下来。每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一次能量的补充，这种能量越大，振荡越厉害。当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振荡频率时电机会出现严重的低频共振，甚至失步导致无法工作。一般不允许在共振频率下运行，从驱动器的方面来看，使用细分驱动技术可以有效的克服低频共振的危害。
1.3 步进电机驱动系统概述
步进电机的工作必须使用专用设备—步进电机驱动器。驱动器针对每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电(励磁)，以产生必要的转矩，驱动转子运动。步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的3大部分。步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器性能的优劣。当电机和负载己经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法。步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动等[3][4]。
1 ) 单电压驱动：主要特点是结构简单、成本低，通常在绕组回路中串接电阻，以改善电路的时间常数来提高电机的高频特性。缺点是串接电阻将产生大量的热，对驱动器的正常工作极其不利，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。
2 ) 高低压驱动：电机每相绕组导通时，首先施加高电压，使电流快速上升，当电流上升到额定值时，将高电压切断，回路电流以低电压电源维持。这种方式由于电流波形得到了很大改善，电机的矩频特性较好，起动和运行频率得到了较大提高。但由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响易使电流波形的顶部呈凹形，致使电机的输出转矩有所下降且需要双电源供电。
3 ) 斩波恒流驱动：为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，人
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们研制出斩波电路，采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而斩波恒流驱动应用相当广泛。
4 ) 调频调压驱动：特点是施加在电机绕组的电压随工作频率的变化作相应的改变，步进电机在低频时工作在低压状态，减少能量的注入，从而抑制振荡;在高频时工作在高压状态，使电机有足够的驱动力矩。因而系统效率、运行特性等都有了明显改善。
5 ) 细分驱动：它是将电机绕组中的电流细分，由常规的矩形波供电改为阶梯波供电。这样，绕组中的电流经过若干个阶梯上升到额定值，或以同样的方式从额定值下降。虽然细分驱动电路的结构比较复杂，但在不改变电机内部参数的情况下，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一，使步距角不再受电机结构和制造工艺的限制。由于绕组的电流变化幅度也大大减小，从而极大的改善步进电机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除振荡。近几年来，由于微处理机技术的发展，细分驱动技术在驱动器中获得了广泛应用。
1.4 国内外研究概况及发展趋势
目前在数控生产和经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域，有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服控制系统的。因此，如何改善电机的控制方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。目前，电机控制方法己经由传统的PID控制方法发展到性能更优良、结构更简单的数字式PID控制方法，并取得了较好的效果，在一定程度上提高了系统的定位精度。
工业发达的国家都在大力发展精密定位技术，利用它进行产品革新、扩大生产和提高良品率和国际经济竞争力。为了满足定位精度的要求，各国都在研究影响系统精度的因素，以及如何实现固有的精度指标。在精度定位研究方面水平最高的是美国，其LINL国家试验室、Moore、Vnion Carbide、Pneumo Precision等公司均在精度定位系统研究与开发方面做出了卓越成效的工作。美国国防部高等研究计划局(DARPA)投资1300万美元，由LINL试验室与1983年7月研制成功的LODATM大型超精密机床利用激光干涉测量系统，采用压电晶体误差补偿技术，使定位精度可以达到0.025um，是世界公认最高水平的机床。但是该机床不但重达1360kg，体积庞大，造价更是昂贵。日本近些年来花费巨大人力、物力，开发、研制精密机床，1987年日本通产省开始的“超尖端加工系统的研究开发”是大型研究规划提出的设想。
但是，由于精密和超精密加工的尖端部分代表着最新科学技术的发展，同时与航空、
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