发布时间 : 星期一 文章毕业论文 - - 基于Proteus的步进电机闭环控制仿真更新完毕开始阅读
1 绪论
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1.1 步进电机国内外研究现状
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。
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，使得产品规格品种繁多，生产格局复杂化，对用户选择不利。然而由于步进电动机和其它电机有着很大的差别，具有其它电机所没有的特性。因此，它仍然能根据市场的需求，沿着小型化、高效、低价的方向发展。
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西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）
步进电动机的使用性能与它的驱动电路有密切的关系，随着电力电子技术及微电子技术及其器件的发展，驱动器的面貌不断改变。最初使用的末级功放元件是可控硅。可控硅虽然触发简单，但关断困难，总的来说线路较复杂、易形成误触发、可靠性也差；且不便于调试和维护、抗干扰能力不好。但随着大功率晶体管的发展目前一般不再采用末级功放元件来驱动控制步进电动机。目前，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。
1.2 研究主要内容及其意义
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
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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。
在机电一体化中，步进电机是最常用的一种执行电机，它实现了机械中的角度、位移的数字化控制，从而使机械控制的精度大大提高。现代控制技术中普遍采用的方式为开环控制和闭环控制，开环控制结构简单成本低但其精度不是太高；闭环控制可以实现高精度的控制，但其结构复杂投入成本高。步进电机的出现解决了这一技术难题，它使得开环控制的精度和速度大大提高，由它组成的步进式伺服控制系统实现了数字化机械生产过程。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制[2]。
1.3 步进电机的单片机控制优点
控制系统对步进电机的控制通过步进电机驱动器来完成。因此它已经被广泛地用于自动控制系统中作为执行元件。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，实现起
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西安交通大学城市学院本科毕业生（论文）
来成本高、费时多，而且一旦定型后，电路就很难改动，因此不得不重新设计控制器。
单片机是一种微型计算机，它在一个集成芯片中，集成有微处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）、基本的I/O接口以及定时/计数部件，即在一个芯片上实现了一台微型计算机的基本功能[3]。
步进电机的控制部分以单片机为主的微处理器控制具有如下优点：1.灵活性和适应性。微处理器的控制方式是有软件完成时，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只需修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。2.可以实现较复杂的控制，控制精度高。微处理器具有很强的逻辑功能、运算速度快、精度高、有大量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制。3.可提供人机界面。在电机控制中要用到键盘和显示器作为人机界面来实现对步进电机的控制。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，指令功能强，运行速度快，可靠性高及灵活性好开发也较为容易，国内近些年来已将其广泛应用[4]。
在该设计中我选用了MSC-51作为步进电机的控制器, 用它来实现步进电机的空载时的一些控制功能。
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