基于LabVIEWFPGA的步进电机控制系统设计.doc

毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 专业 班级 测控 姓名 下发日期 题目题目基于基于 LabVIEWLabVIEW 的步进电机控制系统设计的步进电机控制系统设计 专题专题 主主 要要 内内 容容 及及 要要 求求 查阅国内外相关的文献资料，完成不少于 5000 字的英译汉的翻译 研究步进电机工作原理、控制原理，进行方案设计 控制系统硬件设计 熟悉 LabVIEW 编程语言，完成软件设计 完成毕业设计说明书的撰写，包括图表，不少于 20000 字 主要技主要技 术参数术参数 进进 度度 及及 完完 成成 日日 期期 03 月 07 日-03 月 21 日 查阅相关文献，写出综述材料。英文文献翻译 03 月 22 日-03 月 28 日 设计方案初步分析、比较，确定总体设计方案 03 月 29 日-04 月 18 日 完成相关硬件设计 04 月 19 日-06 月 08 日 熟悉编程方法，完成软件设计 06 月 09 日-06 月 15 日 文件资料整理，说明书撰写，上交论文 教学院长签字日 期教研室主任签字日 期指导教师签字日 期 指 导 教 师 评 语 指导教师: 年 月 日 指 定 论 文 评 阅 人 评 语 评阅人: 年 月 日 答 辩 委 员 会 评 语 指导教师给定 成绩(30%) 评阅人给定 成绩(30%) 答辩成绩 （40%） 总 评 答辩委员会主席 签字 评 定 成 绩 摘要摘要 步进电机作为执行机构，是机电一体化的关键产品之一。步进电机突出的优点是 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，并且由其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可靠，广泛地应用在各种计算机 控制的自动系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求和应用量与日 俱增。 本文研究了步进电机的工作原理，对步进电机控制系统进行了整体方案的设计、 硬件的选择及接线；在学习了LabVIEW的基础上，研究了LabVIEW FPGA模块的编程 和应用；对PXI-7833R板卡进行了全面的学习，研究了如何使用LabVIEW对FPGA板卡 进行编程；通过LabVIEW完成产生频率可调的脉冲信号和布尔信号的程序，经编译后下 载到PXI-7833R板卡，以实现步进电机控制脉冲及方向信号的生成；完成了步进电机控 制系统的软件设计，包括前面板设计、连续运转和指定角度运转程序以及步进电机启 动和停止过程的加减速程序。 最后，完成了程序的调试，验证该步进电机控制系统设计的可行性。 本文将虚拟仪器与 FPGA 技术应用于步进电机的速度控制和转动方向控制，对拓 宽步进电机的应用领域具有积极的意义。 关键词关键词：步进电机控制；LabVIEW；FPGA ；脉冲发生 Abstract As executive components,stepping motor is one of the key products of mechatronics,widely used in all kinds of automatic control system. Stepping motors prominent advantage is that it can realize speed change, fast start and stop, positive and negative control and so on in wide frequency range, by changing the pulse frequency, and the open loop system made up by which is very simple, cheap, and reliableWith the development of microelectronics and computer technology,the demand and apply for step motor is steadily on the increase., so it has extremely extensive application in many fields. This article Studing the work principle of stepping motor, designing the whole project of the step motor control system, the choice of hardware and wiring; based on the study of LabVIEW, studing the programming and application of LabVIEW FPGA module, and designing by using the FPGA module; studing the PXI-7833R target comprehensively and how to programe on the FPGA target through LabVIEW; completing the program of generating the frequency adjustable pulse signal and Boolean signal Through the LabVIEW, downloading to PXI-7833R after compiling so as to realize the stepping motor control pulse and direction signal generation; Completing the software design of the stepping motor control system, including the front panel design, program of continuous operation, operating at designated angle and the stepping motor s acceleration and deceleration during start and stop. At last,completing debug to validate that the design of stepping motor control system is feasible. This study is good for virtual instrument to be used in the step motor speed control and rotation direction control mode, broadening the application field of stepping motor. Key words：stepping motor control；LabVIEW；FPGA；impulse generation. 目录目录 摘要摘要.I Abstract II 目录目录III 第第 1 章章 绪论绪论 1 1.1 课题研究的意义及现状.1 1.2 论文主要研究内容.3 第第 2 章章 步进电机控制系统总体方案设计步进电机控制系统总体方案设计 4 2.1 步进电机控制系统的方案选择4 2.2 步进电机控制系统的开发软件选择.6 第第 3 章章 步进电机控制系统硬件的设计步进电机控制系统硬件的设计 9 3.1 概述.9 3.2 硬件的选择.9 3.3 硬件连线.23 第第 4 章章 步进电机控制系统软件的设计步进电机控制系统软件的设计 24 4.1 软件编程环境的建立.24 4.2 “连续运行”VI 的编程 25 4.3 “指定角度运行”VI 的编程 26 4.4 主程序的编程.27 4.5 前面板的设计.32 第第 5 章章 实验实验 34 5.1 接线.34 5.2 软件调试.36 5.3 调试过程的总结.37 结论结论 38 参考文献参考文献 39 致谢致谢 41 附件附件 1 .42 附件附件 2 .51 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题研究的意义及现状课题研究的意义及现状 近年来硬盘制造业高速发展，大容量、小体积、高读取速度的硬盘，是硬盘市场 的发展趋势。这些体积小、结构复杂的硬盘对加工工艺提出了很高的要求。而加工中 主要是采用步进电机作为伺服控制系统的。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或 线位移的执行元件。它是由电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转化成相应的角位 移或线位移的控制电机。它可以看作是一种特殊运行方式的同步电动机。每输入一个 脉冲，步进电机就移动一步，所以称为步进电动机。 步进电机以其独特的特点可以在无速度传感器和无位置传感器系统中实现精确的 开环状态定位或同步运行。我们通过电脑调节发送给步进电机的步进脉冲个数来实现 精确的位移或者角度定位，而调节发送的步进脉冲就可以实现速度调节，因而在众多 领域得到了广泛的应用。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广 泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求 量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机经环 形分配器、功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间 中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转 磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转 同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。 步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进 电机可以和现代的数字控制技术相结合。步进电机在控制精度、速度变化范围、低速 性能方面比传统的闭环控制直流伺服电动机有较好的性能。步进电机的控制精度随着 发展在不断提高，而且在很多场合可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中， 由于步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，被认为是理 想的数控机床执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中 和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机 已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作 数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个 工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机 同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机 械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在 工业器材，工业生产装备，复印件，速印机，银行自动柜员机和绘图仪中。 传统的步进电机控制系统用PLC或单片机来控制步进电机,电路较复杂,硬件连接 后不易调整、灵活性差,不能实时地满足用户对控制系统的要求，而且编程也比较难， 非专业技术人员不易掌握。因此，传统的步进电机系统具有很大的局限性。本文采用 LabVIEW软件对步进电机进行控制。 LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、 学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。 LabVIEW 是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发。开发环境 类似于 C 语言的开发环境。使用这种语言编程时，基本上不用写程序代码，取而代之 的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标 和概念，有一个完成任何编程任务的通用的庞大函数库。LabVIEW 的函数库包括数据 采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW 也有传统 的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子 VI）的结果、单 步执行等等，便于程序的调试。 因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。用户可以基于对LabVIEW软件比较 熟悉的前提下根据自己的需要设计相应的程序以实现相应的功能，以达到设计自己需 要的仪器的目的，本系统方案拟用LabVIEW软件对步进电机进行正反转及转速的控制， 并且将数据实时显示，以取得良好的控制效果。以此了解虚拟仪器的开发过程，为以 后虚拟仪器的设计打下一定的基础。 但是，单纯的使用 LabVIEW 和采集卡，会造成 PC 的 CPU 利用率降低，因为若 用 CPU 进行计时或计数，CPU 就不能在同时去处理其他命令，这就必然导致其利用率 的下降。并且，软件定时功能的稳定性远不如硬件，因为软件定时通常是根据 CPU 本 身的主频来实现的，而每条指令需要的时间并不严格相等。所以，本文采用拟采用硬 件来替代传统的采集卡，将脉冲发生这一个对计时要求较高的功能在硬件中实现，可 达到更高的精度，并且可以大大节约 CPU 的利用率。 1.2 论文主要研究内容论文主要研究内容 本论文首先对步进电机的工作原理进行深入分析，从而得出对其控制所需的各个 输入信号及参数即脉冲信号和布尔量。使用 LabVIEW 来控制 FPGA 板卡，使其发生所 需的正反转布尔量和控制转速的脉冲信号，经过硬件连接，即可实现对步进电机的控 制。再对程序进一步完善，增加一些特定功能，如：使步进电机转动指定角度，步进 电机启动和停止时的加减速控制等。然后设计亲合性强的前面板，实现对程序的灵活 控制。最后，经过调试，对程序不合理的地方进行修正，完成最终的设计。 第第 2 章章 步进电机控制系统总体方案设计步进电机控制系统总体方案设计 2.1 步进电机步进电机控制系统的方案选择控制系统的方案选择 步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量与脉冲数成正比，每给一个 脉冲，步进电机就转动一个角度，改变脉冲输入频率，相应在单位时间内电机转动的 角度就发生改变，从而实现了对电机速度的控制；改变通电顺序，即改变定子磁场旋 转的方向，就可以达到控制步进电机正反转的目的；对脉冲信号进行脉冲计数，对计 数值进行控制，可实现步进电机的指定角度转动。 步进电机必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用，能够 快速起动、停止以及频繁的定位动作，精度比较高且不积累误差，能在较高的温度环 境下正常工作，也能在低速时正常运转。和其它的电机相比具有比较明显的优势。但 主要的不足是效率较低，而且不易控制。传统的步进电机控制系统的实现方案主要有 以下几种： 基于电子电路控制：步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、 放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此 必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成 步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分 任务这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动 电路。此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设 计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调 速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处 理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正 确，电机不可能轻易失步。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率 和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须重新设计，因此灵活性不 高。 基于单片机控制：采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控 制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机 接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的 外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功 能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制， 显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用 软件编程的办法实现脉冲的分配因。 本方案有以下优点：单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确 控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；用软件代替环形分配器，通过对单片 机的，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活 性和通用性困；单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机 的组合，大大提高系统的交互性。 基于PLC的控制：PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作 为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易 学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有 PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC 编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同 时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。 环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC 控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形 分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予 以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目 前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大 达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。 采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度 脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫 描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工 作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下实现精确工作，无法实现 高速控制。并且，在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低 了。 步进电机的工业PC控制：用虚拟仪器来产生脉冲信号，通过DAQ板卡将脉冲 信号输送至驱动器，经过分频处理，分别连接至步进电机的各个输入端，以实现步进 电机的控制。 对比以上各种方案，传统的步进电机控制系统用 PLC 或单片机来控制步进电机， 不仅电路复杂，硬件连接后不易调整、灵活性差，不能实时地满足用户对控制系统的 要求。而且编程也比较难，非专业技术人员不易掌握。因此，传统的步进电机系统具 有很大的局限性，已经不能满足时代发展的需求。所以我们设计了一个新型步进电机 控制系统，该系统通过工业 PC 控制，输出一个脉冲信号和一个控制转动方向的脉冲信 号，再经驱动器给步进电机供电，达到控制步进电机的目的。设计出步进电机控制系 统整体结构如图 2-1。 总线 方向控制信号两相接线 图 2-1 步进电机驱动整体结构 2.2 步进电机控制系统的开发软件选择步进电机控制系统的开发软件选择 要通过工业PC的控制来产生脉冲信号和布尔信号，可使用的软件主要有以下几种： 1.Microsoft Visual C+ VC+是微软公司开发的一个IDE(集成开发环境)，换句话说，就是使用C+的一个 开发平台。VC+需要在PC上运行。通过C语言的编程，将设计好的程序下载至一个单 片机，按照设计目的，控制单片机的引脚高低电平的变化，则可产生需要的脉冲信号 和布尔量。 2.MASM MASM是微软公司开发的汇编开发环境，拥有可视化的开发界面。其使用与VC+ 类似，只是使用的不是C语言，而是汇编语言。 3.LabVIEW（虚拟仪器） LabVIEW是美国NI 公司推出的一种通用虚拟仪器开发软件，它集成了满足 GPIB、VXI、PCI、RS-232 和RS-485 等协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，它 包含了丰富的功能函数库，是一种图形化的功能强大且灵活的软件。它使用图形化编 程语言G 在流程图中创建源程序，这种编程方式强调信号处理的实际过程，编程简单， 驱动器 计算机 接 口 步进电机 脉冲信号 调试方便。LabVIEW 软件设计的程序包括前面板和框图程序两部分，前面板为仪器的 界面，而框图程序则实现了仪器的内部设计，是程序的真正“内核”。 LabVIEW实际 上是一个基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境，是第一个借助于虚拟软面板 用户界面和方框图建立虚拟仪器的图形程序设计系统，也是目前国际上唯一的编译型 图形化编程语言。发展和应用前景非常广泛。 对比以上各个软件，本次设计决定选用LabVIEW软件。由于传统仪器的面板只有 一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致许多识别与操作错误。而虚 拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样， 在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简捷化，从而提高操作的 正确性与便捷性。同时，面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准件” 和“加工工艺”的限制，它们是由编程实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操 作要求设计仪器面板。在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成 仪器的功能。仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好 的。仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。研制 周期较传统仪器大为缩短。虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其 他周边设备互联。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚 拟仪器的关键是软件”。 虚拟仪器的硬件是计算机和为其配置的必要的电子仪器硬件模块。硬件主体是计 算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用计算机。为计算机配置的电子仪器硬件 模块是各种传感器、信号调理器、模拟/数字转换器、数字/模拟转换器、数据采集卡 (DAQ)等。当给定计算机的计算能力和必需的仪器硬件后，构造和使用虚拟仪器的关 键就是应用不同的软件实现不同的功能。虚拟仪器技术的应用软件主要有以下三个目 的:集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口和虚拟仪器的用户界面。虚拟仪器技术的 应用软件由用户编制，可以采用各种编程软件，在这里提高计算机软件编程效率也就 成了一个非常现实的问题。根据微软及其他计算机软件工程专家的观点，在当今这个 信息时代，提高软件编积效率的关键是采用面向对象的编程方式。可视化编程语言环 境VisualC+，VisualBasic的推出，为简化计算机编程迈出了可喜的一步。但对一个普 通的计算机用户(而非编程专家)来说，这一步还是远远不够的。软件的可重用性在虚拟 仪器的设计中起着重要的作用。近年来，基于PC机和工作站基础上的图形接口标准和 计算机能力的提高，促进了图形开发软件包和图形开发环境的迅速普及，图形开发方 式为每一个虚拟仪器提供了可重用的代码模块，并允许用户从其它代码模块中分级调 用。这些重用部分是一些封装良好的、原子型的程序代码，理想情况下，重用部分包 括函数库、过程程序包、宏、类库等，它们通过各自的接口被组装在一起，每一部分 完成特定的功能。在虚拟仪器的图形软件开发平台研究方面，最有代表性的是NI公司 的LabVIEW虚拟仪器软件开发平台。 LabVIEW 作为开发环境有以下特点： 1图形化编程降低了对使用者的编程经验的要求，易于工程师使用。 2. 采用面向对象的方法和概念，便于软件的开发和再利用。 3. 图元、框图及其构成的虚拟仪器在Windows,WindowsNT,UNIX等平台之间兼容， 便于软件的移植。 4支持串行接口、GPIB、VXl等标准总线及各种数据采集卡。 5具有丰富的库函数，便于提高开发速度。 6. 能与各种现有的仪器驱动器配合以满足用户需要。 7. 具有较完整的代码接口，可调用Windows动态链接库(DLL)中的函数，以弥补白 身的不足。 所以我们采用虚拟仪器来作步进电机控制系统的开发软件。 第第 3 章章 步进电机控制系统硬件的设计步进电机控制系统硬件的设计 3.1 概述概述 所谓微机控制步进电机是指由微机控制步进电机驱动器的脉冲电路，产生与转速 相对应的步进脉冲，并按正确的时序分配给步进电机的各相绕组，使步进电机按正确 的方向转到正确的位置。利用CPU实现对步进电机的控制，其实现途径有两种，一种 是利用CPU直接产生步进脉冲；另一种方法是用其他的辅助电路或专用控制芯片产生步 进脉冲，由CPU给出步进电机所需的启动信号。 本设计采用板卡直接产生步进脉冲的方法。步进脉冲的产生与分配由PC直接控制。 在步进电机的控制中，关键的是步进电机速度的控制。速度的控制主要是通过改变输 出时钟脉冲的时间间隔，升速时，输出密集的脉冲，要减速时，则输出较稀疏的脉冲 即可。为避免失步或过冲，要以较低的速度启动，逐渐加速到某一速度运行，再逐渐 降速至停止。 3.2 硬件的选择硬件的选择 3.2.1 步进电机步进电机 图 3-1 步进电机解剖图 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。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不 能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。 给步进电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，而且它的旋转是以固定的 角度一步一步运行的，所以，可以通过控制脉冲总数来达到准确定位的目的。单位时 间内加的脉冲数越多，步进电机旋转的角度也就越大。因此，在非超载的情况下，电 机的转速、停止的位置仅取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。 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优点。使得在 速度、位置等控制领域步进电机运用的非常广泛而且控制起来也相对简单。 步进电机是一种感应电机，它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制 系统才可以使用。它的工作原理是利用电子电路，用环形分配器将直流电变成分时供 电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱 动器就是为步进电机分时供电的、多相时序控制器。 步进电机同时也叫步进器，它是利用电磁学原理将电能转换为机械能。即麦克斯 韦原理，电流在磁场中会受到力的作用，符合左手定则。步进电机在很多领域都得到 了广泛的运用，基本上只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机 都能派上用场。 步进电机分为永磁式、反应式和混合式。 永磁式（PM）。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度或 15 度。 反应式（VR）。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰。 混合式（HB）。混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和 五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最 为广泛。 步进电机的静态指标主要有相数、步距角 、定位转矩、保持转矩等。 相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。 电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相 数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没 有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 步距角表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给 出了一个步距角的值，如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9/1.8表示半步工作时 为 0.9、整步工作时为 1.8），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不 一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 定位转矩指的是电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的 谐波以及机械误差造成的）。 保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机 最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输 出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就 成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2N m 的步进电机，在没 有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N m 的步进电机。 步进电机的动态指标有步距角精度、失步、失调角、最大空载起动频率、最大空 载运行频率、运行矩频特性等。 步距角精度是指步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比 表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍 运行时应在 15%以内。 失步是指电机运转时运转的步数不等于理论上的步数。称之为失步。 失调角是指转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调 角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 最大空载起动频率是指电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的 情况下，能够直接起动的最大频率。 最大空载运行频率是指电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载 的最高转速频率。 运行矩频特性是指电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率的关系，这 是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。力矩与频率关系如图 3- 2。 图 3-2 力矩与频率关系曲线 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于 电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电 机的频率特性越硬，如图 3-3 所示。 图 3-3 力矩与频率关系曲线 其中，曲线 3 电流最大、或电压最高；曲线 1 电流最小、或电压最低，曲线与 负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，或采用小 电感大电流的电机。 电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，步进电机的共振区一般在 50 转/分 至 80 转/分之间或在 180 转/分左右，电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻， 电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个 系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。因此，在使用步进电机时应避开 此共振区。 力矩 负载 频率 步进电机是由一组缠绕在电机固定部件定子齿槽上的线圈驱动的。一般情况 下，一根表面涂有绝缘漆的金属丝绕成圆筒状叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的 金属丝则通常叫做线圈、或相。如果线圈中电流的流向如图 3-4 所示，那么我们从电 机顶部向下看齿槽的顶部，则电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和 右手准则，这样的电流会产生一个北极向上的磁场。 如果我们再构造一个定子上缠绕有两个绕组的电机，内置一个能够绕中心任意转 动的永久磁铁，这个可旋转部分叫做转子。图 3-4 给出了一种简单的电机，这种电机 叫做双相双极电机，因为其定子上有两个绕组，而且其转子有两个磁极。如果我们按 图 3-4 所示方向给绕组 1 输送电流，而绕组 2 中没有电流流过，那么在磁场的作用下， 电机转子的南极就会自然地按图 3-4 所示，指向定子磁场的北极，这样就实现了电机 转动控制的一个状态。 图 3-4 双相双极电机 这时我们切断绕组 1 中的电流，给线圈 2 上电，方向如图 3-4B 所示，同样通过前 面的分析方法根据安培定律和右手准则，线圈会产生一个北极向左，南极向右的磁场， 这样在磁场的作用下，电机转子就会旋转 90 度至如图 3-4B 所示的位置。 接着，我们再将绕组 2 的电流切断，按照图 3-4C 的方向给绕组 1 输送电流，注意： 这时绕组 1 中的电流流向与图 A 所示方向相反。根据安培定律和右手准则，于是定子 会产生一个北极向下的磁场，从而导致转子再旋转 90 度至图 3-4C 的位置。 然后我们又切断绕组 1 中的电流，按照图 3-4D 所示方向给绕组 2 输送电流，同样， 这时绕组 2 中的电流流向与图 3-4B 所示方向相反，同理定子北极就会指向右侧，从而 使得转子旋转。 最后，我们再一次切断绕组 2 中的电流，并给绕组 1 输送如图 3-4 所示的电流， 这样，转子又会回到原来的位置。 这样，我们就对电机绕组完成了一个周期的电激励，电机转子旋转了一整圈。也 就是说，只要我们按照这样的顺序不停地给电机上电，电机就会不停地向这样转动。 图 3-5 是四相反应式步进电机控制系统示意图。该步进电机为一四相步进电机， 采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步 进电机步进转动。两相步进电机的工作原理与此类似。 图 3-5 四相步进电机控制示意图 开始时，开关 SB接通电源，SA、SC、SD断开，根据前面的安培定则和右手定则， B 相磁极和转子 0、3 号齿对齐，同时由于定子一个圆周内均匀地分布八个齿，而转子 一个圆周内均匀地分布六个齿，所以转子的 1、4 号齿就和 C、D 相 绕组磁极产生错 齿，2、5 号齿就和 D、A 相绕组磁极产生错齿。 当开关 SC 接通电源，SB、SA、SD断开时，由于 C 相绕组的磁力线和 1、4 号齿之 间磁力线的作用，使转子转动，1、4 号齿就和 C 相绕组的磁极对齐。同理 0、3 号齿 和 A、B 相绕组产生错齿，2、5 号齿就和 A、D 相绕组磁极产生错齿。依次类推， A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子就会沿着逆时针方向转动。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。 单四拍与双四拍的步距角相等，但由于矢量叠加原理，单四拍的转动力矩比双四拍的 转动力矩要小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方 式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 表 3-1 电机通电顺序 通电顺序 单四拍ABCD 双四拍DAABBCCD 八拍DAAABBBCCCDD 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 3-6 所示。 图 3-6 步进电机工作时序波形图 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或消除步 进电机的低频振动， 同时也可以提高电机的运转精度。 通常情况下，步距角的大小 只有两种，整步和半步，可达到的细分数很有限。因此，在运行步进电机运行过程中 需要细分。步进电动机的细分驱动从本质上讲，就是通过控制步进电动机各相绕组中 的电流，使其按一定的规律阶梯上升或下降，从而获得从零到最大相电流之间的多个 稳定的中间电流状态，从而减弱电流变化的强度，相应地，内部的磁场矢量也就存在 多个中间状态，这样各相的合成磁场也将有多个稳定的中间状态，并且转矩的大小也 由合成磁场矢量的幅值决定，相邻两条合成磁场矢量的夹角可以影响微步距的大小。 转子沿着这些中间状态以微步距转动，电流分了多少个台阶，则转子就可以以同样的 次数转过一个步距角，实现了步进电机步距角的细分。这种将原先的一个步距角细分 成若干步的驱动方法，称为细分驱动。 步进电机的正反转控制显得比较简单，只需将步进电机的通电顺序颠倒即可。由 前面介绍的步进电机的工作原理可知，现以三相六拍的电机的工作方式为例，若按照 AABBBCCCAA的通电顺序给A、B、C三相提供输入脉冲，步进电机就 沿逆时针方向旋转，每步转过的角度是15度。如果想实现步进电机的反向旋转，只 需要按照ACACBCBABA顺序通电即可，这时电机顺时针旋转，从而实 现了对电机的正反转控制。 步进电机因其无需反馈就能对位置和速度进行控制而在工业自动化设备中的应用 极为广泛，对于速度变化较大的，尤其是加减速频繁的设备，常常发生力矩不足或者 失步的现象，而实际上许多案例中步进电机的选型并没有问题，其问题在于负载位置 对控制电路没有反馈，步进电机就必须正确响应每次励磁变化，如果励磁频率选择不 当，电机不能够移到新的位置，那么实际的负载位置相对控制器所期待的位置出现永 久误差，即发生失步现象或过冲现象。因此在速度变化较大的步进电机控制系统中， 防止失步和过冲是开环控制系统能否正常运行的关键。 失步和过冲现象分别出现在步进电机启动和停止的时候。一般情况下，系统的极 限启动频率比较低，而要求的运行速度往往比较高。如果系统以要求的运行速度直接 启动，因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动，轻则可能发生丢步，重则根 本不能启动，产生堵转。系统运行起来以后，如果达到终点时立即停止发送脉冲串， 令其立即停止，则由于系统惯性作用，电机转子会转过平衡位置，如果负载的惯性很 大，会使步进电机转子转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置，并在该位置停下。 为了克服失步和过冲现象，应在步进电机启停时进行如图 3-7 所示的加减速控制。 图 3-7 步进电机的加减速运动曲线 从图 3-7 可以看出，L2 段为恒速运行，L1 段为升频，L3 段为降频，按照“失步” 的定义， 如果在 L1 及 L3 段上升及下降的控制频率变化大于步进电机的响应频率变 化，步进电机就会失步，失步会导致步进电机停转，经常会影响系统的正常工作，因 此，在步进电机变速运行中，必须进行正确的加减速控制。 根据设计要求，选择电机型号为 42BYGH250C，其参数如下： 步 距 角1.8 步 距 角 精 度 5% 轴 向 间 隙 0.10.3mm 径 向 跳 动 0.02mmMax 绝 缘 电 阻 100M Min.50V DC 绝 缘 强 度 500V AC 1minute 环 境 温 度 20+50 温 升 75K Max 绝 缘 等 级 B 3.2.2 驱动器驱动器 通过查阅有关资料，初步了解到，要实现对步进电机的控制，还需要一个专用的 驱动器，给驱动器输入一个脉冲信号，驱动器经过分频，将得到的脉冲按一定顺序分 别给步进电机的各个引线供电。根据所选定的步进电机的各项参数，选定与之相匹配 的驱动器 DL-2H090MH。 DL-2H090HM步进电机驱动器是常州苏杰机电有限公司DL系列中的新产品，用于驱 动两相或者四相混合式步进电机。体积更小、性能更加稳定。低频特性有很大提高。 参数说明： 电流调定值：0.7A，1.4A，2.1A，2.8A，3.2A，3.5A，4.9A 每转步数：400 （步距角0.9度） 800 （步距角0.45度） 1600 （步距角0.225度） 3200 （步距角0.1125度） 6400 （步距角0.05625度） 12800 （步距角0.028125度） 输入脉冲方式：单脉冲与双脉冲可选 工作电源：AC20V60V/4A一组 配套电机：57至86系列二相混合式步进电机 DL-2H090HM步进电机驱动器的面板图如图3-8所示。 图3-8 DL-2H090HM面板图 图中标号释义： CP+：单脉冲模式，脉冲正输入端 CP-：单脉冲模式，脉冲负输入端 U/D+: 单脉冲模式，方向电平的正输入端 U/D-：单脉冲模式，方向电平的负输入端 CW+：双脉冲模式，正脉冲的正输入端 CW-：双脉冲模式，正脉冲的负输入端 CCW+：双脉冲模式，负脉冲的正输入端 CCW-：双脉冲模式，负脉冲的负输入端 PD+：脱机信号正输入端 PD-：脱机信号负输入端 输入信号说明： 驱动器是把计算机控制系统提供的弱电信号放大为步进电机能够接受的强电流信 号，控制系统提供给驱动器的信号主要有以下三路： （1）步进脉冲信号CP：这是最重要的一路信号，因为步进电机驱动器的原理就是 要把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：驱动器每接受一个 脉冲信号CP，就驱动步进电机旋转一步距角， CP的频率和步进电机的转速成正比， CP的脉冲个数决定了步进电机旋转的角度。这样，控制系统通过脉冲信号CP就可以达 到电机调速和定位的目的。 （2）方向电平信号DIR：此信号决定电机的旋转方向。比如说，此信号为高电平 时电机为顺时针旋转，此信号为低电平时电机则为反方向逆时针旋转。此种换向方式， 我们称之为单脉冲方式。另外，还有一种双脉冲换向方式：驱动器接受两路脉冲信号 （标注为CW和CCW），当其中一路（如CW）有脉冲信号时，电机正向运行，当另一 路（如CCW）有脉冲信号时，电机反向运行。两种方式可以通过设置拨码开关来选择。 （3）脱机信号PD：此信号为选用信号，并不是必须要用的，只在一些特殊情况下 使用，此端输入一个5V电平时, 电机处于无力矩状态； 此端为高电平或悬空不接时, 此功能无效, 电机可正常运行，此功能若用户不采用，只需将此端悬空即可。 另外，使用此驱动器需要使用变压器，这里选择北京新创四方电子有限公司的 T40D变压器。 3.2.3 接口接口 通常接口有以下一些功能： （1）设置数据的寄存、缓冲逻辑，以适应 CPU 与外设之间的速度差异，接口通常 由一些寄存器或 RAM 芯片组成，如果芯片足够大还可以实现批量数据的传输； （2）能够进行信息格式的转换，例如串行和并行的转换； （3）能够协调 CPU 和外设两者在信息的类型和电平的差异，如电平转换驱动器、 数模或模数转换器等； （4）协调时序差异； （5）地址译码和设备选择功能； （6）设置中断和 DMA 控制逻辑，以保证在中断和 DMA 允许的情况下产生中断和 DMA 请求信号，并在接受到中断和 DMA 应答之后完成中断处理和 DMA 传输。 常用的接口所用的板卡大致分为两种：普通的 DAQ 板卡和 FPGA 板卡。 1.DAQ 板卡 这里取 PXI-6281 为例进行分析，其实物图见图 3-9。 图 3-9 PXI-6281 板卡 NI PXI-6281 是一款高精度多功能 M 系列数据采集(DAQ)模块，经优化可提供 18 位模拟输入精度。该精度相当于 5位的直流测量。NIPGIA 2 放大器技术以其优化 的高线性和 18 位快速建立时间的特性，确保了测量的精确度。其可编程低通滤波器能 降低高频率噪声并减少频率混叠。高精度 M 系列设备的模拟输出通道具有可编程偏移 及电压参考，使得所有自定义信号都可达 16 位最大精度。它们适用于设备测试和特征 记述、要求达到仪器级精确度的感应器和信号测量等应用。 2.FPGA 板卡 这里选 PXI-7833R 进行分析，其实物图见图 3-10。 NI PXI-7833R 多功能 RIO 模块提供的可编程 FPGA 芯片，适合板载处理和灵活的 I/O 操作。用户可借助 NI LabVIEW 图形化程序框图和 NI LabVIE