【DQ008】西门子PLC的步进电机直接控制
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中文资料 浅析步进电机的 制技术与发展趋势 1、概述 ： 随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有一了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有一效结合，可进行模拟最控制，具有一远程通信功能等。有 即 器人， 一 ,目前可编程控制器广泛应用于冶金、矿业、机械、轻丁等领域，为工业自动化提供了有一力的工具。 制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统 ,使该单元的 控制系统成本降低。 2、步进电机的基本特点 : （ 1）、一般步进电机的精度为步进角的 3不累积。 （ 2）、步进电机外表允许的最高温度步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于小同电机磁性材料的退磁点 ;一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有一的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80完全正常 （ 3）、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势 ;频率越高 ，反向电动势越大在它的作用大，电机随频率 (或速度 )的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 （ 4）、步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有一啸叫声步进电机有一个技术参数 :空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值 .，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有一负载的情况下，启动频率应更低如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有一加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频 数字化制造时代发挥着重大的用途伴 随着小同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 3、步进电机控制系统的组成 ： 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移最，从而达到确定位的目的 ;同时 ,可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的步进电机 用其没有累积误差精度为百分百的特点，泛 应用于各种开环控制。 4、步进电机的 技术 : 应使输入步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器 ;对于频率较低的控制脉冲，可以利用 定时器构成，脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器 脉冲数达到设定值时，计数器 作切断脉冲发生器回路，使其停止 ,伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用高速脉冲发生器 . 不同的 高速脉冲的频率可达 4000 6000通过 程输出一定数最的方波脉冲，控制步进电机的转角 ,可编程控制器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。 件环行分配器采用软环占用的源较多，特别是步进电机绕组相数大于四时，对于大型生产线应该充分考虑采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用 输出输入点数，目前市场有一多种专用芯片可以选用 出的控制脉冲放大到几十至上百 倍 , 伏特、几安到几十几安的驱动能力 ,一般 通常的晶体管内流输出接口的负载能力仅为十几到几十伏特、几十到几百毫安 ,但对于功率步进电机则要求几十到上百伏特 ,几安到几十安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。 5、国内外电机的发展趋势 : （ 1）、继续沿着小型化的方向发展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 3 9, 3 5,30, 25 方向向下延伸。 （ 2）、对电动机进行综合设计即把转速位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有一更加优越的控制性能。 （ 3）、向五相和三相电动机方向发展 泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些我国的情况有一所小同，直到 20 纪纪八十年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是 80 年代后期才开始发展，至今仍然是 两种结构类型同时并存。尽管新的混合式步进电动机完全 磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角与典型的磁阻式电动机的步距角不一样，用户改变这种结构小是很客易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时问内改变。这种现状对步进电动机的发展是不利的。 英文资料 LC . an by of a in he of it an to o to to is it of AM)it a, E in to is of LC of to an to a to go to of to he of 2、 of （ 1）、 of t （ 2）、 of is as a so of be by to 30 C an of be up 00C so 0（ 3）、 to go up to to a to is to in or （ 4）、 if in t a to a at of if is in be t a or up to is be if to to to an is to to of it of to to in of of an in 3、 an to is a of or an a to to to a it a to of to to an to be to be it to a to to of to to in to be a of of it t 00 to 00 of be to in a LC 4、 to be to a of of a a in L in a in in a 10 be it no be of to LC LC it of 000LC is to LC to s to on to by of a LC of go an to LC up to a to to go , is a a an of LC a to to to s of LC of s an of LC to to an to an 00 to to 00 s an an to on 5、 1）、 of is to to 7, 2 9,35,30,25 （ 2 ）、 of on to a to so it be to as a （ 3）、 to Be of in to so of is a of 0 i,80s, is of to to is 0s to is of up to in of of to a of to in to of s to of to be of is is of of is to in of is to 毕业设计 (论文 )任务书 学生姓名 _唐玉铖 指导教师 _黄云龙、廖东进、朱秋 琴 职称 副教授、助教 、 助教 系别 _信息与电子工程系 _专业 工自 年级 04 级 _班级 1 课题名称 西门子 进电机的直接控制 任务与要求： 一、 设计（论文）要求： 本课题 的主要任务是通过 制 系统 ,实现对步进电机工作状态的控制。 具体设计方案如下： 本设计 西门子 列可编程逻辑控制器 对步进电机进行控制，通过数字 I/O 输出 口具有时序的方波作为步进电机的控 制信号，信号经过驱动 电路驱动 步进电机 。 设计的主要内容和要求： 1、 根据所选的课题，参考一些优秀的学习网站，完成该课题的建设。 2、 参与该课题的各位同学必须分工合作。在设计中既要有自己一定的工作量，同时具备良好的团队合作精神。 3、 毕业设计论文体现了毕业设计的质量，所以各位同学必须在论文中体现自己在毕业设计中所采用的方法、思想 以及 设计策略。论文的格式包括：（ 1）中英文摘要（ 2）目录（ 3）正文（ 4）致谢（ 5）参考文献（ 6）附录 。论文书写要求语言精练、简洁，表达力求准确，字数 12000 以上，最后要求用 纸打印，并装订成册，形成书目结构。 4、 在整个设计当中要严格按照学校 和 系部的各种规章制度和要求，按时完成所要求完成的任务。 二、 设计（论文）条件： 提供 设计 所需 的书籍 、 计算机 、 计 所需的 设备 等 。 三、 设计（论文）资料： 提供 步进电机 、 计等相关所需资料。 四、 设计（论文）教学要求：（可以同一专业相同） 要求同学们有较强的学习和自学能力，能根据需要查找资料，独立思考和设计 。 要 求同学 熟悉步进电机的工作原理并 具有一定的单片机 设计 能力 。 五、 设计（论文）进度安排：（可以同一专业相同） 第 01 周至第 02 周：查阅中文及英文资料（并翻译一篇外文资料），了解 步进电机的工作原理以及 计内容 ， 收集相关资料 ； 第 03 周至第 03 周：完成毕业设计（论文）开题报告，并开始进行毕业设计； 第 04 周至第 08 周： 完成 控制系统 的硬件设计 ； 第 09 周至第 12 周： 完成 控制系统 的软件设计 ； 第 13 周至第 13 周 ：软件和硬件的调试； 第 14 周至第 15 周：整理相关资料，完成毕业设计（论文）手稿及最终电脑打印的毕业论文； 第 16 周至第 16 周：毕业设计（论文）小组答辩； 第 17 周至第 17 周：答辩。 六、 学生分组名单 丁小伟；唐玉铖 浙江工业大学浙西分校 毕业设计（论文） 课题名称： 西门子 步进电机直接控制 学生姓名： 唐玉铖 系 （部）： 信息与电子工程系 专业班级： 04 工自 (1)班 指导教师： 黄云龙、朱秋琴、廖东进 职 称： 副教授、 助教、 助教 2007 年 6 月 5 日 信系与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 毕业设计 (论文 )开题报告 信息与电子工程系 系 电气自动化工业 专业 04 级 1 班 课题名称：西门子 进电机的直接控制 毕业设计 (论文 )起止时间： 2007 年 3 月 2日 6 月 10 日 (共 16 周 ) 学生姓名：唐玉铖 学号： 5 指导教师： 黄云龙、朱秋琴、廖东 报告日期： 信系与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 1、 本课题所涉及的问题在国内 (外 )的研究现状综述 ： 可编程控制器 (展现状 ： 可编程控制器 (简称 是种数字运算操作的电子系统 ,是在 20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器 ,其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令 ,并通过数字的、模拟的输入和输出 ,控各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备 ,都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。 产生至今只有 30 多年的历史 ,却得到了迅速发展和广泛应用 ,成为当代工业自动化的主要支柱之一。 产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应 ,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求 ,迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。 特点： （ 1）、 通用性强 ,使用方便 。 由于 品的系列化和模块化 ,备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。当控制对象的硬件配置确定以后 ,就可通过修改用户程序 ,方便快速地适应工艺条件的变化。 （ 2)、 功能性强 ,适 应面广 。 现代 仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能 ,而且还具有 A/ D 和 D/ A 转换、数值运算、数据处理等功能。因此 ,它既可对开关量进行控制 ,也可对模拟量进行控制 ,既可控制 1 台生产机械、 1 条生产线 ,也可控制 1个生产过程。 具有通讯联络功能 ,可与上位计算机构成分布式控制系统 ,实现遥控功能。 （ 3)、 可靠性高 ,抗干扰能力强 。 绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。针对 ,故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。硬件 方面 ,隔离是抗干扰的主要措施之一。 输入、输出电路一般用光电耦合器来传递信号 ,使外部电路与 间无电路联系 ,有效地抑制了外部干扰源对 影响 ,同时 ,还可以防止外部高电压窜入 块。滤波是抗干扰的另一主要措施 ,在 电源电路和 I/O 模块中 ,设置了多种滤波电路 ,对高频干扰信号有良好的抑制作用。软件方面 ,设置故障检测与诊断程序。采用以上抗干扰措施后 ,一般 均无故障时间高达 4 万 5 万 小时 。 （ 4)、 编程方法简单 ,容易掌握 。 备 有易于接受和掌握的梯形图语言。该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。 （ 5)、 控制系统的设计、安装、调试和维修方便 。 软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件 ,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。 用户程序大都可以在实验室模拟调试 ,调试好后再将 制系统安装到生产现场 ,进行联机统调。在维修方面 ,故障率很低 ,且有完善的诊断和实现功能 ,一旦 ,就可根据 或编程器上提供的信息 ,迅速查明原因。若是 身问题 ,则可更换模块 ,迅速排除故障 ,维修极为方便。 （ 6）、 体积小、质量小、功耗低， 由于 将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品 ,因而结构紧凑 ,坚固 ,体积小 ,质量小 ,功耗低 ,而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。因此 ,是实现机电一体化较理想的控制设备。 控系统 , 既具有较高的控制精度 ,良好的控制性能 , 又能稳定可靠地工作。 信系与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 因此 , 在数字控制系统出现之初 , 步进电动机经历过一个 大的发展阶段。 步进电机驱动技术及现状： 虽然步进电机是一种数控元件。易于同数字电路接口。但是，一般数字电路的信号能量远远 不足以驱动步进电机 !必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机 ，步进电机本体和进电机驱动电路两者密不可分地组成步进电机系统，多年来，随着电力电子技术自动化控制技术以及计算机国内外围绕步进电机驱动电路做了大量的研究与开发。 （ 1）、 驱动电源的发展及国内研制概况： 步进电机驱动电源同步进电机本身是一个整体。其性能好坏直接影响步进电机系统性能的优劣。驱动电源性能的好坏及可靠性，在很大程度上 与末级功放所用的功率元件直接相关。最初使用的末级功放元件是可控硅，近年来随着大功率晶体管的发展一般不再采用。晶体管具有控制方便调试容易，开关速度快以及元件损耗小等优点，并且由于采用先进的设计，晶体管的开关特性和耐压过流能力有了相当大的改进。因而近几年国内外绝大多数的驱动电源使用晶体三极管作为末级功放元件近年来，由于形槽金属氧化物半导体场效应晶体管综合了大功率双极晶体管和场效应晶体管的优点，具有大功率高耐压高增益的特点，且没有少数载流子存储时间和温度失控并有显著的抑制二次击穿特性，因而使用它可大大提高驱动电源 的可靠性，随着成本的降低及使用经验的积累，越来越多的驱动电源将会使用，作为末级功放元件，驱动电源电路结构的发展不同形式的功率放大电路对电机性能的影响各不相同，这种不同形式的功率放大电路的差别主要是功率放大电路中不同的输出级结构。 （ 2） 、 步进电机驱动电路 ： 由控制电路产生步进电机所需要的电脉冲信号 , 脉冲分配器把电脉冲信号按规定的方式分配给步进电机各相励磁绕组 , 使各相励磁绕组轮流接受脉冲信号的控制。控制电路经脉冲分配后输出的信号很低 , 不能提供步进电机所需的输出功率 , 必须经过功率驱动部分进行放大。脉冲分 配部分可以由硬件电路组成 , 也可以由软件实现。当脉冲分配由硬件实现时 , 步进电机的驱动系统包括脉冲分配和功率驱动两个部分 ; 当脉冲分配由软件实现时 , 步进电机驱动系统实际上只包含功率驱动部分 , 控制电路多由微机及接口电路组成，如本课题“西门子是由软件实现的。 制步进电机技术的现状 ： 随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。继续沿着小型化的方向发展。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。对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器 , 减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起 , 这样使其能方便地组成一个闭环系统 , 因而具有更加优越的控制性。向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。 目前利用可编程序控制器（即 P L C 技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种 步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。 信系与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 2、 设计 (论文 )要解决的问题和拟采用的研究方法 ： （ 1）、 系统整体方案的确立 （ 2） 、 系统软件与硬件的设计 （ 3） 、 元件的选取 系统的方案包括 步进电机运动 控制方案 ， 本课题选用 用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，现对步进电机 的控制 。 步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件 ,每当对其施加一个电脉冲时 ,其输出轴便转过一个固定的角度。 步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比 ,其转速与单位时间内输入的脉冲数 (即脉冲频率 )成正比 ,其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序 ,便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。步进电机具有较好的控制性能 ,其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变 ,都在少数脉冲内完成 ,且可获得较高的控制精度 ,因而得到了广泛应用。步进机分为反应式、永磁式和混合式等。 步进电机的 接控制方式： 这种控制方式的优点是大大减少系统设计的工作量 ,不存在各部分接口信号的匹配问题 ,提高系统的可靠性。整个控制系统由 步进电机组成。 有实时刷新技术 ,输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高 ,使得脉冲分配能有很高的分配速度 ,充分利用步进电机的速度响应能力 ,提高整个系统的快速性。并且 ,能够满足步进电机各相绕组数 10 接控制步进电机系统设计时 ,在 步进电机选型前 ,必须计算出脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量 3个参数 : 脉冲当量 =步进电机步距角螺距 360传动速比 脉冲频率上限 =移动速 度步进电机细分数脉冲当量 最大脉冲数量 =移动距离步进电机细分数脉冲当量 根据脉冲频率确定 速脉冲输出频率 ,根据脉冲数量确定 虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿命 ,选择晶体管输出型。步进电机细分数一般可选择 2、 5、 10、 25 细分 ,以避开电机的共振频率。编制 制程序时将传动系统的脉冲当量、反向间隙、步进电机的细分数定义为参数变量 ,以便现场调整。 信系与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 3、 本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路 重点研究与关键问题： 制脉冲与电机运动状态的 对应 关系： 解决思路 ： 控制具体原理如下 : 如下图所示， 环形分配程序通过输出端口 A、 B、 C 进行环形脉冲分配 ,从而控制接到步进电机三相绕组的 48 ,形成旋转磁场 ,使步进电机转动。步进电机的转动，由于步进电机是电感性负载 ,直流电阻很小 ,故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏， 即 A、 B、 A、 B、 A B C A次导通、断开时 ,步进电机正转。按 : A C B A依次导通、断开时 ,步进电机反转，即步进电机可 以按三相六拍工作。每当步进电机走一步 ,环形脉冲分配程序的步数减一 ,当步数减为零时 ,停止环形脉冲分配 ,等待下一次的脉冲输入。 图 步进电机基本图样 信系与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 4、 完成本课题所必须的工作条件 (如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等 )及解决的办法 ： 本课题运用到的了以下书籍 ： 1孙涵芳 ， 徐爱卿 51/96系列单片机原理与应用 北京航空航天大学出版社 ,1988 2何立民 北京 :北京航空航天大学出版社 ,1991 3吴之美 北京 :清华大学出版社 ,1993 4应钢 ,关海 ,伍能鹏 编程逻辑器件原理和应用 5胡志平 制系统的设计应用 2004 6安永林 贵州水利发电 ,2005 7杨宁 北京：北京航空航天大学出版社 ,2003 8殷瑞祥 广州 :华南理工大学出版社 ,2004. 9单长考 自动化技术与应用 ,2005 10王晓明 北京 :北京航空航天出版社， 2002 11刘广瑞 机电产品开发与创新， 2005 12宣财鑫 机车车辆工艺， 2002 13统编程手册 2000 14赵丹 控模块在对中性测量仪中的应用 2005 15王宜结 自动化技术与应用 ,2004 16电 编程逻辑控制器 列用户手册 17杨公源主编 北京 :电子工业出版社 ,2004 18于庆广编著 北京 :清华大学出版社 ,2004 19朱力 制步进电机方法的研究 003(增刊 ) 20宣财鑫 冲控制步进电机技术 信系与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 5设计 (论文 )完成进度计划 第 01周至第 02周：查阅中文及英文资料（并翻译一篇外文资料），了解步进电机的工作原理以及 集相关资料； 第 03周至第 03周：完成毕业设计（论文）开题报告，并开始进行毕 业设计； 第 04周至第 08周：完成控制系统的硬件设计； 第 09周至第 12周：完成控制系统的软件设计； 第 13周至第 13周：软件和硬件的调试； 第 14周至第 15周：整理相关资料，完成毕业设计（论文）手稿及最终电脑打印的毕业论文； 第 16周至第 16周：毕业设计（论文）小组答辩； 第 17周至第 17周：答辩。 信电系论文文献综述 1 浙江工业大学浙西分校 毕业设计 (论文 )文献综述 课题名称： 西门子 进电机的直接控制 学生姓名： 唐玉铖 系 （部）： 信息与电子工程系 专业班级： 04 工自 (1)班 指导教师： 黄云龙、朱秋琴、廖东进 职 称： 副教授、 助教、 助教 日 期： 信电系论文文献综述 1 文献综述 一、 引言 传统的 步进电机控制方式由控制器产生控制指令，环形分配器根据指令将输入的单一脉冲串，按土作方式和转向分别依次向连接到步进电机各相绕组的功率放大器分配脉冲，以便形成旋转磁场。这种方式的各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者一很大的精力和劳动。接口信号的匹配以及儿器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大。现代控制系统中， 为一种广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。为了配合步进电机的控制，许多 内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行直接控制 。这种控制方式的优点是：大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。整个控制系统由 步进电机组成。 有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。并且， 采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数 10V 级脉冲电压、 1A 级脉冲电流的驱动要求。 二、 接控制步进电机技术的发展现状 1、 术现状： 可编程控制器 (简称 是种数字运算操作 的电子系统 ,是在 20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器 ,其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令 ,并通过数字的、模拟的输入和输出 ,控各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备 ,都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。 产生至今只有 30 多年的历史 ,却得到了迅速发展和广泛应用 ,成为当代工业自动化的主要支柱之一。 产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应 ,生产出小批量、 多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求 ,迫使人们去寻找一种新的控信电系论文文献综述 2 制装置取而代之。 2、 控制步进电机技术中的发展状况： 随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。继续沿着小型化的方向发展。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。对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器 , 减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起 , 这样使其能方便地组成一个闭环系统 , 因而具有更加优越的控制性。向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。 目前利用可编程序控制器（即 P L C 技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现 。 三、 接控制步进电机的原理 1、步进电动机的工作原理及工作方 式： 步进电机作为一种常用的电气执行元件 ,广泛应用于自动化控制领域。步进电机的运转需要配备一个专门的驱动电源 ,驱动电源的输出受外部的脉冲信号和方向信号控制。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度 ,这个角度称为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度 ,脉冲的频率决定了旋转的速度。方向信号决定了旋转的方向。就一个传动速比确定的具体设备而言 ,无需距离、速度信号反馈环 ,只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备移动部件的移动距离和速度 ;而方向信号可控制移动的方向。因此 ,对于那些控制精度要求不是很高的应用场合 ,用开环方式 控制是一种较为简单而又经济的电气控制技术方案。另外 ,步进电机的细分运转方式非常实用 ,尽管其步距角受到机械制造的限制 ,不能制作得很小 ,但可以通过电气控制的方式使步进电机的运转由原来的每个整步分成m 个小步来完成 ,以提高设备运行的精度和平稳性。控制步进电机电源的脉冲与方向信号源常用数控系统 ,但对于一些在运行过程中移动距离和速度均确定的具信电系论文文献综述 3 体设备 ,采用 编程控制器 )是一种理想的技术方案。 电动机其角位移与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可以调节电动机的转速。工作方式最常见的有 : (1)、 三相单三拍工作方式 各相的通电顺序为 A B C,各相通电的电压波形如图所示。 图 1 三相单三拍工作方式 (2)、 三相双三拍工作方式 双三拍工作方式各相的通电顺序为 相通电的电压波形如图所示。 图 2 三相双三拍工作方式 (3)、 三相六拍工作方式 在反应式步进电机控制中，把单三拍和双三拍工作方式结合起来，就产生了六拍工作方式，其通电顺序为 A B C 相通电的电压波形如图 4 所示。 图 3 三相六拍工作方式 信电系论文文献综述 4 (4)、 其它工作方式（和步进电机本身结构相关） :如二相四拍、二相八拍以及四相四拍和四相八拍等，其工作时电压波形图基本类似，不再赘述。 2、西门子 制步进电机： 由 以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出： 控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子 身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为 10够满足步进电动机的要求，与硬件连接相比对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对 是在此应用的 输出信号的 频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度 ,充分利用步进电机的速度响应能力 ,提高整个系统的快速性。二是身的输出端口应该采用大功率晶体管 ,以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如下图所示 ： 图 4 步进电机的 接控制 环形分配程序通过输出端口 A、 B、 C 进行环形脉冲分配 ,从而控制接到步进电机三相绕组的 48V 直流电源的依次通、断 ,形成旋转磁场 ,使步进电机转动。步进电机的转动，由于步进电机是电 感性负载 ,直流电阻很小 ,故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏， 口 ,即 A、 B、 C 所对应的大功率晶体管。当 A、 B、 C 所对应的大功率晶体管按 : A B C A次导通、断开时 ,步进电机正转。按 : A C B A依次导通、断开时 ,步进电机反转，即步进电机可以按三相六拍工作。每当步进电机走一步 ,环形脉冲分配程序的步数减一 ,当步数减为零时 ,停止环形脉冲分配 ,等待下一次的脉冲输入。如下图所示 进电机 输入信号 信电系论文文献综述 5 图 5 步进电机基本图 3、 软件编程 在软件编程前，必须根据实际控制系统与工艺要 求进行步进电机的“启动频率”和“停止频率”的标定，步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高频率。步进电机在起动和停止时有一个加速及减速过程，且加速度越小则冲击越小，动作越平稳。所以，步进电机工作时一般要经历这样一个变化过程：加速恒速 (高速 ) 减速 低速停止。其中步进电动机在运行过程中一般采用如下运行曲线，主要要考虑步进电动机的起动时必须有个加速缓冲的过程，对步进电动机起保护作用。 图 6 步进电动机在运行过程 使步进 电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。囚此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器 ;对于频率较低的控制脉冲，可以利用 的定时器构成，如图 1 所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器 脉冲数达到设定值时，计数器 作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。步进电机无脉冲输入时便停止运转。当步进电机位移速度要求较高时，可以用 的高速信电系论文文献综述 6 脉冲发生器。不同的 高速脉冲的频率可达到 40006000制系统中 脉冲 ;通过 程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角同时通过编程控制脉冲频率，环行脉冲分配器将可编程控制器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， 制的步进电机可以采用软件环行分配器。 图 7 制的步进电机软件环行分配器 四、结论 本论文的研究主要完成了以下内容 :通过对 制步进电机 系统的工作原理和控制原理的分析，用西门子 序结合硬件电路，设计出以 件控制为核心的步进电机控制器，使得控制步进电机更加方便快捷。 采用 接控制步进电机的误差补偿系 统功能完善、灵活性大、可靠性高。该生产线己获得国家科技进步奖。特别强调的是采用 接控制步进电机的方法，减少了系统设计的工作量、能大大缩短开发研制周期，在一定范围内，有较高的推广和实用价值。 参考文献 I李金钟 苏州 :苏州人学出版 社， 2004 2廖常初 程及应 用 ， 2004 3胡志平 制系统的设计应 . 2安永林 办水利发电， 2005， 5 3杨宁 4宣财鑫 冲控制步 进电机技术 信电系论文文献综述 7 5中长考 控系统 技术与应用 6机 一体化技术手册编委会 北京机械工业出版社 ： 1993 7胡泓 北京 ： 国防工业出版社 8杨长能等 重庆大学出版社 :1992 9孙涵芳 ,爱卿 6 系列单片机原理与应用 1998 10何立民 空航天大学出版社 :1991 11吴之美 序员参考大会 :1993 目 录 摘 要 . 错误 !未定义书签。 第一章 绪 论 . 错误 !未定义书签。 言 . 错误 !未定义书签。 第二章 方案论证比较设计 . 错误 !未定义书签。 术的发展概述 . 错误 !未定义书签。 术在步进电机控制中的发展状况 . 错误 !未定义书签。 进电机的发展状况 . 错误 !未定义书签。 步进电机的工作原理 . 错误 !未定义书签。 进电机的控制和驱动方法简 介 . 错误 !未定义书签。 第三章 步进电机工作方式的选择 . 错误 !未定义书签。 见的步进电机的工作方式 . 错误 !未定义书签。 制步进电机换向顺序 . 错误 !未定义书签。 制步进电机的转向 . 错误 !未定义书签。 制步进电机的速度 . 错误 !未定义书签。 门子 制步进电机的设计思路 . 错误 !未定义书签。 进电机控制方式 . 错误 !未定义书签。 门子 制步进电机 . 错误 !未定义书签。 业设计任务 . 错误 !未定义书签。 第四章 200 直接控制步进电机硬件设计 . 错误 !未定义书签。 200 的介绍 . 错误 !未定义书签。 能 . 错误 !未定义书签。 门子 用中需要注意的问题 . 错误 !未定义书签。 制系统中干扰及其来源 . 错误 !未定义书签。 要抗干扰措施 . 错误 !未定义书签。 端的接线 . 错误 !未定义书签。 确选择接地点以完善接地系统 . 错误 !未定义书签。 进电机的具体控制原理 . 错误 !未定义书签。 进电机的选择 . 错误 !未定义书签。 进电机驱动电路设计 . 错误 !未定义书签。 率放大器件驱动电机 . 错误 !未定义书签。 接驱动电机 . 错误 !未定义书签。 第五章 控制系统的软件设计 . 错误 !未定义书签。 制脉冲的产生 . 错误 !未定义书签。 进电机的旋转方向和时序脉冲的关系 . 错误 !未定义书签。 数的确定 . 错误 !未定义书签。 位控制 . 错误 !未定义书签。 进电机的变速控制 . 错误 !未定义书签。 第六章 本设计相关控制简介 . 错误 !未定义书签。 始化 . 错误 !未定义书签。 置和取消参考点 . 错误 !未定义书签。 位控制 . 错误 !未定义书签。 择旋转方向 . 错误 !未定义书签。 动电机 . 错误 !未定义书签。 止电机 . 错误 !未定义书签。 锁 . 错误 !未定义书签。 件接口定义 . 错误 !未定义书签。 第七章 设计总结 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 错误 !未定义书 签。 摘 要 本文根据传统步进电机控制中的不足和缺点，将 接控制技术运用于步进电机的控制。该系统解决了传统控制技术中的 各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计 者一很大的精力和劳动，接口信号的匹配以及各器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大 等缺点。 本文根据 制步进电机的控制特点及其原理，把软件控制和硬件电路互相结合起来，形成整体的控制，有效的克服了它们的缺点而发挥了它们的优势。本文详细阐述了该系统中 门子）直接控制步进电机的实现方法、系统的各部件的组成、各部件的连接情况。 关键字 :西门子 进电机调速； 步进电机； 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） I 目 录 摘 要 .一章 绪 论 .二章 方案论证比较设计 .步进电机的工作原理 .三章 步进电机工作方式的选择 .思路 .步进电机控制方式 . 11 .四章 200 直接控制步进电机硬件设计 .200的介绍 .性能 .西门子 用中需要注意的问题 .控制系统中干扰及其来源 .主要抗干扰措施 .I/O 端的接线 .正确选择接地点以完善接地系统 .进电机的选择 .进电机驱动电路设计 .功率放大器件驱动电机 . .五章 控制系统的软件设计 .数的确定 .江工业大学浙西分校信电系（论文） 六章 本设计相关控制简介 .置和取消参考点 .七章 设计总结 .考文献 . 谢 .录 .江工业大学浙西分校信电系（论文） 要 本文根据传统步进电机控制中的不足和缺点，将 系统解决了传统控制技术中的 各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者一很大的精力和劳动，接口信号的匹配以及各器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大 等缺点。 本文根据 制步进电机的控制特点及其原理，把软件控制和硬件电路互相结合起来，形成整体的控制，有效的克服了它们的缺点而发挥了它们的优势。本文详细阐述了该系统中 门子）直接控制步进电机的实现方法、系统的各 部件的组成、各部件的连接情况。 关键字 :西门子 进电机调速； 步进电机； 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） to to of LC in of a a a in of of of a to to to a to of to of to of to LC a in to of in of 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） V 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 1 第一章 绪 论 言 近年来，在国际上出现了 合成 国译为“机电一体化”。这种机械和电子技术、信息技术紧密 结合的新的学科领域是先进制造技术研究和普及的结果。机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。同时追求体积小、价格低，甚至低功耗等。正是针对上述种种要求而设计的 步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。 80 年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。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，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力，因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过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，轮流与直流电源接通后 ，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，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，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 2 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在使用数控机床的生产制造中，因为步进电机不需要 A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。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，步进电机也应用在其他方面，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，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。 微电子技术的飞速发展，带动了机械加工技术的飞速发展。而在其发展过程中，最显著的特点 是机械制造将越来越密切地依赖于电子技术、检测技术、自动控制技术、计算机技术、系统论、信息论等现代科学技术。 传统的步进电机控制方式由控制器产生控制指令 ，环形分配器根据指令将输入的单一脉冲串，按土作方式和转向分别依次向连接到步进电机各相绕组的功率放大器分配脉冲，以便形成旋转磁场。这种方式的各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者一很大的精力。接口信号的匹配以及儿器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大。现代控制系统中， 为一种广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。为了 配合步进电机的控制，许多 内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行直接控制。这种控制方式的优点是：大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。整个控制系统由 步进电机组成。 有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。并且， 采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数 10V 级脉冲电压、 1A 级脉冲电流的驱动要求。 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 3 第二章 方案论证比较设计 术的发展概述 可编程控制器 (简称 是种数字运算操作的电子系统 ,是在 20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器 ,其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令 ,并通过数字的、模拟的输入和输出 ,控各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备 ,都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。 产生至今只有 30 多年的历史 ,却得到了迅速发展和广泛应 用 ,成为当代工业自动化的主要支柱之一。 产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应 ,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求 ,迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。 硬件结构基本上与微型计算机相同， 1、中央处理单元 ( 按照 查电源、存储器、 I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误 。当 先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高 年来对大型 成冗余系统，或采用三 样，即使某个 个系统仍能浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 4 正常运行。 2、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 术在步进电机控制中的发展状况 随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。继续沿着小型化的方向发展。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。对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器 , 减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起 , 这样使其能方便地组成一个闭环系统 , 因而具有更加优越的 控制性。向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。 目前利用可编程序控制器（即 P L C 技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。 用 用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，现对步进电机 的控制。 步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件 ,每当对其施加一个电脉冲时 ,其输出轴便转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比 ,其转速与单位时间内输入的脉冲数 (即脉冲频率 )成正比 ,其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序 ,便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。 接控制步进电机系统由 步进电机组成 ,有实时刷新技术 ,输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高 ,使得脉冲分配能有很高的分配速度 ,充分 利用步进电机的速度响应能力 ,提高整个系统的快速性。并且 ,采用大功率晶体管的输出端口 ,能够满足步进电机各相绕组数 101文） 5 冲电流的驱动要求。 有以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出： 控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子 发出的频率最大为 10够满足步进电动机的要求，与硬件连接相比对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对 是在此应用的 输出 信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度 ,充分利用步进电机的速度响应能力 ,提高整个系统的快速性。二是身的输出端口应该采用大功率晶体管 ,以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求 。如下图所示 图 2进电机的 接控制 进电机的发展状况 步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后 , 目前其发展趋于平缓。然而 , 由 于步进电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别 , 具有其它电动机所没有的特性。因此 ,沿着小型、高效、低价的方向发展。 步进电动机由此而得名。步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进行的 , 其转子走过的步数 , 或者说转子的角位移量 , 与输入脉冲数严格成正比。另外 , 步进电动机动态响应快 , 控制性能好 , 只要改变输入脉冲的顺序 , 就能方便地改变其旋转方向。这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别。因此 , 步进电动机的上述特点 , 使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统 , 既具有较高的控制精度 ,良好的控制性 能 , 又能稳定可靠地工作。因此 , 在数字控制系统出现之初 , 步进电动机经历过一个大的发展阶段。 电动机其角位移与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可以调节电动机的转速。工作方式最常见的有 : 进电机 输入信号 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 6 (1)、三相单三拍工作方式： 各相的通电顺序为 A B C,各相通电的电压波形如下图所示： 图 2相单三拍工作方式时序图 (2) 、三相双三拍工作方式： 双三拍工作方式各相的通电顺序为 相通电的电压波形如下图所示 ： 图 2相双三拍工作方式时序图 (3)、三相六拍工作方式： 在反应式步进电机控制中，把单三拍和双三拍工作方式结合起来，就产生了六拍工作方式，其通电顺序为 A B C 相通电的电压波形如下图所示： 图 2相六拍工作方式时序图 (4)、其它工作方式（和步进电机本身结构相关） :如二相四拍、二相八拍以浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 7 及四相四拍和四相八拍等，其工作时电压波形图基本类似，不再赘述。 步进电机的工作原理 步进电机是将电脉冲信号转成角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲相对应的增量式数字元件。在数控机床 、绘图机、打印机等方面应用广泛。它也可以看作是一种特殊的同步电机 ;它具有快速起停、精确步进及直接接收数字量的特点，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击、和振动等影响，仅与脉冲频率有关，这些特点使它完全适用于数字控制的系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化而又运行可靠。 本课题选用了最常见的一种小步距角的三相反应式步进电机其剖面图。如图1示，电机的定子上有 6 个等分的磁极，相邻两个磁极间的夹角为 60 度。磁极上装有控制绕组并联成 A, B, C 三相。转子上均匀分布 40 个齿，每个齿的齿距为 9度。定子每段极弧上也有 5个齿，定、转子的齿宽和齿距都相同。每个定子磁极的极距为 60度，所以每个极距所占的齿距数不是整数。当 子齿对齐， 极下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距，即为3度。这时若给 机中产生沿 B 极轴线方向的磁场，因磁通要按磁阻最小的路径闭合，就使转子受到反应转距 (磁阻转距 )的作用而转动，直到转子齿和 时， 极下的齿又分别与转子齿相错三分之一的转子齿距。由此可见 :错齿是促使步进电机旋转的根本原因。若断开 B 相控制绕 组，而接通 时电机中产生沿 理，在反应转距 (磁阻转距 )的作用下，转子按顺时针方向转过 3度，使定子 此类推，当控制绕组按 - 顺序循环通电时转子就沿着顺时针方向以每个脉冲转动 3 度的规律转动起来。若改变通电顺序，即按- 顺序循环通电时，转子便按逆时针方向同样以每个脉冲转动 3 度。这就是单三拍通电方式。若采用三相单、双六拍通电方式运行，即- 顺序循环通电，步距角将减小一半， 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 8 图 2应式步进电机 进电机的控制和驱动方法简介 步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为 :普通集成电路控制、单片机控制、工业控制机控制、可编程控制器控制等几种 ;按照控制结构可分为 :硬脉冲生成器硬脉冲分配结构 (硬 、软脉冲生成器软脉冲分配器结构 (软 、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构 (软 即： 1 硬 硬结 ;2 软 软结构 ;3 软 硬结构。具体的驱动控制情况在下面章节还将提到。 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 9 第三 章 步进电机工作方式的选择 见的步进电机的工作方式 常见的步进电机的工作方式有以下三种 ： （ 1）、三相单三拍： -： 图 3相单三拍工作方式时序图 （ 2）、三相双三拍： B： 图 3相双三拍工作方式时序图 （ 3) 、三相六拍： -： 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 10 图 3相六拍工作方式时序图 按以上顺序通电，步进电机正转，按 相反方向通电，步进电机反转。这三种方式的主要区别是 :电机绕组的通电、放电时间不同。工作方式是单三拍时通电时间最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长。因此，同一脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。而且，电机是三拍的工作方式时，其分辨率为 3度，六拍的工作方式时，分辨率是 以，在本课题中，我们采用三相六拍的工作方式，在这种控制方式下工作，步进电机的运行特性好，步进电机分辨率最高。 制步进电机换向顺序 通电换 向 这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的 三相三拍 工作方式，其 各相通电顺序为 电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A、 B、C、 制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。 门子 制步进电机的设计思路 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 11 进电机控制方式 典型的步进电机控制系统如图 所示： 图 3型的步进电机控制系统 步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后，日前其发展趋向平缓。然而，其基本原理是不变的，即：是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件 ,每当对其施加一个电脉冲时 ,其输出转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比 ,其转速与单位时间内输入的脉冲数 (即脉冲频率 )成正比 ,其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的脉冲顺序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的顺序 ,便可控制步进电机的 输出位移量、速度和转向。步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，可简单地定义为，根据输人的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机 :从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。 步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为 :普通集成电路控制、单片机控制、工业控制机控制、可编程控制器控制等几种 ;按照控制结构可分为 :硬脉冲生成器硬脉冲分配结构 (硬 、软脉冲 生成器软脉冲分配器结构 (软 、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构 (软 。 1、硬 硬结构： 如图 3示，这种步进电机的控制驱动系统由硬件电路脉冲生成器、硬件电路脉冲分配器、驱动器组成。这种控制驱动方式运行速度比较快，但是电路复杂，功能单一。 2、软 软结构： 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 12 如图 3种步进电机的控制驱动系统由软件程序脉冲生成器、软件程序脉冲分配器、驱动器组成，而软件脉冲生成器和脉冲分配器都有微处理器或微控制器通过编程实现。用单片机、工业控制机、普通个人计算机、可编程序控制器控制步进电机一 般均可采用这种结构。这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，但是占用 微处理器运行其他工作造成困难。 3、软 硬结构： 如图 3种步进电机的控制驱动系统由软件脉冲生成器、硬件脉冲分配器和硬件驱动器组成。硬件脉冲分配器是通过脉冲分配器芯片 (如 8713芯片 )来实现通电换相控制的。这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，同时占用 用可编程控制器全部实现了控制器和驱动器的功能。在软件代替了脉冲生成器和脉冲分配器，直接对步进电机进行并行控制，并且 由 出端口直接驱动步进电机。如图 3示，这是一种软 冲生成器和脉冲分配器均有可编程序控制器程序实现。 图 3硬结构控制 图 3软结构控制 图 3硬结构控制 门子 制步进电机 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 13 由 以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出： 控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子 发出的频率最大为 10够满足步进电动机的要求，与硬件连接相比对于环形脉冲分配器和功率 放大器的功能则对 是在此应用的 输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度 ,充分利用步进电机的速度响应能力 ,提高整个系统的快速性。二是身的输出端口应该采用大功率晶体管 ,以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如下图所示 ： 图 3接控制步进电机图 对输入电机的相关脉冲控制从而达到对步进电机三相绕组的 48V 直流电源的依次通、断 ,形成旋转磁场 ,使步进电机转动。步 进电机的转动，由于步进电机是电感性负载 ,直流电阻很小 ,故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏，当步进电机的通电相序为： A B C A次导通、断开时 ,步进电机正转。按 : A C B A电机反转，按三相六拍工作。每当步进电机走一步 ,环形脉冲分配程序的步数减一 ,当步数减为零时 ,停止环形脉冲分配 ,等待下一次的脉冲输入。如下图所示 ： 图 3本控制图 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 14 业设计任务 本次毕业设计课题是西门子 的主要任务是应用软件设计及控制方案的设计，大体 为以下五项内容： 主要介绍其系统的目的和意义， 着技术的发展，其优越性越来越多，主要是通过数字的、模拟的输入和输出 ,控各种类型的机械或生产过程。以后将朝生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。 主要是 制方式和形式，控制方式有两种形式 :过功率放大电路与步进电机相连 及系 统控制范围的确定。系统的工作过程分为以下三个工作状态：电机启动运行；电机运行；电机不运行；电机转向切换技术的解决方案。 1、 门子 )控制软件的设计及 仿真研究 主要介绍 且运用软件进行仿真研究。 2、系统硬件设计主要介绍了控制主电路的设计，步进电机电气连接的设计，人机界面设计，前向输入通道设计和后向输出通道设计，及一些系统的可靠性设计。 3、应用软件设计 主要介绍了控制系统程序设计主要包括七大程序，分别是初 始化程序、停机程序、电机启动程序、电机转向切换程序；整个系统程序的工作过程以及编程中应注意的细节。 总之，在本次设计中，必须完成图表：论文说明书、控制电路图、 程序流程图、程序清单等。 浙江工业大学浙西分校信电系（论文） 15 第四章 200 直接控制步进电机硬件设计 200 的介绍 一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。 1、中央处理单元 ( 按照 查电源、存储器、 I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高 可 *性，近年来对
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