大学毕业论文—步进电动机.doc

前 言 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。它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。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电动机有如下特点： 1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。 2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 4）速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。 5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。 6）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。 国内控制器的研究起步较晚，运动控制技术为一门多学科交叉的技术，是一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领域。如电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等，运动控制技术是这些技术的有机结合体。总体上来说，国内研究取得很大的进步，但无论从控制器还是从控制软件上来看，与国外相比还是具有一定差距。 而目前国内已有的步进电机驱动器，一般采用高低压驱动方式或者调频调压驱动方式，这些驱动电路仅可实现基本步距的运行，电路构成复杂，而且多由分立元件组成，可靠性不高,还存在运行速度低、缺乏保护电路、驱动效率低和发热损耗大等缺点。随着微电子技术的发展，出现了集成化的驱动电路，但由于我国在电子材料与元器件、系统集成技术等基础工业水平和相关前沿领域与国际水平差距较大，所以步进电机驱动芯片主要依靠进口。而且，现有的许多步进电机驱动芯片，大多仅提供整步、半步控制选择，步进电机的运行性能并没有太大的提高。而且价格也比较贵。 本文主要介绍了步进电机以及其控制驱动电路的研究现状与发展趋势，研究了一种用单片机制作的步进电机的控制驱动电路，使其能够进行速度和正反转控制，经实验证明效果良好且可以驱动不同功率的步进电机。电路结构简单，成本也非常低，有较好的应用价值。 1．关于步进电机 1.1步进电机的发展及应用 步进电机又称脉冲电动机，是数字控制的一种执行元件。它是随着计算机控制系统发展而发展起来的，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者线位移的电动机。步进电机驱动器是其控制系统中的一部分。而步进电机与它的驱动器是一个整体的不可分割的两部分，统称为“步进电动机单元”。因而步进电机与驱动器关系密切。晶体管技术的应用，使驱动器向小型化前进了一步。70年代驱动器技术进入全盛时期，步进电机及其相应的驱动器相续问世，如日本的EPM系列、美国的M系列、德国的IBS/IBC系列等。功放驱动元件除了用晶体管外，也可用晶闸管，电源线路结构除了采用单一电压等级的驱动器外，还有采用两种不同电压等级的驱动器;随着步进电机的应用和发展，其驱动器也在不断发展、完善和提高，驱动电路集成化己成为一种趋势。以美国为例，它生产的步进电机驱动器体积小，而功能上可驱动较大的步进电机，工作发热低，电机工作平稳闭。而驱动技术方面现在应用较多的有斩波驱动、升频升压驱动等。步进电机驱动技术的一个重要发展方向是微步驱动技术，也叫步进电机细分驱动技术。 对于步进电机控制系统，运动控制器就像是它的中枢神经系统，指挥着它的每个动作。控制器接收相应指令，并根据指令向各进给电机发出控制信号，各个电机的驱动器则将控制信号转变成直接驱动电机的电信号。开放式运动控制己成为运动控制的发展方向，因此对控制器也有更高的要求。 目前控制系统在实际应用中多采用如下方案之一构成: (1)基于PC和微处理器.由单片机等微处理器为核心部件，加上存储器、编码器信号处理电路以及D/A转换电路等组成控制器，其控制算法的程序固化在存储器中。而上位机基于 PC的控制系统，由于联动插补算法较复杂，有大量浮点运算，对实时性要求又较高，选用PC来完成粗插补运算和数值运算。同时可利用丰富的PC软件来改善控制系统的图形显示、动态仿真、编程和诊断功能。 (2)基于微控制器设计的专用集成电路，如美国国家半导体公司生产的LM628,惠普公司的HCPLl100等。用一个芯片即完成速度曲线规划、PID伺服