第十三章习题与答案
步进电动机的步距角之含义是什么？一台步进电动机可以有两个步距角，例如，3o/，这是什么意思？什么是单三拍、单双六拍和双六拍？
每当输入一个电脉冲时,电动机转过的一个固定的角度,这个角度称之为步矩角。
一台步进电动机有两个步矩角,说明它有两种通电方式, 3o得意思是单拍时的步矩角. 得意思是单双拍或双拍似的步矩角。
单三拍:每次只有一相绕阻通电,而每个循环只有三次通电。
单双六拍:第一次通电有一相绕阻通电,然后下一次又两相通电,这样交替循环运行,而每次循环只有六次通电。
双三拍:每次又两相绕阻通电,每个循环由六次通电。
一台五相反应式步进电动机，采用五相十拍运行方式时，步距角为，若脉冲电源的频率为3000Hz，试问转速是多少？
n=βf*60/2π
=*3000*60/2*
=min
转速是min
一台五相反应式步进电动机，其步距角为，试问该电机的转子齿数是多少？
=360/ZKM
=360/Z*5*1
Z=48
电机的转子齿数是48
第十一章步进电动机传动控制系统 11.1 步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续地发给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。 图11.1 步进电动机实物图 步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，运行中无累积误差。 步进电机能方便地实现正、反转和调速、定位控制。特别是不需位置传感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。因此，步进电动机广泛应用在数字控制的各个领域。如各种数控机械、办公自动化产品、工厂自动化机器、计算机外设等。 步进电动机的缺点是不能达到很高的转速（一般小于1000到2000转/min）。存在低频振荡、高频失步等缺陷。另外，步进电机自身的噪声和振动较大。 一、步进电动机的工作原理 步进电动机的种类很多，按工作原理分，有反应式（Variable-reluctance）、永磁式（Permanent-magnet）、混合式（Hybrid）三种。按输出转矩大小分，有快速步进电机、功率步进电机。按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。 步进电动机的结构形式虽然繁多，但工作原理基本相同，下面仅以三相反应式步进电动机为例说明之。
如图11.2所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图。和一般旋转电动机一样， 步进电机也分为定子和转子两大部分。定子部分由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成。定子铁心是由硅钢片叠压而成的有齿的圆环状铁心。图中定子有6个磁极，每对磁极上绕有励 磁绕组，由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。如图所示。 转子部分由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心。图中转子上有4个凸齿。 若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相应的方式转动。其转动原理其实就是电磁铁的工作原理 。 比如，给A 相绕组通电时，转子位置如图（a ），转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁 磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。 A'A K1K2K3 B'C' B C
几种典型的步进电机闭环控制系统 工业大学 【摘要】系统阐述了步进电动机闭环控制系统的优点，给出了几种典型的闭环控制系统，并提出了步进电动机高精度定位系统的设计思想。 【叙词】步进电机闭环系统／高精度定位 l概述 步进电机是机电一体化产品中的关键元件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。它能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移，是一种离散型自动化执行元件。随着计算机控制系统的发展，步进电动机广泛应用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其它自动化系统中，是高科技发展的一个重要环节。 2步进电动机闭环系统与开环系统比较[1- 步进电机的主要优点之一是适于开环控制。在开环控制下，步进电动机受具有予定时间间隔的脉冲序列所控制，控制系统中无需反馈传感器和相应的电子线路。这种线路具有简单、费用低的特点，使步进电动机的开环控制系统得以广泛的应用。 但是，步进电机的开环控制无法避免步进电动机本身所固有的缺点，即共振、振荡、失步和难以实现高速。另一方面，开环控制的步进电动机系统的精度要高于分级是很困难的，其定位精度比较低。因此，在精度和稳定性标准要求比较高的系统中，就必须果用闭环控制系统。 步进电动机的闭环控制是采用位置反馈和（或）速度反馈来确定与转子位置相适应的相位转换，可大大改进步进电动机的性能。 在闭环控制的步进电机系统中，或可在具有给定精确度下跟踪和反馈时，扩大工作速度围，或可在给定速度下提高跟踪和定位精度，或可得到极限速度指标和极限精度指标。步进电动机的闭环控制性能与开环控制性能相比，具有如下优点： a．随着输出转矩的增加，二者的速度均以非线性形式下降，但是，闭环控制提高了矩频特性。 b．闭环控制下，输出功率／转矩曲线得以提高，原因是，闭环下，电机励磁转换是以转子位置信息为基础的，电流值决定于电机负载，因此，即使在低速度围，电流也能够充分转换成转矩。 c．闭环控制下，效率一转矩曲线提高。 d．采用闭环控制，可得到比开环控制更高的运行速度，更稳定、更光滑的转速。 e.利用闭环控制，步进电动机可自动地、有效地被加速和减速。 f．闭环控制相对开环控制在快速性方面提高的定量评价，可借助比较Ⅳ步通过某个路径间隔的时间得出： 式中n-步进电动机转换拍数(N>n) g．应用闭环驱动，效率可增到7.8倍，输出功率可增到3.3倍，速度可增到3.6倍。 闭环驱动的步进电机的性能在所有方面均优于开环驱动的步进电动机。步进电机闭环驱动具有步进电动机开环驱动和直流无刷伺服电机的优点。因此，在可靠性要求很高的位置控
摘要 进步电机是几点数字控制系统中常用的控制元件之一。由于其精度高，体积小，控制方便灵活，因此在智能仪表和位置中得到广泛的应用。 步进电机是机电控制中一种常见的执行机构。步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。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。他易于实现与计算机或其他数字元件接口，适用于数字控制系统。
1 课程设计任务和要求 课程设计任务 设计一个三相步进电机控制系统，设计一个计算机步进电机程序控制系统，可以对步进电机的转速、转向以及位置进行控制。通过设计，掌握步进电机的工作原理、掌握步进电机控制系统的设计原理、设计步骤，进一步提高综合运用知识的能力。 要求完成的主要任务: （1）设计接口电路和驱动电路，对步进电机进行控制。 （2）选择控制算法，编写控制程序，实现三相步进电机在双三拍工作方式下先正转90度，然后再反转60度，要求其速度可调，转向可控。 （3）写出设计说明书。 课程任务要求 （1）查阅资料，确定设计方案 （2）选择器件，设计硬件电路，并画出原理图和PCB图 （3）画出流程图，编写控制程序 （4）撰写课程设计说明书 2 步进电机的概述 2.1 步进电机的特点 1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2）步进电机外表允许的温度高。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不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80-90度完全正常。 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。在它的作用下，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。在有负载的
第十三章 步进电机
13.1步进电动机的结构与原理
1.概念：
步进电动机或称脉冲电动机，是一种将输入脉冲信号转换成输
出轴的角位移（或直线位移）的执行元件。步进电动机每输入
一个脉冲信号，便转动一个确定的角度（称为：步距角）。输
出轴转过的总角度是与输入脉冲的个数成正比，输出轴转速与
脉冲的频率和歩距角成正比。 θ ∝ N β
n∝ f
2.结构 定子： 凸极式
控制线圈
定子： 硅钢片叠成
相： 每两个相对的磁极上绕有一个 线圈，构成一相。
三相：六个极，三个绕组，构成三相
13.1 三相反应式步进电动机的结构示意图
转子： 材料：硅钢片或软磁材料 4个凸极、无绕组
3.类别：按励磁方式分为：
反应式：转子无励磁绕组，磁阻式
永磁式：转子为永久磁铁
混合式（永磁感应式）
按输出转矩分类为：快速步进电动机 0.7 Nm~ 4 Nm；
功率步进电动机 T=5 Nm~ 4 0Nm；
4.特点：
θ∝ f
n∝ Nβ
●线性好，无累计误差，可变频调速；
●抗干扰能力强；
●转动惯量小，能快速起动、反转与制动。在一相绕 组通电的情况下有自锁能力。
5.工作原理
（1）工作原理： 电磁铁原理：定子绕组通电，在铁心中产生 磁场，总是力图沿磁阻最小的路径通过。这种磁场力产生力矩， 使转子转动，当达到最短路径的位置则自锁。
定子绕组通电顺序（顺时针）
A
B
C
转子自锁位置
转子顺时针转向
1
0
0
A---1 A’---3
0
1
0
B---2 B’---4
0
0
1
C---3 C’----1
1
0
0
A---4 A’---2
《机电传动控制》课程总复习2016 一、选择题 1、电动机所产生的转矩在任何情况下，总是由轴上的负载转矩和_________之和所平衡。 （ D ）A．静态转矩B．加速转矩C．减速转矩D．动态转矩 2、机电传动系统稳定工作时中如果T M>T L，电动机旋转方向与T M相同，转速将产生的变化是。（ B ）A．减速B．加速 C．匀速D．停止 3、机电传动系统中如果T M 步进电机自动控制系统 设计内容 设计用P C机对四相步进电机，方向，步数及自动化控制系统，并编写汇编程序实现相应轻能。 设计要求 （1）设计控制系统硬件电机。 （2）由8255键盘控制电机的方向，走的步数,并由数码管显示相应的参数。 （3）在命令执行结束后，由PC内部扬声器发出信号提示。 设备与器材 PC机一台，TPC－1实验台一个，并行接口8255一片，步进电机一个，LED数码管4个，74ls164按键11个，GAL芯片一个，74LS245一片。 硬件方案 硬件共分成5个模块：①译码驱动电路，②8255控制键盘模块③8255LED显示模块，④步电机驱动模块，⑤步进电机模块 a) 译码驱动电路 方案一使用适当的门电路来实现不同地址的，用74LS245做数据驱动，缺点： 由于只使用门电路，电路连线非常复杂 方案二使用76LS138和适当门电路实现译码，相对于方案一电路复杂度有一定的改观，在TPC实验箱上使用这种译码方案 方案三使用可编程逻辑器件GAL16V8实现译码功能，用GAL优点：成本低，电路连线少。本设计选择这个方案来实现译码功能。 a)键盘模块 方案一用8255 12个口直接接按键，此方法成本高，不使用行列法，浪费端口，如用行列法只用7个端口。 方案二使用2个74LS273或74LS373控制键盘，其中一个控制行，273反向从键盘中读数据，另一个控制列选，273正向向键盘发数据。 方案三使用7281芯片同时控制键盘和数码，7281通过串行口和总线通信，端口使用少，且操作方便。 方案四PC0~4，PB0~4分别控制16个按键。由于本模块技术已经成熟，在应用中广泛使用，所以本设计选择此方案来实现。 c) LED数码管显示模块 方案一74LS138一片，ULN2803A一片和74HC573一片，来实现显示，74LS138译 码送UNL2083A通过UNL2083A控制位，通过74HC573控制数据，本方案，成本较高，要单片机中有使用比较多。 方案二使用一片8255A控制两个74HC573和一个正相驱动器74LS07和一个反相驱 动器74LS06分别控制4个LED位选和编码数据传输。此方案用到了8255A由于模块②中用到的8255A3个口都以使用，再用一个8255A成本比较高。 方案三通过一个片信号，两个74HC373和一个正相驱动器74LS06和一个反相驱动 器74LS07分别控制3个LED位选和编码数据传输。此方案成本低，但是软件实现的点复杂。 方案四使用4个74HC373和控制4个LED编码数据，用8255A PC高位和总线片选信号控制数据输入位选，由于是静态显示，一般用于1个或2个数码管的显示。 方案五使用4个74LS164，通过串行移位来实现LED显示。成本不高，使用端口少，可以直接通过8255PC7和PB7口，一个做为移位控制，一个送数据。本设计使用此方案 d) 步进电机驱动模块 步进电动机的工作原理及特点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，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 1 步进电机概述 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 2国外的研究概况 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如、、、、都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器部。 总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。 在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形 目录 1 概述 (1) 1.1 PLC控制步进电机研究的意义 (1) 2 基于PLC的步进电机控制系统设计 (9) 2.1 系统的组成及功能 (9) 2.2 步进电机特性 (9) 2.3 PLC介绍 (12) 2.4 步进电机控制系统程序设计 (13) 3 磁头定位 (20) 3.1 硬盘工作原理 (20) 3.2 磁头及定位系统 (23) 4 难题及解决过程 (24) 5 结论 (25) 结束语 (28) 致谢 (29) 参考文献 (30) 附录A (31) 1 概述 1.1 PLC控制步进电机研究的意义 基于步进电动机良好的控制和准确定位特性，被广泛应用在精确定位方面，诸如数控机床、绘图机、扎钢机、自动控制计算装置、自动记录仪表等自动控制领域。 PLC作为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂，价格便宜，可现场修改程序，体积小、硬件维护方便，价格便宜等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。因此，通过研究用PLC来控制步进电动机的，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。以往的步进电动机需要靠驱动器来控制，随着技术的不断发展完善，PLC具有了通过自身输出脉冲直接步进电动机的功能，这样就有利于步进电动机的精确控制。本课题《基于PLC的步进电机磁头定位系统设计》就是利用PLC控制步进电机在硬盘工作时磁头定位的研究。 1.2 国内外关于步进电机和PLC的应用状况 1.2.1 步进电机方面 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。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。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和加速度，从而达到调速的目的。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、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。控制涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前，国内生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只有一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，选用步进电机时应该十分注意以下一些指标。 （1）步进电机的静态指标术语 相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB， 步进电动机概念及其工作原理 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。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，当有脉冲输入肘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。步进电动机按其输出转矩的大小来分，可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般在N·cm级，可以作为控制小型精密机床的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是N·m级的，可以直接去驱动机床的移动部件。步进电动机按其励磁相数，可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相平均电流会高些，仍而使电动机的转速—转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用3～6相的步进电动机。由于步进电动机的转速随着输入脉冲频率变化而变化，调速范围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度较高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用机床上，提高进给机构的自动化水平。步进电动机按其工作原理来分，主要 有磁电式和反应式两大类，这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理，现用下图的步进电动机的简化图来加以说明。 在电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B 相和C相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。首先有一相线圈(设为A相)通电，则转子1、3两齿被磁极A吸住，转子就停留在图5—5a的位置上。然后，A相断电，6相通电，则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场，磁极召的磁场把离它最近的2、4两齿吸引过去，停止在图b的位置上，这时转子逆时针转了30°。再接下去B相断电，C相通电。根据同样道理，转子又逆时针转了30°，停止在图c的位置上。若再A相通电，C相断开，那么转子再逆转30°，使磁极A的磁场把2、4两个齿吸住。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按A→B→C→A→B→C→A→…次序轮流通电，步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次，步进电动机旋转30°，我们把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成A→C→B→A→C→B→…的顺序，则步进电动机将按顺时针方向旋转，所以要改变步进电动机的旋转方向可以在仸何一相通电时进行。 步进电动机 第13章步进电动机传动控制系统 教学内容 13.1 步进电动机 13.2 步进电动机的环形分配器 13.3 步进电动机的驱动电路 13.4 步进电动机的运行特性及选用中应注意的问题 教学安排 本章安排2个学时，采用多媒体授课。 知识点及其基本要求 1．掌握步进电动机步矩角和步进电动机转速的数学表达式及其物理意义； 2．掌握步进电动机的结构、运行特性及影响因素。 重点和难点 重点 掌握步进电动机的通电方式和主要性能指标。 难点 步进电动机的矩角特性和矩频特性。 教学设计 1.了解步进电动机的结构和工作原理，掌握步进电动机的通电方式和求解步距角与转速的公式。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移 或线位移的机电执行元件。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。 (1)步进电动机的结构 右图所示为一台三相反应式步进电动机的 结构示意图，定子有6个磁极，每两个相对 的磁极上绕有一相控制绕组。转子上装有四个 凸齿。 图13-1 步进电动机结构图 （2）步进电动机的基本工作原理 步进电机的工作原理同电磁铁的工作原理，磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点。 图13-2 三相反应式步进电动机的工作原理图 通电顺序A-B-C-A，转子便按顺时针方向一步步转动。每换接一次，转子前进一个步距角。通电顺序改为A-C-B-A便可反向旋转。 （3）步进电机的通电方式 三相单三拍 通电顺序：A-B-C-A或A-C-B-A，步距角30度（齿距90度） 特点：每次只有一相控制绕组通电吸引转子，易引起在平衡位置振荡，稳定性差，绕组通电换极时易失步。 双三拍 通电顺序：AB-BC-CA-AB或反过来，步距角30度（齿距90度） 特点：始终有两相通电，感应力矩大，静态误差小，定位精度高，工作稳定，不易失步。 三相六拍 通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A步，距角15度（齿距90度）或A-AB-B-BC-C-CA-A 特点：单、双相轮流通电，通电状态增加一倍、步距角减少一半，但具有双三拍的特点。 （4）小步距角步进电动机 步距角步进电机的一般要求:转子齿数Z必须满足当一相磁极下定子与转子齿数相对时,下一磁极下定子与转子齿的位置错开齿距的1/m,m为相数。 机电传动控制复习提纲 第一章机电传动的动力学基础 1.机电传动运动方程的几种形式 2.1、2.2、2.3题 2.飞轮矩、转动惯量的折算 2.7、2.8 3.机电传动系统稳定平衡点的判断 2.11 第三章直流电机的工作原理与特性 1.基本方程 电动势方程：E k e n 电磁转矩方程：T k t I a 电枢回路电动势平衡方程：U E I aR 2.固有机械特性与人为机械特性（电枢串接电阻、改变电枢电压、改变磁通）的曲线与特点 3.计算题类型：3.10、3.15；分析题类型：3.21 第四章机电传动系统的过渡过程（略） 第五章交流电动机的工作原理及特性 1.固有机械特性（式5.27）与人为机械特性（降低电源电压、定子回路串接电阻或电抗、改变电源频率、转子回路串接电阻） 2.交流电机启动方法 3.三相异步电动机调速特性（式5.36） 4.单相异步电动机工作原理 5.计算题类型：5.6、5.11 第六章控制电机 1.两相交流伺服电机消除自转的方法 第七章机电传动控制系统中常用的检测元件 略 第八章继电器-接触器控制 1.继电器-接触器控制的基本线路 （直接启动、转子串接电阻启动、正反转控制、Y—△接法降压启动） 例题：8.18 第九章PLC控制 1.PLC基本结构 2.PLC等效继电器 3.梯形图编程 4.例题：三相异步电机启停控制、三相电机正反转控制、三相电机Y-△启动控制、搬运机械手控制 《机电传动控制》复习重点 第2xx机电传动的动力学基础 机电传动系统的运动方程式 会判断驱动力矩和负载力矩的正负号 并能够根据该方程式判断机电系统的运动状态 动态转矩的概念 机电传动的负载特性 什么是负载特性：电动机轴上的负载转矩与转速之间的关系 4种典型的负载特性曲线 恒转矩负载包括反抗性恒转矩负载和位能性负载 机电传动稳定运行的条件 充分必要条件 掌握判断稳定工作点的方法 第三章直流电机的工作原理及特性 直流电机既可以用作电动机也可以用作发电机 任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应的基础上的 直流电机做发电运行和电动运行时都会产生电动势E和电磁转矩T，但是不同的运行方式下其作用是不同的 电势平衡方程 力矩平衡方程 并励发电机电压建立的三个条件是什么？ 电气工程学院课程设计说明书 设计题目： 系别： 年级专业： 学号： 学生姓名： 指导教师： 电气工程学院《课程设计》任务书课程名称：电气控制与PLC课程设计 基层教学单位：电气工程及自动化系指导教师： 2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。 电气工程学院教务科 摘要 PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。本设计是用PLC做三相六拍步进电机的控制核心，用按钮开关来实现对步进电机正、反转运行控制，而且正、反转切换无须经过停车步骤。其次可以通过对按钮的控制来实现对高、低速度的切换控制。 关键词：PLC控制三相六拍正反转运行高低速运行 目录 封皮 (1) 任务书 (2) 摘要 (3) 目录 (4) 第一章三相六拍步进电机的PLC控制及要求 (5) 1.1步进电机的工作原理 (5) 1.2三相六拍步进电机控制要求 (5) 1.3 步进电机的驱动 (6) 第二章参数选择 (7) 2.1 三相六拍步进电机的参数选择 (7) 2.2 PLC的选择 (7) 2.3 功率放大电路参数选择 (7) 第三章整体设计 (7) 3.1 PLC的I/O端口分配表 (7) 3.2 硬件接线图 (8) 3.3 程序流程图 (8) 3.4 状态转移图 (9) 3.5 步进梯形图 (10) 3.6 时序图 (12) 总结 (13) 参考文献 (14) 评审意见表 (15) 第一章三相六拍步进电机的PLC控制及要求 1．1步进电机的工作原理 电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60o。各磁极上套有线圈，连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为θE=360o/40=9o，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3o。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3o；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用， 毕业设计（论文） 学院 专业 姓名 XX大学 毕业设计（论文）任务书 前言 随着现代工业自动化的日益发展，电动机作为重要的电器元件，被广泛的应用在各种自动化控制系统中。步进电动机由于其具有易于电脑操作、步数误差小、精度高、使用系统时间长和成本低等优点，被广泛应用于工业控制中。其中五相混合式步进电机总体性能优于其它种类的步进电动机，是工业上应用最为广泛的步进电动机品种，被广泛的应用在各个领域中。所以对五相步进电动机实现自动化是工业自动化的必然趋势。打印机作为计算机的输出设备之一，运用步进电动机作为打印机的字车动力源和走纸机构，通过牵引机构将步进电动机的转动转变为走纸移动，可以实现打印纸的纵向移动，因其要求精度比较高，所以，打印机的走纸结构能够使用五相步进电动机来控制。对五相步进电动机的使用，工业中应用比较广泛，但大都应用于高精度的机床控制系统中，整个系统比较庞大，所以，本文以步进电动机在的打印机中的精密控制为背景介绍使用PLC控制五相步进电动机按照给定频率自动运行和自由调速的模拟控制方法。 摘要 主要阐述了以五相步进电动机在针式打印机走纸结构中的应用为背景，介绍了一种用三菱FX-2N系列PLC实现对规格型号90BYG550A-0301的五相步进电动机控制的方法，利用PLC产生脉冲信号对五相步进电动机进行模拟控制，实现对五相步进电动机五个绕组的通电状态，达到五相步进电动机按照固定速度的循环自动运行的目的，并实现步进电动机正反转和调速控制。用PLC控制五相步进电动机驱动针式打印机的走纸结构控制纸张的进退，实现打印机的打印工作。基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，定位精度搞，参数设置灵活等有点，在工业过程控制中使用可靠性高，监控方便。本设计还包括步进电动机的工作原理和特点，PLC的主要功能和应用，各硬件软件元件的介绍选择以及控制程序的编程方法。 关键字：五相步进电动机，PLC控制 基于单片机的步进电机驱动控制系统的设计 发表时间：2017-06-13T14:46:19.210Z 来源：《电力设备》2017年第6期作者：李广军[导读] 摘要：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。 （天津松正电动汽车技术股份有限公司, 天津 300308） 摘要：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。因此，研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制，利用单片机自身的定时中断，来达到对步进电机的连续调速进行分析，并采用优化合理的步进电机驱动电路，以实现将外围器件有机结合。 关键词：单片机,步进电机,控制系统 1 引言 步进电机作为一种优秀的动力给予设备可以说在当今社会的各个领域中无处不在。随着工业生产水平的不断发展,以步进电机作为控制核心的传动设备在工业控制等领域得到了广泛的应用,包含机器人、工业电子自动化设备、医疗器件、广告器材、计算机外部应用设备等领域,步进电机的影子无处不在。中国作为一个制造业大国,生产车间中的流水线是企业完成产品组装和产品加工的重要场所,而步进电机在流水线设备中起到的动力作用至今仍然无法替代。 本课题的研究思路即为:采用单片机作为控制核心,实现对步进电机的精确控制。并将这种控制系统应用在生产车间的流水线传动设备中,增加了该控制系统的实效性和操作性。同时,由于单片机的高速性和精确性使得系统的设计在大为简化的同时又能实现精确控制,且应用成本低廉,因此可广泛应用在各行各业领域中。 2 步进电机驱动控制系统框图 步进电机控制系统有着精确控制、运行稳定的特性,这一其他电机不能比拟的优势使得步进电机得到了广泛的应用。而一般对步进电机控制系统的驱动必须要包含脉冲信号发生部分,功放部分和驱动控制部分等几个模块电路,我们根据这些通过的模块电路,可将步进电机控制系统的通用框图绘制如下: 在图2-1的步进电机驱动控制系统方框图中,控制步进电机运行状态的脉冲信号一般由集成芯片产生,可以是单片机、PLC等智能芯片,也可以是一般的数字电路集成芯片。信号分配环节则要根据步进电机的型号来选择,如四相步进电机有四相四拍和四相八拍2种信号分配的方式;两相步进电机有两相四拍和八拍等脉冲加载形式。功放部分在驱动环节上显得尤为重要。动态平均电流是步进电机转矩大小的决定因素,前提条件是电机的速度。电机力矩与平均电流成正比,驱动系统对电机的反电势消弱越多,则平均电流就越大。 我们一般可以用恒压和恒压串电阻的方法来驱动,或者在条件允许的情况下我们可以用高低压驱动、恒流和细分数等方法来驱动.实际的应用过程种,多采用数字集成驱动芯片作为步进电机的驱动手段。 由于步进电机是典型的脉冲控制运转设备,而8051系列单片机以其I/O口多,体积小,成本低廉,外围电路连接方便,可编程控制等综合优势越来越多的被引入到步进电机控制系统中使用,逐渐成为国内外控制步进电机的主流方式。本文所设计的步进电机驱动控制系统也是以8051单片机为核心的嵌入式开发控制系统。 3 步进电机驱动控制系统功能 基于单片机的步进电机驱动控制系统是一个实际应用与工业生产的系统。本设计在综合考虑系统设计等各方面因素后,明确该系统应具备如下功能: 硬件部分(1)单片机和步进电机运行所需的平稳电压;(2)液晶显示模块;(3)控制步进电机运行状态的键盘;(5)时钟电路与复位电路;(6)步进电机运行的驱动和功率放大电路设计;(7)用PROTEUS对整个系统进行硬件设计、仿真和对系统输出进行测试。 软件部分(1)系统复位初始化;(2)键盘扫描与处理;(3)液晶显示器初始化扫描程序;(4)定时器中断服务程序;(5)步进电机正转控制程序;(6)步进电机反转控制程序;(7)步进电机加速控制程序;(8)步进电机减速控制程序;(9)步进电机停转控制程序;(10)步进电机运行节拍控制程序。 4 步进电机驱动控制系统原理 本系统以AT89C51单片机作为核心,通过外部扩展其他硬件完成对步进电机运行状态的显示。AT89C51单片机有40个引脚,我们用P1 口的P1.0-P1.4引脚扩展步进电机运行状态控制键盘,设计完成后,包括停止、正转、反转、加速、减速一共五个按键。P0.0,P0. 1, P0.2,P0. 3四个引脚分别和与非门芯片7404的输入端相连用于扩展步进电机运行的驱动控制芯片-ULN2003A。P2口所有引脚和P3口的部分引脚用于外接AMPIRE128*64液晶显示模块。P2口连接AMPIRE128*64液晶显示模块的DB0-DB7,用于单片机和液晶显示模块的数据传输,P3. 2,P3. 4, P3. 5分别与AMPIRE128*64液晶显示模块的RS,R/W, E相连完成数据的显示,具体来说:。R/W为读写信号线,RS为数据指令选择端,E端为使能端子。在实际工作时,当R/W为低电平,E为信号下降沿时锁存DB0-DB7的数据;R/W为高电平,E为信号上升沿时,DDRAM的数据读到DB0-DB7中。P3.0,P3. 1分别与液晶显示模块的CS1 (左半屏片选端)和CS2 (右半屏片选端)相连用于对液晶模块的显示进行编程设置。 步进电机驱动控制部分采用专用芯片ULN2003A进行控制,其输出管脚1C一4C连接四相六线步进电机的相序控制端。COM端连接+12V 电源用于对其工作进行供电。当然IJLN2003A在接入单片机控制脉冲时必须连接限流电阻,。由于单片机和步进电机的供电电压分别是+5V 和+12V,因此本系统电源部分采用的是双电源供电电路,即釆用一套供电电路,分别输出+5V和+12V电压给系统供电。具体设计上采用从220V 市电引入交流电,通过变压器降压得到约15V的交流信号,再通过二极管进行桥式整流得到直流信号,通过滤波电路先与LM7812芯片相连得到+12V电压,再经过滤波处理与LM7805芯片相连得到+5V电压。在实际制作电源PCB电路板的时候,由于电源部分釆用双电源供电且含有较强的交流信号,干扰较大,考虑到步进电机控制系统的稳定性,因此对电源部分单独成板。 本模块由45BC340C型步进电机及其驱动电路组成。 (一步进电机: 一般电动机都是连续旋转,而步进电动却是一步一步转动的,故叫步进电动机。每输入一个脉冲信号,该电动机就转过一定的角度(有的步进电动机可以直接输出线位移,称为直线电动机。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移(或直线位移的执行元件。 步进电动机的转子为多极分布,定子上嵌有多相星形连接的控制绕组,由专门电源输入电脉冲信号,每输入一个脉冲信号,步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号,输出的角位移是断续的,所以又称为脉冲电动机。 随着数字控制系统的发展,步进电动机的应用将逐渐扩大。 步进电动机的种类很多,按结构可分为反应式和激励式两种;按相数分则可分为单相、两相和多相三种。 图1 反应式步进电动机的结构示意图 图1是反应式步进电动机结构示意图,它的定子具有均匀分布的六个磁极,磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组,联法如图所示。 模块中用到的45BC340型步进电机为三相反应式步进电机,下面介绍它单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。 1、单三拍通电方式的基本原理 设A相首先通电(B、C两相不通电,产生A-A′轴线方向的磁通,并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下,转子总是力图转到磁阻最小的位置,也就是要转到转子的齿对齐A、A′极的位置(图2a;接着B相通电(A、C 两相不通电,转了便顺时针方向转过30°,它的齿和C、C′极对齐(图2c。不难理解,当脉冲信号一个一个发来时,如果按A→C→B→A→…的顺序通电,则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。 图2 单三拍通电方式时转子的位置 2、六拍通电方式的基本原理 设A相首先通电,转子齿与定子A、A′对齐(图3a。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力,使转子顺时针方向转动,但是A、A′极继续拉住齿1、3,因此,转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3b所示,即转子从图(a位置顺时针转过了15°。接着A相断电,B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐(图c,转子从图(b的位置又转过了15°。 文献综述 电气工程及其自动化 步进电动机的微机控制 前言：进电动机属于DC驱动的同步电动机，它是纯粹的数字控制电动机。它是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展推动了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。 步进电动机系统是由步进电动机及其驱动控制电路构成的。近二十年来,电力电子技术、微电子技术和微处理器技术的飞速发展，极大地推动了步进电动机驱动控制技术的进步，并使之在不断完善中趋于成熟。步进电动机驱动控制技术的发展，在使得步进电动机系统获得更加广泛应用的同时，也使得步进电动机与其驱动电路装置日益成为不可分割的一个整体。步进电动机驱动电路的合理设计与改进，需要对步进电动机运行机理和具体结构设计的透彻了解与深入分析。同时，步进电动机系统的性能和运行品质在很大程度上取决于其驱动电路的结构与性能，同一台电动机配以不同类型的驱动电路，其性能会有较大差异。抛开驱动电路来谈步进电动机的性能是不完全的。 步进电动机主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表、和磁盘等等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备如打印机、绘图机等中亦有应用。 正文：国内外关于步进电动机的研究主要在它本身的性能提高，应用领域的不断拓广，电动机外形的改变和不同的更先进的控制方式。 1、步进电动机的发展历史与概要。 步进电动机的发展过程 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用、其原始模型起源于1830年至1860年间。1870午前后开始以控制为目的的尝试、应用于氮弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电动机。 此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞步进电机自动控制系统
步进电动机的工作原理与特点
基于PLC三相步进电动机控制系统设计(三相步进电动机PLC控制系统)
步进电动机概念及其工作原理
第13章 步进电动机传动控制系统
机电传动控制期末试题
三相六拍步进电机FX2NPLC控制
五项步进电动机的控制
基于单片机的步进电机驱动控制系统的设计
三相步进电机原理与控制方法资料(精)
文献综述-步进电动机的微机控制
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