毕业设计论文基于ASIC芯片步进电机控制器设计.doc

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1、 2012届毕业设计任务书一、课题名称：基于ASIC芯片步进电机控制器设计二、指导老师：王 勇 三、设计内容与要求1、课题概述步进电动机的技术已很成熟，特别适合于小功率开环定位系统，至今还没有能取代它的更适合产品，今后将继续稳步发展和完善化在功率稍大和要求高响应高速度的系统，则更多地让位给交流伺服系统。在现代工业控制和医疗器械中广泛的使用，但是目前主要是应用单片机进行时序控制，在应用现成的驱动器，这样势必会提高仪器仪表的成本和使用范围，本毕业设计针对ASIC芯片来进行一个三相步进电机控制和驱动系统，系统结构简单，体积小，成本低，移植性强。 2、设计内容与要求（1）.确定设计方案，绘制方框图；（

2、2）.设计各部分电路，要求在一片ASIC芯片上实现主控制功能，驱动电路可另行设计实现，在保证实现基本功能和主要技术指标的前提下注意降低成本，以获取较高的性价比；（3）.分析各单元电路的工作原理和特性；（4）.画出整机电路图，用QUARTUS II软件仿真所有子电路，并在实际电路板上调试实现功能，说明电路调试的基本方法；（5）.要求设计键盘控制功能具有启动/停止、连续/单步、正转/反转、8档加速/8档减速等功能，且能消除键盘抖动；（6）.可以使用矩阵键盘或者独立键盘。3、技术指标：（1）.芯片选择：CPLD中的MAX II某种芯片；（2）.步进电机：三相步进电机；（3）.驱动功率：加驱动芯片UL

3、N2003达5W；（4）.逻辑工作电压：DC5V，驱动电压12V（5）.步进精度或角度：3（6）.使用环境：-2085。（7）.要求控制与驱动之间加光耦隔离四、设计参考书及参考网址1、潘松主编EDA技术与VHDL，清华大学出版社2、唐亚平主编EDA技术应用，化学工业出版社3、宋振辉主编EDA技术与VHDL，北京大学出版社4、徐志军 王金明 尹廷辉编蓍EDA技术与VHDL设计，电子工业出版社5、参考网址：五、设计说明书要求1、 封面2、 目录3、 内容摘要(200400字左右，中英文)4、 正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点）5、 结束语6、 附录(参

4、考文献、图纸、材料清单等)六、设计进程安排第 1 周： 资料准备与借阅，了解课题思路。第2-3周： 设计要求说明及课题内容辅导，完成图纸初稿。第4-6周： 进行毕业设计，完成说明书初稿。第7周： 指导老师检查毕业设计完成情况，作好毕业答辩准备。第 8 周： 毕业答辩与综合成绩评定。七、毕业设计答辩及论文要求1、毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键

5、问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。 2、毕业设计论文要求文字要求：说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求：按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文）摘 要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

6、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。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MC，Macro Cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并

7、具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。本文设计了以CPLD作为核心器件种基于它的步进电机控制系统。极大地减少了外围元件的使用。具有系统扩展性能好、可靠性高、抗干扰能力强、结构简单、成本低廉，不占用CPU时间、易于高速控制等优点。步进电机可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率实现调速、快速起停、正反转控制等。利用了这些优点实现了CPLD步进电动机控制系统的可靠工作。 关键词：步进电机，控制器，CPLD。 IABSTRACTStepping motor is electrical impulses signal into a angular displac

8、ement or line displacement of open-loop control components。 In the overload of the circumstances, motor speed, stop location depends only on the pulse signal frequency and pulse count, and not under the influence of load changes, i.e. give motor add a pulse signal, motor is turned a step distance ho

9、rns。 This first sexual relationship exists, plus the stepping motor only cyclical error without accumulative error, etc。Made in speed, such as the position control field with stepper motor to control becomes very simple 。Stepping motor speed control is generally change input of the stepper motor pul

10、se frequency to achieve the stepping motor speed control, because the stepping motor for every onepulse is turning a fixed Angle, which can through controlling the step motor is a pulse to the next pulse intervals to change pulse frequency, delay to the length of the specific control stepping horn t

11、o change motor speed, so as to achieve the stepping motor speed control 。This article designed one kind to step-by-step the motor control system based on CPLD. It takes the core component by CPLD, reduced the periphery parts use enormously. Has the system expansion performance to be good, the reliab

12、ility is high, ant jamming ability is strong, the structure is simple, the cost is inexpensive, Does not take merits and so on CPU time, easy high-speed control. Step-by-steps the electrical machinery to be possible to realize the velocity modulation in the broad frequency range through the change t

13、he change pulse frequency, to be fast stops, is reversing the control and so on. Has realized CPLD using these merits to step-by-step the motor control systems reliable work. Key word: Step-by-steps the electrical machinery, the controller, CPLD II目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 课题的背景及其意义11.2步进电机的工作原理2

14、1.3 主要完成的工作3第2章 设计概述42.1 设计要求与内容42.2 技术指标4第3章 基于ASIC芯片的步进电机控制器的方案设计53.1 整体设计框图53.2方案设计与选择53.2.1 方案一基于数字电路芯片的步进电机控制方案53.2.2 方案二 基于DSP的步进电机控制方案63.2.3 方案三 基于单片机的步进电机控制方案73.2.4 方案四 基于CPLD器件步进电机控制器的设计方案73.2.5 方案的选择8第4章 硬件电路的设计104.1 相关理论知识介绍104.1.1 MAXII芯片的介绍与所用型号104.1.2 步进电机的介绍与选择114.1.3 控制电路设计164.1.4 驱动

15、芯片ULN2003简介164.1.5 步进电机的驱动电路及原理17第5章 系统软件设计185.1 控制器组成框图185.2 软件设计195.3 软件设计模块205.3.1 分频计数器模块205.3.2 按键扫描触发消抖编码模块215.3.3 控制信号产生模块215.3.4 环形脉冲分配模块235.4 脉冲分配表245.5 编译与调试24第6章 结束语25第7章 致 谢26参考文献27附录 28附录A 控制电路原理图28附录B 程序清单32附录B-1 分频计数器模块32附录B-2 控制信号产生模块33附录B-3 扫描触发消抖编码模块35附录B-4 环形脉冲分配模块38第1章 绪 论1.1 课题的

16、背景及其意义步进电机是电机家族的“婴儿”，20 世纪 60 年代早期才开始流行。最初构想是作为昂贵的位置控制应用中伺服电机的低成本替代产品，而新兴的计算机工业迅速将其采用到外设应用当中。步进电机的主要优势在于能提供开环位置控制，而成本只是需要反馈的伺服系统的几分之一。在过去，步进电机有时被误称为“数字”电机，因为它们常用正交方波驱动。但是，对这些电机的这种狭隘看法常常会在以后的项目开发过程中导致大难题。步进电机像其它磁“模拟”电机一样产生扭矩。多数步进电机的阻尼因数很低，导致一定步频下的欠阻尼运行和对谐振问题的敏感度。这些问题常常使步进电机比其它电机拓扑更难对付。多数步进电机采用双凸极设计，转

17、子和定子结构上均有齿。如同 BLDC 或 PMSM 电机，永久磁性位于转子上，电磁包含在定子中。多数设计包含 2 个定子相位，由正交相位信号独立驱动。驱动这些相位有许多方法，包括全步进、半步进或微步进，取决于使用的控制技术。每种情况下都会确定子磁通矢量，转子上的磁性将尝试与该矢量保持一致。由于转子和定子的齿数不同，产生的移动或步进可能极小。对齐之后，定子电流立即按这种方式发生变化，以增加定子磁通矢量角度，从而使电机移动到下一个步进。由于多数应用中没有位置反馈，转子磁通可以与定子磁通保持一致，这会产生无助于电机运行的定子电流。因此，步进电机没有其它常用电机那样有效。步进电机是将电脉冲信号转变为角

18、位移或线位移的开环控制元步进电机件。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，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。步进电机的驱动电路根据步进电机控制器发出的信号工作，步进电机控制器的信号由单片机产生。步进电机控制器控制步进电机的转向，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。 步

19、进电机控制器控制步进电机的速度 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。步进电机控制器应用广泛,可用于内圆切片机,排线机,车边机,眼镜机,定长控制,包装等机械上面。1.2步进电机的工作原理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

20、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。 目前,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。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。三相发电机主要是三

21、相交流同步发电机。其转子通常为直流励磁线圈产生的电磁铁，为发电机工作提供磁场。定子是在空间互差120度电角度的三相交流绕组（按照一定规律连接的线圈组称为绕组）。直流电且由原动机带动三相同步发电机的转子旋转时，转子磁场对定子的三相绕组有相对运动，定子的三相绕组就感应三相交流电。调节转子线圈通入直流电流的大小，可以改变定子的三相绕组电压的大小，改变原动机的转速，可以改变定子的三相绕组电压的频率。步进电机及驱动电源是互相联系的整体。步进电机驱动电源框图如图所示。变频信号源产生频率可调的脉冲信号，调节步进电机的速度。脉冲分配器则根据要求把脉冲信号按一定的逻辑关系加到脉冲放大器上，使步进电机按确定的运行

22、方式工作。时钟在步进电机作为执行元件的计算机控制系统中，变频信号源往往通过计数器来实现，脉冲分配则由扩展的并行接口芯片或GAL芯片来实现。这种方法的优点是电路结构成熟、软件编程简单、控制灵活、能实现图1中的变频信号源与脉冲分配器的作用。但它的缺点是集成度不高，硬件电路结构复杂，占用CPU的时间过多，变频信号源脉冲分配器脉冲放大器步进电机时钟可靠性不高。图1-1 步进电机驱动电源框图1.3 主要完成的工作本设计共分为7章，其中第一章为绪论，主要阐述了课题的研究背景以及意义。第二章主要介绍了设计要求与技术指标。第三章描述了ASIC芯片的步进电机控制器，其中主要涉及到步进电机的整体设计框图以及方案的

23、设计与选择。第四章主要介绍硬件电路的设计，其中包括硬件的设计和芯片的介绍。第五章详细地介绍了软件个模块。第六章作为结束语，阐述了制作本文档的心得以及收获。第七章致谢词，感谢老师和组员们的祝福，以及预祝自己本次答辩顺利通过！9第2章 设计概述2.1 设计要求与内容（1）.确定设计方案，绘制方框图；（2）.设计各部分电路，要求在一片ASIC芯片上实现主控制功能，驱动电路可另行设计实现，在保证实现基本功能和主要技术指标的前提下注意降低成本，以获取较高的性价比；（3）.分析各单元电路的工作原理和特性；（4）.画出整机电路图，用QUARTUS II软件仿真所有子电路，并并在实际电路板上调试实现功能，说明

24、电路调试的基本方法；（5）.要求设计键盘控制功能具有启动/停止、连续/单步、正转/反转、8档加速/8档减速等功能，且能消除键盘抖动；（6）.可以使用矩阵键盘或者独立键盘。2.2 技术指标 （1）.芯片选择：CPLD中的MAX II某种芯片；（2）.步进电机：三相步进电机；（3）.驱动功率：加驱动芯片ULN2003达5W；（4）. 逻辑工作电压：DC5V，驱动电压12V；（5）.步进精度或角度：3（6）.使用环境：-2085；（7）.要求控制与驱动之间加光耦隔离。第3章 基于ASIC芯片的步进电机控制器的方案设计3.1 整体设计框图图3-1整体设计框图3.2 方案设计与选择步进电机是将电信号转化

25、为角位移的装置。步进电机控制器目前主要有四种方式实现，分别为基于数字电路芯片的控制器、基于DSP控制的控制器、基于单片机控制的控制器、基于CPLD器件来设计ASIC的步进电机控制器。CPLD、FPGA实现的通常是纯数字系统，适于处理大量的逻辑和时序问题，速度快；单片机则善于处理大量的数据和复杂的运算，而且经常可以很方便地构成模拟数字混合系统。步进电机的数字化控制将是步进电机控制器未来发展的必然趋势。下面具体介绍四种控制方案。3.2.1 方案一基于数字电路芯片的步进电机控制方案基于数字电路芯片的步进电机控制方案，如图3-2，步进电机控制系统主要有步进电机控制器、功率放大器及步进电机组成。步进电机

26、控制是有缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成的。他的作用就是能把输入的脉冲转换成环型脉冲，以便于控制步进电机，并能进行正、反向控制。功率放大器的作用就是把控制器输出的环型脉冲加以放大，驱动步进电机转动。功率放大步进电机脉冲分配振荡脉冲方向控制图3-2 步进电机控制器系统的组成 这种控制方式在步进电机控制器的早期历史阶段，起到了一定的作用，并满足了当时的控制器要求。但随着生产要求的提高，基于此芯片控制的方案其缺点日益凹现。一方面表现在技术上满座不了生产的需求，另一方面元件太多容易出故障。3.2.2 方案二 基于DSP的步进电机控制方案基于DSP的步进电机控制方案，如图3-3，步

27、进电机控制系统由微处理器、脉冲分配器、驱动电路组成。微处理器是产生脉冲，对机器下达命令。脉冲分配器则是分配命令，指导机器运行，其中转向控制利用DSP的PWM口的“强制高”输出（正转）“和强制低”输出（反转）来说实现。步进电机的速度控制是通过控制DSP发出的步进脉冲频率来实现的。通过控制DSP定时器的周期值来控制步进脉冲的频率。步进电机脉冲分配器隔离驱动电路TMS 320LF2407 A 步进脉冲 方向控制图3-3 DSP控制四相步进电机原理图 该方法灵活性好，抗干扰能力强，运算速度快，能实现复杂的控制系统所需求的高速度信号处理。但由于其开发工具价格高，使得DSP芯片的价格较高，对于简单的控制系

28、统而言，采用DSP控制显得大材小用。目前该方案只适用于精度要求高的场所。3.2.3 方案三 基于单片机的步进电机控制方案基于单片机的步进电机控制方案如图。常用的步进电机控制系统，控制核心是微处理器，常用的8051单片机片内没有PWM模块需要外接8253等芯片产生脉冲信号（一般为方波信号），大带有PWM（plus Width Module）模块的单片机则可以直接输出脉冲信号但占用软件资源较多。脉冲信号的频率控制步进电机的转速，脉冲信号的个数又控制着步进电机的转角。因此，有需要一个计数器8253对脉冲个数产生脉冲信号。驱动器部分可以对步进电机的步数进行细分并驱动电机。系统工作时，单片机需先通过计算

29、设定计数器1和计数器0的相关参数才能保证电机的正常运行，增加了软件的运行时间，降低了系统效率，并且8253器件技术范围有限（16位计数器），不能产生高频，多个数的脉冲信号。步进电机驱动器单片机8051计数器8253数据总线脉冲波形计数器8253步进电机图3-4 单片机控制步进电机原理图3.2.4 方案四 基于CPLD器件步进电机控制器的设计方案 如图3-5，本文讨论了一种基于CPLD（Complex Programmable Logic Device）复杂可编程逻辑器件的步进电机控制器设计，应用一个低成本CPLD 器件，就可以解决单片机PWM软件编程和8253对脉冲计数的问题。CPLD中设计了

30、一个PWM模块和一个计数模块，单片机只需对CPLD中的寄存器进行访问，就可以产生一定频率，一定占空比和一定个数的脉冲信号。可以降低单片机的软件开销，提高系统效率。计数模块可采用32位计数器，因此对高频多个数的脉冲信号也有较好的支持。步进电机驱动器数据总线CPLD步进电机控制器步进电机脉冲波形单片机8051图3-5 CPLD控制电路原理基于CPLD器件步进电机控制器的设计方案如图，由于单片机在抗干扰能力方面不如CPLD，故吧主要任务交给CPLD完成，单片机主要完成计算功能，将设置数据计算后，输出插补器所需数据，插补器和环形分配器的实现在CPLD种完成。它具有可靠性强，抗干扰能力强，系统维修方便、

31、能耗低、高编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点。3.2.5 方案的选择（1）从技术上看，方案一、方案二、方案三和方案四都可以实现对步进电机的控制。方案一利用数字电路芯片的逻辑关系对脉冲进行分配，实现对步进电机的控制。但随着生产要求的提高，它的灵活性和通用性满足不了生产的需求。方案二基于DSP芯片的控制，由于DSP具有丰富的资源和强大的运算能力，目前该方案只适用于精度要求高的场所。而方案三里面常用的8051单片机片内没有PWM模块，需要外接8253等芯片产生脉冲信号（一般为方波信号），

32、大带有PWM（plus Width Module）模块的单片机则可以直接输出脉冲信号但占用软件资源较多。脉冲信号的频率控制步进电机的转速，脉冲信号的个数又控制着步进电机的转角。因此，有需要一个计数器8253对脉冲个数产生脉冲信号。驱动器部分可以对步进电机的步数进行细分并驱动电机。系统工作时，单片机需先通过计算设定计数器1和计数器0的相关参数才能保证电机的正常运行，增加了软件的运行时间，降低了系统效率，并且8253器件技术范围有限（16位计数器），不能产生高频，多个数的脉冲信号。方案四，应用一个低成本CPLD 器件，正好解决了单片机PWM软件编程和8253对脉冲计数的问题。它具有可靠性强，抗干扰

33、能力强，系统维修方便、能耗低、高编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点。（2）从经济上看，数字电路芯片价格较低，而DSP由于其开发工具价格高，导致其价格较高。对于方案三来说，价格处于方案一和方案二之间，比数字芯片电路高，但相比DSP较低，而方案四略低于方案三。 所以综合以上观点，从芯片的性价比来考虑，选用方案四即基于CPLD器件的步进电机控制方案为此次设计的主要方案。第4章 硬件电路的设计4.1 相关理论知识介绍4.1.1 MAXII芯片的介绍与所用型号Altera的MAX II 系列

34、CPLD是有史以来功耗最低、成本最低的CPLD。MAX II CPLD基于突破性的体系结构，在所有CPLD系列中，其单位I/O引脚的功耗和成本都是最低的。随着MAX IIZ的推出，有三种型号产品都使用了同样的创新CPLD体系结构：MAX II CPLDMAX IIG CPLDMAX IIZ CPLD这一瞬时接通的非易失器件系列面向蜂窝手机设计等通用低密度逻辑应用。不但具有传统CPLD设计的低成本特性，MAX II CPLD还进一步提高了高密度产品的功耗和成本优势，这样，您可以使用MAX II CPLD来替代高功耗和高成本ASSP以及标准逻辑CPLD。MAX II 器件系列的高级特性MAX II

35、 CPLD支持高级功能集成，以降低系统设计成本。这一部分介绍MAX II CPLD的高级特性。低功耗十分之一的功耗 (和前一代3.3V MAX器件相比)1.8V内核电压降低了功耗，提高可靠性。CPLD业界最低的待机规范，大大延长了电池供电时间。自动启动/停止功能，CPLD不使用时关断。低成本体系结构以一半的价格实现四倍的密度 (和前一代 MAX 器件相比)通过设计，减小了管芯面积，单位I/O引脚成本在业界是最低的。高性能支持高达300 MHz的内部时钟频率性能加倍(和3.3-V MAX器件相比 )。独特的特性板上振荡器和用户闪存不需要分立振荡器或者非易失存储器，减少了芯片数量。实时在系统可编程

36、能力(ISP)器件工作时，可下载第二个设计。降低了远程现场更新的成本。灵活的MultiVolt内核片内电压稳压器支持3.3-V、2.5-V和1.8-V供电减少了电源数量，简化了电路板设计。并行闪存加载程序宏功能提高了板上不兼容JTAG闪存的配置效率通过MAX II 器件实现JTAG命令，简化了电路板管理。I/O能力MultiVolt I/O支持和1.5-V、1.8-V、2.5-V以及3.3-V逻辑电平器件的接口施密特触发器、可编程摆率和可编程驱动能力提高了信号完整性。使用方便的软件Altera免费的Quartus II 网络版软件支持所有的MAX II CPLD，优化了引脚锁定适配，提高了性能

37、。Quartus II 软件中新的MAX+PLUS II “look-and-feel”选项增强了软件的易用性。根据任务要求：芯片选择：CPLD中的MAX II某种芯片；逻辑工作电压：DC5V，驱动电压12V使用环境：-2085。我们选择了Altera公司生产的CPLD器件MAX II 系列中的AT488芯片进行本次设计的芯片。4.1.2 步进电机的介绍与选择步进电动机是一种能将数字的电脉冲转换成模拟的输出轴运动的理想数字控制元件。它在机电一体化系统中经常用作开环的运动控制因为它具有结构简单、价格便宜、工作可靠、维修容易等一系列优点。 步进电动机又称脉冲电动机。它采用变磁阻原理产生电磁转矩，将

38、数字电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动。旋转式步进电动机的输出轴以等增量的转角响应输入脉冲序列。当控制合适时，每输入一个脉冲，它向前转动一步。输出步数等于输入脉冲个数，转速与输入脉冲频率成正比。1）概况 步进电机是一种以数字脉冲信号控制的电机装置，将相对的信号转变为输出的旋转角度，每一个基本旋转角度称为一个步进角度，此为步进电机名称的由来，因此它可以做精确的定位。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。其主要特性如下：(1)电机的旋转角度与输入脉冲数成比例，角度的误差小，而且不会产生累积的误差。(2)可以数字脉冲控制信号做开路方式控制，避免使用复杂的反馈控制电路，降低系统

39、制作成本。(3)利用输入脉冲的频率高低即可做转速的调整。(4)电机的启动、停止、加速、减速、正反转反应快，容易控制。(5)直接连至负载如轮子，做超低速同步运转。(6)步进电机的结构简单，可靠性高，几乎不需要太多的保养，使用寿命长。2）参数电机固有步距角：它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。步进马达的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相

40、、四相、五相步进马达。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马达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。保持转矩（HOLDINGTORQUE）：是指步进马达通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进马达最重要的参数之一，通常步进马达在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进马达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马达最重要的参数之一。比如

41、，当人们说2N.m的步进马达，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进马达。DETENTTORQUE：是指步进马达没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进马达的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。3）特点1一般步进马达的精度为步进角的3-5%，且不累积。2步进马达外表允许的最高温度较低。步进马达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

42、度以上，所以步进马达外表温度在摄氏80-90度完全正常。3步进马达的力矩会随转速的升高而下降。当步进马达转动时，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（或角速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4步进马达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。步进马达有一个技术参数：空载启动频率，即步进马达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

43、（电机转速从低速升到高速）。步进马达需要与其配套的伺服电机驱动器才能工作，它的最大特点是定位精确。因为这些特点，步进马达在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进马达本身技术的提高，步进马达将会在更多的领域得到应用。根据设计要求我们选择了，步距角为3、工作电压为12V的三相步进电机作为本次设计的电机。5）分类（一）反应式步进电机（VAriABle ReluCtAnCe，简称 VR）反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。 （二）永磁式步进电机（PermAnen

44、t Magnet）,简称PM, 永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步进角比较大，它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小（相比反应式），但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。（三）混合式步进电机（HyBrid，简称 HB）混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小

45、。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。6）选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 1、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三

46、相电机）等。 2、静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸） 3、电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 4、力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转