篇一：步进电动机论文
哈尔滨理工大学文献综述
题目：步进电动机及其驱动器的工作原理简介
学 院：哈尔滨理工大学荣成学院
专 业： 自动化
学 号：1030130221
姓 名： 时延利
指导教师： 侯甲童
完成日期： 2012年6月6日
一：概述
步进电动机是用脉冲信号进行控制，将点脉冲信号转换成相应的角位移和线位移的微电机，广泛地应用于打印机等办公知道设备以及各种控制装置。
步进电机和一般的电机不同，之接电源步进电机不能转动，而每加一个点脉冲仅转动一定的角度，另外，改变脉冲的频率时，步进电机的速率也跟着改变。
步进电机按电磁转距产生机理的不同可以分为反应式步进电机，永磁式步进电机和混合式步进电机，而按绕组的相数又可以分为单相，两相，三相。五相……… 二：步进电动机概念及其工作原理
1、步进电动机的概念
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，当有脉冲输进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进脉冲的个数严格成正比，在时间上与输进脉冲同步，因此只要控制输进脉冲的数目、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。在没有脉冲输进时，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往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，可以直接往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，各相均匀电流会高些，从而使电动机的转速—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进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，进步进给机构的自动化水平。
步进电动机控制系统的组成如下：
2、步进电动机的工作原理
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。假如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、4两齿吸引过往，停止在图b的位置上，这时转子逆时针转了30°。再接下往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。假如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
驱动器在整个控制环节中，正好处于主控制箱(MAIN CONTROLLER)-->驱动器(DRIVER)-->马达(MOTOR)的中间换节。他的主要功能是接收来自主控制箱(NC CARD)的信号，然后将信号进行处理再转移至马达以及和马达有关的感应器(SENSOR),并且将马达的工作情况反馈至主控制箱(MAIN CONTROLLER)。
步进电动机驱动器的一些特点：
（1） 构成步进电动机驱动器系统的专用集成电路：
A脉冲分配器集成电路：如三洋公司的PMM8713（三/四相）、PMM8723（四相）、PMM8714（五相）等。
B 包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：如SGS公司的L297（四相）、L6506（四相）等。
C 只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的MTD1110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波驱动）。
D 将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。
（2）“细分驱动”概述：
概念：将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电动机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。
最新技术发展：国内外对细分驱动技术的研究十分活跃，高性能的细分驱动电路，可以细分到上千甚至任意细分。目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致，大大提高了步进电动机的脉冲分辨率，减小或消除了震荡、噪声和转矩波动，使步进电动机更具有“类伺服”特性。
对实际步距角的作用：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对步距角的要求。如果使用细分驱动器，则用户只需在驱动器上改变细分数，就可以大幅度改变实际步距角，步进电机的?相数?对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。
采用细分技术与步进电动机精度提高的关系：步进电动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，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。细分后电机运转时对每一个脉冲的分辨率提高了，但运转精度能否达到或接近脉冲分辨率还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。
真正的细分对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。国内有一些驱动器采用对电机相电流进行“平滑”处理来取代细分，属于“假细分”，“平滑”
并不产生微步，会引起电机力矩的下降。真正的细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。
四、步进电机的分类
1、按结构分类
步进电动机也叫脉冲电机，包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。
（1）反应式步进电动机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到10?）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。
（2）永磁式步进电动机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。
（3）混合式步进电动机：也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电动机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电动机。
2、步进电动机按工作方式分类
可分为功率式和伺服式两种。
（1）功率式：输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电动机）。
（2）伺服式：输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电动机）
五、驱动控制系统组成
使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：
1、脉冲信号的产生。
脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4
左右，电
机转速越高，占空比则越大。
2、信号分配
我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。
3、功率放大
功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：
说明：
CP 接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）
OPTO 接CPU+5V
FREE 脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作
DIR 方向控制，与CPU地线相接，电机反转
VCC 直流电源正端
GND 直流电源负端
A 接电机引出线红线
接电机引出线绿线
B 接电机引出线黄线
接电机引出线蓝线 步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下：
篇二：步进电机的控制毕业论文
摘 要
此控制系统的设计，由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括
单片机最小系统、键盘控制模块、步进电机驱动模块、LCD显示模块等功能模块的设计，以及硬件电路在电路板上的实现。软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度通过LCD液晶显示屏显示。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。
关键词： 步进电机；单片机；转速控制；方向控制；角度控制
- 1 - I
目 录
摘 要 .............................................................. - 1 -
第1章 引言 ............................................................. 1
1.1 步进电机介绍 ........................................................ 1
1.2系统功能 ............................................................ 2
第2章 方案论证与比较 ................................................... 3
2.1 步进电机的选择 ...................................................... 3
2.2 单片机的选择 ........................................................ 3
2.3 步进电机驱动电路的设计 .............................................. 4
第3章 硬件电路设计 ..................................................... 5
3.1 硬件设计思路 ........................................................ 5
3.2总体设计框图 ........................................................ 5
3.3单片机系统 .......................................................... 5
3.3.1 单片机概述 ........................................................ 5
3.3.2 STC89S52单片机 ................................................... 7
3.4 步进电机 ........................................................... 10
3.4.1 步进电机概述 ..................................................... 10
3.4.2 步进电机的特性 ................................................... 10
3.5 LCD12864液晶........................................................11
3.5.2 LCD12864液晶屏的用................................................12
3.6外围电路设计及分析
3.6.1 键盘控制电路 ................................................... 17 3.5.1 LCD12864液晶屏概述................................................11
3.6.2步进电机驱动电路 ................................................ 18
3.7 步进电机控制系统电路图 ............................................. 21
3.8 步进电机控制系统实物图 ............................................. 21
第4章 软件设计 ........................................................ 23
4.1 程序设计思路 ....................................................... 23
4.2程序流程图 ......................................................... 23
4.2.1 主程序流程图 ................................................... 23
4.2.2 键盘处理子程序流程图 ........................................... 23
第5章 调试与改进 ........................................................26
- 2 -
5.1 调试与改进 ......................................................... 26
5.2 运行结果 ........................................................... 26
第6章 总结与展望 ...................................................... 27
参考文献 ............................................................... 28
致谢 ................................................................... 29
- 3 -
篇三：步进电机毕业论文
基于单片机的步进电机升降频控制
摘 要
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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。
由于步进电机是靠输入脉冲来控制其运转的，本文采用单片机来控制步进电机。单片机将各种功能部件集成在一块芯片上，可靠性和抗干扰能力比较强，其输出的高低电平易于实现对步进电机的控制。采用单片机控制既能减少硬件开销，也克服了硬件设计中一些元器件不能灵活变动和容易变值的缺点。
大量实践证明，对于不同功率的步进电机，简单统一的直线升频技术，不能够让电机工作在最佳效率状态下，本设计采用程序控制的指数曲线升降频，能够方便地与不同电机的机械特性很好地适配，减少电机升降频所用的时间，提高生产效率。
本次设计使用AT89C51单片机产生脉冲信号来控制35BY48S03型步进电机的运行。在升降频过程中，我们专门设计了一个数据区，这个数据区中的数据确定了电机在升降频过程中按指数曲线规律变化。我们改变电机时，只要根据电机的特性改变数据区的一些数据，即可使曲线很好的与电机适配。该方法能使电机以较高的效率运行。
关键词：步进电机，单片机，升降频，步长
STEPER MOTOR FREQUENT MOVEMENT BASED ON
MICROCONTROLLER UNIT CONTROL
ABSTRACT
Stepper motor is one kind transforms the electricity pulse as angular displacement's implementing agency. When stepper motor the driver to receive to a signal impulse, stepper motor on the actuation (to be called “step pitch angle” according to a hypothesis directional rotation fixed angle), its revolving is moves gradually by the fixed angle. May control the angular displacement through the steering impulse integer, thus achieves the accurate localization the goal; Simultaneously may control the speed which and the acceleration through the steering impulse frequency the electrical machinery rotates, thus achieves the velocity modulation the goal. Stepper motor to be possible to take the special electrical machinery which one kind of control uses, uses it cumulative error (precision has not been 100%) the characteristic, widely applies in each kind of open-loop control.
Since stepping on the importation of electrical pulse is to control its functioning, the paper used to control the stepper motor SCM. SCM will all feature in an integrated chip, reliability and strong anti-interference capabilities, the output of the high-low easy to realize the stepper motor control. SCM control also used to reduce hardware costs, but also to overcome some of the hardware design changes can not be flexible and easy to change parts of the shortcomings.
The massive practices proved that Stepper motor regarding the high efficiency, the simple straight line rises the frequency technology, cannot let the electrical machinery work under the optimum efficiency condition, this article only then uses the curve line control the method, can reduce the electrical machinery to rise and fall the time which the frequency uses, raises electrical machinery's working efficiency, with electrical machinery's characteristic very good adaptive.
This design uses AT89C51 produce pulses to control 35BY48S03 type stepping motor running. In the process of lifting frequency， we designed a data area . the motor area in the lifting process of frequency changing regularity according to index curve by the data in the data. According to the characteristics of the data can make some data for different stepper motors， and well with the motor fit curve. This method can make the motor with high efficiency operation.
KEY WORDS：stepper motor，
step
microcontroller unit，
目 录
frequent movements ，
前 言 ................................................. 1
第1章 步进电机简介 .................................... 2
1.1 步进电机工作原理及分类 ................................ 3
1.2 步进电机的各种指标术语 ................................ 4
1.2.1 静态指标术语 .................................... 4
1.2.2 动态指标及术语 .................................. 4
1.4 单片机控制步进电机的升降频 ........................... 6
第2章 步进电机控制系统硬件电路 ........................ 8
2.1 单片机及其外围电路介绍 ............................... 9
2.1.1 CPU芯片 ........................................ 9
2.1.2 控制键电路 ..................................... 11
2.1.3 步进电机驱动电路 ............................... 12
2.2 步进电机控制系统硬件电路图 .......................... 13
第3章 步进电机控制系统软件设计 ....................... 13
3.1 步进电机控制系统应用流程图 .......................... 13
3.1.1 主流程图 ....................................... 14
3.1.2 升频流程图 ..................................... 14
3.1.3 降频流程图 ..................................... 14
3.1.4 走一步子程序流程图 ............................. 16
3.2 步进电机数据区设计 ................................... 16
3.3 程序源代码 ........................................... 18
结 论 ................................................ 23
参考文献 .............................................. 24
致 谢 ................................................ 25
附 录 1 .............................................. 26
附 录 2 .............................................. 27
外 文 材 料 译 文 ..................................... 28
前 言
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 。
上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。到了80年代后，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。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用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趋势。经过不断改良，今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、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。
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。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。
本文第一章介绍了步进电机的一些基本知识，包括步进电机的分类，各种技术指标和步进电机的驱动简介，确定电机型号，介绍了如何用单片机控制步进电机的升降频，说明了用软件控制步进电机的优越性。第二章确定硬件电路方案。介绍了单片机最小系统，键盘电路及步进电机驱动电路，给出了整体控制系统的硬件电路图。第三章给出了软件设计的程序流程图，升频和降频数据区设计方法和详细的程序设计。
大多控制系统中的步进电机升降速控制一般不考虑电机及负载的个性统一采用慢速直线升频，这样不仅使电机的转矩性能不能够很好的发挥，而
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