步进电机小论文

步进电机

第七组：谭春强（组长），冯雨虹，李少迪，杨磊，郑凤娇，黄帅通过老师的讲解以及课本的阅读理解，我们可以掌握步进电机的基本工作原理：步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转换成角位移，给一个脉冲信号，步进电机就转一个角度。通过机械传动，可以把角度变成直线位移。步进电机具有快速启停、精确步进及直接接收数字信号控制的特点，因此，它在需要精确定位控制的场合中得到了广泛的应用。例如，绘图仪、打印机、光学仪器及数控加工设备等，都采用了步进电机来进行定位控制。

在阅读过一些关于步进电机应用方面的论文和其他资料之后，我们也可以了解到一些应用方面的知识。总的来说，在步进电机的发展过程中，有多种方案可用来实现步进电机控制系统，主要有3种：第一种是基于电子电路的控制系统，系统一般由3个部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。这种方案可采用开环控制也可以采用闭环控制，一般功能相对较单一，如需改变控制方案，必须重新设计，因此灵活性不高；第二种是基于单片机的控制方案，由于单片机的强大功能，采用此方案可实现软件与硬件相结合的控制方法，避免了失步、振荡等对控制精度的影响，提高了接口电路的灵活性与通用性，且可以大大提高系统的交互性，因此国内学者对此方案研究较多；第三种是基于PLC的控制方案，此方案的控制系统一般由PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC 来产生控制脉冲。此系统硬件成本较低，但由于PLC扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制，当速度较高时，相应的控制精度会降低。此外，基于LabVIEw 平台的步进电机控制系统的设计也是近期研究的热点。

为了了解步进电机的应用，下面将介绍：数控机床中步进电机的应用；一种机器人寻线控制系统；基于PLC和触摸屏的步进电机控制系统的设计，三个步进电机应用的控制系统实例。

数控机床中步进电机的应用

伺服系统的作用：数控机床加工精度高、生产效率高．原因很多：有机床本身制造精度高的原因；有采用了先进的数控装冕的原因；但最根本的原因是机床的伺服系统。数控机床的迸给伺服系统与普通机床的进给系统有本质上的差异，它能根据指令信号自动精确地控制执行部件运动的位移、方向和速度，以及数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹。进给伺服系统的性能。如最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静态性能，在很大程度上决定了数控机床的加工精度、加工表面质量和生产效率．而伺服系统的主要执行元件是伺服电机，因此，伺服驱动电机的性能在很大程度上影响进给伺服系统的性能。

一般的来讲，在开环进给系统中采用的伺服电机有电液脉冲马达、功率步进电动机。在闭环进给系统中多采用宽调速直流伺服电机，随着科技的发展，交流伺服电机的研究不断取得显著进展，使交流伺服电机得到广泛应用。在我国开环迸给系统使用非常普遍，而且从控制方式上来讲，步进电机和交流伺服电机比较相似，下面就主要介绍步进电机的作用。

步进电机在机床中的应用：首先让我们来看看数控机床的组成。数控机床一般由：控制介质、数控装置、伺服系统、和机床本体组成。简单的可以将数控机床的工作划分成以下几个部分。第一步：将编好的程序通过控制介质输入到数控系统。这一步其实就是将编好的程序转化为机器所能识别的数字信息。第二步：是通过数控装置将那些转化好的数字信息再转化为脉冲信号(也就是电信号)传递给伺服系统。第三步：伺服系统将来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的精确运动。第四步：机床本体将运动信号通过机床本身的各传动部件来完成最终的机床运动。从数控机床的工作过程可以看出影响数控机床的精度除了来自机床本身的机械部件和传动部件外，伺服系统的工作情况直接影响数控机床的精度．下面让我们再来认识下伺服系统。所谓伺服系统是指以位置和速度作为控制对象的自动

控制系统，又称拖动系统或随动系统。在数控机床上伺服系统接受来自插补装置或插补软件产生的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动，主要通过对步进电动机、交／直流伺服电动机等进给驱动元件的控制来实现。可见在使用步进电机的数控机床中，步进电机的性能直接影响到数控系统的精度。

一种机器人寻线控制系统（基于单片机的步进电机控制系统）单片机控制系统的原理框图如图所示。单片机控制系统的核心是采用了AT89c52单片机作为控制芯片，AT89c52单片机是一种低功耗、高性能的含有8 KB闪速可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器。

单片机控制系统原理框图

整个单片机柠制系统是由AT89c52单片机产生脉冲、使能、方向信号，这些信号经过放大后输入到步进电机驱动板，步进电机驱动板将脉冲信号进行分频，所谓分频即“细分”，通过对脉冲进行细分之后，有利于改善步进电机的运行性能。分频脉冲、使能和方向信号输入步进电机．驱动步进电机的转动，从而带动机器人的驱动轮旋转，使机器人运动。机器人在运动中利用寻线系统随时采集地面上指示线的信号·检测自身的位置状态．通过光发射接收板立即将检测结果转化为模拟信号，模拟信号输入到比较器比较板，被转化为数字信号，并经过放大、光电耦合隔离后，输入到74150选通器，再依次将信号输入到AT89c52单片机。在单片机中将此输人信号值与程序预设的理论信号值进行比较，通过比较结果来判断当前机器人位置的准确性。若两信号值相符，则机器人认为行走的路线是正确的。若两信号值不相符，则机器人认为行走的路线不正确．于是单片机立即根据比较结果作出响应，以便即时地调正当前的不正确位置。

寻线系统是机器人的一种简单视觉，在机器人的运动中起着非常重要的作用，为机器人运动过程中位置的准确性提供f保障。每一套寻线系统由比较电路板和光发射接收板两大部分组成。比较电路板主要是将光发射接收板输入的模拟信号经比较器比较后，转换为数字信号，输入到单片机中。光发射接收板主要功能是完成光的发射、接收和将光信号转换为模拟信号。每一块光发射接收板就是机器人的一个检测点，一般情况每个机器人需安装多个检测点，以保证机器人在运动过程中有较大的偏向检测能力和纠错能力。

基于PLC和触摸屏的步进电机控制系统的设计（基于PLC的步进电机控制系统）

系统控制原理由于步进电机具有元累积误蓑、跟踪性能好的优点，步进电机的控制多以组成开环控制系统居多。一种基于PLC和触摸屏的步进电机控制方案其系统结构如图1所示。

系统硬件部分由控制器PLC、人视界面触摸屏、驱动器和被控对象步进电机等组成。控制器PLC是步进电掇的上位控制单元，PLC输入到驱动器的信号有2类，一类是脉冲信号，它控制步进电机的速度和位置；一类是控制信号，如方向、脱机信号，分别决定步进电机的运行方向朔启停。触摸屏负责人机交互界面管理和控制系统实时监控，它通过串口与PLC 通信，可通过触摸按键方式实现对步迸电机的启停、调遗、转向等控制，在触摸屏上动态照示步进电机运行位置、速度等参数。

对于一个实际的控制系统，要根据负载的大小来选择步进电桃。步进电机能响应两不失步的最高步进频率称为“启动频率”，与此类似，“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步迸频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯基相适应。有了这些数据，就能有效她对步进电机进行变速控制。

在对PLC选型蓠，应根据下式计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量。脉冲当量=步进电机步距角*螺距/360*传动速比

脉冲频率上线=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

根据脉冲频率可以确定PLC高速脉冲输出时需要的频率，根据脉冲数量可以确定PLC的位宽。同时，考虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿命，PLC应该选择晶体管输出型。

关于步进电机的发展趋势目前，步迸电机驱动系统的发展趋势是高性能、高可靠性、高集成化和低成本。然而，目前市面上的步进电机驱动电源普遍存在～些缺点，表现在以下几个方面：一是电源产品大多采用分离器件构成，其功率消耗大、效率低、体积大，并且一套步进电机驱动电源只能驱动一台步进电机，不易满足数控系统多轴驱动的要求；二是步进电机有二相、三相、四相、五相等多种形式，而目前的步进电机驱动电源通常仅能适用于菜～种相数的步进电机，或者虽有驱动多种步进电撬的驱动电源，但其驱动能力十分有限；三是各种运行参数在产品出厂时大多已经被设定，很难由用户根据实际工作情况对频率、速度、加速度、角位移等工作参数进行个性化设置，使电机性能受到一定影响．

参考资料：

1. 《数控机床中步进电机的应用》胡斌，陈丽君

2. 《一种机器人寻线控制系统》万永伦，丁杰雄

3. 《基于PLC和触摸屏的步进电机控制系统的设计》江辈生，欧阳玉霞，曾延波