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1、步进电机控制原理及应用上海医疗器械高等专科学校毕业论文步进电机控制原理及应用 姓 名： 系 部：医学电子与信息工程 专 业：医学检验仪器管理与维护班 级：2010检验班 指导教师： 完成日期 2013年6月1日 步进电机控制原理及应用摘 要文章从步进电机的发展史到步进电机的特点，再从步进电机的原理到步进电机的应用讲解和论述步进电机。本文主要介绍了步进电机的工作原理、步进电机的分类和步进电机的控制原理及应用。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器
2、。关键字：步距角, 相数, 定位转矩, 混合式 The principle and application of stepping motor controlABSTRACTFrom the development history of stepper motor to the characteristics of the stepper motor, again from the principle of stepping motor to the application of stepping motor and stepper motor is discussed. This paper
3、 mainly introduces the working principle of stepper motor, the classification of the stepper motor and stepper motor control principle and application. Stepper motor is a kind of induction motor, its working principle is the use of electronic circuit, direct current (dc) into time-sharing power supp
4、ly, multiphase sequential control current, in this current for stepper motor power supply, the stepper motor can work normally, the drive is of time-sharing power supply for step motor, multiphase timing controller.Key Words： Step angle, Phase number, Positioning torque , Hybrid stepping目 录摘 要2ABSTR
5、ACT3目 录4第1章 绪 论5第2章 步进电机的概况62.1 步进电机发展史72.2 步进电机的特点8第3章 步进电机的分类103.1 永磁式步进电机103.2 反应式步进电机113.3 混合式步进电机12第4章 步进电机的原理144.1 步进电机的结构144.2 步进电机的工作原理164.3 步进电机的主要特性184.4 步进电机定子相数的分类、结构、原理184.5 步进电机的驱动及控制194.6 步进电机控制原理22第5章 步进电机的应用235.1 步进电机在医用仪器中的应用235.2 步进电机在物料计量方面的应用245.3 步进电机在供送包装膜中的应用255.4步进电机在横封中的应用2
6、5第6章 结论26谢 辞27参考文献28第1章 绪 论步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号，目前这种信号大多数由可编程控制器或单片机来完成；二是驱动器（信号放大器），它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能，事实上它在步进电机系统中起着重要的作用，一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器；三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。步进电机的最大特点是其“数字性”，对于控制器发过来的每一个脉
7、冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度(简称一步)。如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离。同时可通过控制脉冲频率，直接对电机转速进行控制。由于步进电机工作原理易学易用，成本低(相对于伺服)、电机和驱动器不易损坏，非常适合于微电脑和单片机控制，因此近年来在各行各业的控制设备中获得了越来越广泛的应用。步进电机(stepping motor)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。第2章 步进电机的概况步进电机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的常用电气
8、执行元件，具有步进数可控、运行平稳、价格便宜等优点。步进电机转子的位移与脉冲数成正比，因而其转速与脉冲频率成正比，而不受电源电压、负载大小及环境条件等影响。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度前进一步，这个角度即为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了旋转的速度，方向信号决定了旋转的方向。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。 单相步进电机有
9、单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进 电机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电机各项绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。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。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
10、距角。给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度（俗称一步）或0.9度（俗称半步）。以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。 步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号，目前这种信号大多数由可编程控制器或单片机来
11、完成；二是驱动器（信号放大器），它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能，事实上它在步进电机系统中起着重要的作用，一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器；三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。 步进电机的速度控制是通过输入的脉冲频率快慢实现的。当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降；当频率增加时，速度就加快。还可以通过频率的改变而提高步进电机的速度或位置精度。 步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。在包
12、装机控制中，给定脉冲数的多少，还与机构的参数有关，例如螺杆的直径等。图2.1 步进电机内部图图2.2 步进电机的结构示意图2.1 步进电机发展史电机为工业发展不可缺少的一大要素，并扮演着重要的角色。电机的应用不仅在动力应用反面不断扩大，而且在控制领域的使用范围也在不断扩大。随着控制电机重要性的增加，控制电机的使用量也逐年增加。步进电机是一种控制电机，不使用反馈回路，就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制，不使用反馈回路，其应用主要以处理办公业务能力很强的OA(Office Automation,办公自动化)机器和FA(Factory Automation工厂自动化)机器为核心，并广泛
13、的应用于医疗器械、计量仪器、汽车、游戏机等。就数量来讲，OA机器方面的应用约占步进电机使用总数的75%。图2.3 电机虽然步进电机最近被大量应用，但其原理早已有之。步进电机与电磁铁和柱塞泵同一时期开发，法国人佛罗曼提出了将电磁铁的吸引力转化为旋转力矩的方法。当时，激磁相的切换用机械凸轮的接触点来完成，这就是步进电机的原型。现在还有旋转线圈式的应用方法。1920年步进电机的实际应用才开始，称为VR（Variable Relutance 变磁阻）式步进电机，被英国海军用作定位控制和远程遥控。混合式HB(Hybrid 的缩写，是VR与PM复合的意思)型步进电机的产生，大约在1952年，由美国GE公司
14、的Karl Feiertag 开发的发电机演变而来。与现在的两相HB型步进电机结构相同，取得了US专利。当初作为低速同步电机使用，其后，由美国的Superior Electric 公司和Sigma Instruments公司开发出两相1.8步距角的HB型步进电机。当时因为电流小、电感大、恒电驱动的关系，换相脉冲只有300pps（现在为1020kpps）。另一方面，从驱动电路方面看，步进电机的发展与晶体管半导体元件的发展密不可分。1950年研制出二极管半导体，1964年开发出MOS半导体，1965年出现IC，1967年LSI使用化。特别是经过19501965年间半导体材料的高速发展，进入20世纪70年代，由于价格便宜，可靠性高的逻辑数字电路得到广泛应用，使步进电机的使用量急剧增加。2.2 步进电机的特点可通过控制脉冲数来控制步进电机转动的角位移，达到精确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲的频率来控制步进电机转动速度和加速度，达到调速的目的。 优点：（1）无刷：是无刷结构电机，
