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1、1 绪 论1.1 选题背景步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，广泛运用于数控机床、机器人、自动化仪表等领域。随着计算机技术的发展，特别是DSP芯片的出现，开创了步进电机控制的新局面。用DSP控制的步进电机不仅减小了控制系统的体积、简化了电路，同时进一步提高了电机控制的精度和控制系统的智能化，从而逐步实现控制系统的嵌入式。基于DSP的步进电机控制技术在九十年代时期得到了较大发展，主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域。数控机床、跟踪卫星用电经纬仪在采用了步进电机技术后，大大提高了控制与测量精度，这样就使
2、步进电机伺服系统的应用前景更加广阔。DSP控制器的技术水平主要体现在三个层面：硬件方案、核心控制算法以及应用软件功能。国内步进电机控制器所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距，有的甚至更加先进。与欧美发达国家相比，国内控制器的差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。以四相反应式步进电机为执行部件的控制系统是一个典型的机电一体化系统，它不仅具有开放性、灵活性、可靠性并且具有较高的精度。它可以作为机电一体化的实验平台，满足了现代运动控制技术研究和实验的需要。同时本系统也可以作为数控系统的开发工具。1.2 步进电机的发展及应用1.2.1 步进电机的发展 步进电机也称脉冲电机或阶跃电机
3、，国外一般称为Step motor或Stepping motor，Pulse motor,Stepper servo，Stepper等等。目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本身的发展和变化，传统电机之间分类的界面越来越模糊。步进电机的工作过程为，每输入一个脉冲信号，则改变一次励磁状态使转子转过一定角度，若没有脉冲信号输入，则转子保持在某一位置静止不动。因此，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制频率同步的同步电机。步进电机工作的机理是基于最基木的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的进行尝试，应用于
4、氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。20世纪60年代后期，步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体技术的发展则推动了步进电机在众多领域的应用。在近30年间，步进电机迅速的发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机，以及同步电机并列，从而成为电动机的一种基本类型。我国步进电机的研究及制造起始与上世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步
5、进电机为主。70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。除反应在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究也发展到一个较高水平。70年代中期至80年代中期为产品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及其驱动电路作为产品被广泛使用。1.2.2 步进电机的应用步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一。由于其结构简单、价格低廉、定位方便、易于控制、无积累误差和计算机接口方便等优点而广泛应用在各种自动化控制系统中。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要AD转换，能够直接将数字脉冲信号转化
6、成为角位移，所以被认为是理想的经济型数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电机制造技术及电子技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。步进电动机以其显著的
7、特点，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电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。1.3 课题研究内容本课题的研究内容是使用DSP控制步进电机，实现步进电机的驱动，构成控制系统。其主要内容是：1、了解DSP（Digital Signal Processor）和步进电机的组成和原理。2、完成DSP控制步进电机系统的软硬件设计，其中主要包括：（1) 设计DSP控制步进电机的硬件电路，并采用绘图软件完成电路图的绘制；（2) 采用C语言完成步进电机控制的软件设计；（3) 在CCS开发环境下完成步进电机控制的软硬件调试。 2 步进电机2.1 步进电动机的分
8、类步进电机分为以下三大类：1、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，成本低，步距角可以做得很小，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。2、永磁式步进电机(Permanent 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，所以一般步距角比较大。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。3、 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
9、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，噪音低、低频振动小。混合式步进电机在某种程度上可以看作是低速同步电机。但混合式步进电机结构复杂成本较高。2.2 四相反应式步进电机的结构及工作原理2.2.1 步进电机的结构四相步进电机的基本机构如图2.1。四相步进电机在结构上分为转子和定子两部分。定子一般由硅钢片叠成，定子上所绕的线圈称为励磁线圈。对于如图2.1所示的绕线方式，A、A
10、引线形成一相，B、B引线形成一相,C、C引线形成一相D、D引线形成一相。当给某相线圈通电时将形成8个磁极。这样，对于四相八级步进电机共有A、A，B、B，C、C和D、C四个绕组、8个磁极。每个定子磁极内表面都分布着小齿，它们大小相同，间距相同。转子是由软磁材料制作成的。其外表面也均匀分布着小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿相同，形状相似。由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，它们的齿距角都可以由下式 （2.1）来计算。式中，Z为转子的齿数。 图2.1 四相步进电机步进示意图2.2.2 步进电机的工作原理在步进电机的结构中必定有错齿和对齿的存在如图2.2所示。我们把定子小齿和转子小齿对齐的状态
11、称为对齿；把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称为错齿。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提条件。如果给处于错齿状态的相线圈通电，转子在电磁力的作用下，如果磁极相异，则转子向完全对齿方向转动，如果磁极性相同，则转子向完全错齿方向转动。假设将电机的转子置于线圈所产生的磁场中，便会受到磁场的作用而产生与磁场方向一致的力，转子便开始转动，直到转子的磁场和线圈的磁场方向一致为止。步进电机的转动就是基于这一原理实现的。定子小齿转子小齿 （a）对齿 （b）错齿图2.2定子齿与转子齿的磁导现象按如下四个步骤循环通电：(1) AA相通电，电流方向为AA；(2) BB相通电，电流方向为BB；(3) CC相通电，电流方
12、向为CC；(4) DD相通电，屯流力向为DD。可以分析出，在每一次通电过程中，步进电机的转子均相对上次通电时的平衡位置顺时针旋转了一个位移角。对绕组通电一次的操作称为一拍，根据上面给出的算式每给电机一个脉冲，步进电机将转过15度，既转过一圈则需要，360/15=24个脉冲。2.3 步进电动机的工作方式四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。具体如下：2.3.1 单四拍工作方式四相步进电动机如果按照A-B-C-D-A循环通电工作，就称这种工作方式为单四拍工作方式，其中的“单”指的是每次对一个相的通电；“四拍”指的是磁场旋转一周需要换相四拍，以单四拍工作方式工作的步
13、进电动机，其步距角按下式2.2计算。 (2.2)式中，N为步进电动机工作拍数，Z为转子的齿数。在用单四拍方式工作时，各相通电的波形如图2.3所示。其中电压波形是方波；而电流波形则是由两段指数曲线组成。这是因为受步进电机绕组电感的影响。当绕组通电时，电感阻止电流的快速变化；当绕组断电时，电感又阻止电流的突然变小。2.3.2 双四拍工作方式四相步进电机电动机各相除了采用单四拍方式通电外，还可以有其他种通电方式。双四拍就是其中之一。双四拍的工作方式是：每次对两相同时通电，既所谓的“双”；磁场旋转一周需要换相四次，既所谓的“四拍”。在双四拍工作方式中，步进电机正转的通电的顺序AB-BC-CD-DA-A
14、B；反转的通电顺序为：BA-AD-DC-CB-BA。因为在双四拍的工作方式中电机每次转动的位移角是一样的所以它的步距角与单四拍时一样，仍然用式（2-1）求的。用双四拍方式运行时，各相通电的波形如图2.3所示。由图可见，每一拍中，都有两相通电，每一相通电时间都持续两拍。所以，双四拍通电的时间长，消耗的电功率大，当然获得的电磁矩也大，同时双四拍的工作方式还有一个优点，这就是不易产生失步。这是因为当两相通电后，两相绕组中的电流幅值不同，产生的电磁力作用方向也不同。所以，其中一相产生的电磁力起了阻尼作用。绕组中电流也大，阻尼作用就越大。这有利于电机在低频区工作。而单四拍由于是单相通电励磁，不会产生阻尼
15、作用，因此当工作在低频区时，由于通电时间长而使能量过大，易产生失步现象。2.3.3 八拍工作方式八拍工作方式是四相步进电机的另一种通电方式。这是单四拍与双四拍交替使用的一种方法，也称作单双八拍法。步进电机的正转通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A；反转通电顺序是A-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A。可见磁场旋转一周；通电需要换相八次（既八拍），这是与单四拍和双四拍最大的区别。在这种方式工作下，电机的步距角要比单四拍和双四拍小一半，所以步进精度要提高一倍。八拍工作时，各相通电的电压波形如图2.3所示。可以看出，在使用八拍工作方式时，有的四拍是单相通电，有的四拍是双向通电。经过上面的介绍我们知道根据四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。其中单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.3 a、b、c所示：
