计算机测控系统设计与实现
12013113 段军合
1. 参考书目：
书名：《步进电机控制技术入门》 王鸿钰 编著
2. 主要内容：
2.1步进电机介绍
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，使得步进电机在速度、位置等控制领域的控制操作非常简单。虽然步进电机应用广泛，但它并不像普通的直流和交流电机那样在常规状态下使用，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.用好步进电机也非易事，它涉及机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 2.2步进电机的结构
步进电机主要由两部分构成定子和转子。它们均由磁性材料构成。 以三相为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极。
定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。
步进电机剖视图
2.3步进电机的工作原理
步进电机有三线式、五线式和六线式，但其控制方式均相同，都要以脉 冲信号电流来驱动.假设每旋转一圈需要200个脉冲信号来励磁，可以计算出每个励磁信号能使步进电机前进1.8°。其旋转角度与脉冲的个数成正比。步进电动机的正、反转由励磁脉冲产生的顺序来控制。六线式四相步进电机是比较常见的，它的控制等效电路如下图所示。它有4条励磁信号引线A,/A，B,/B 通过控制这4条引线上励磁脉冲产生的时刻，即可控制步进电机的转动.每出现一个脉冲信号，步进电机只走一步。因此，只要依序不断送出脉冲信号，步进电机就能实现连续转动。
2.4励磁方式
步进电机的励磁方式分为全步励磁和半步励磁两种。其中全步励磁又有一相励磁和二相励磁之分;半步励磁又称一二相励磁。假设每旋转一圈
需要200个脉冲信号来励磁，可以计算出每个励磁信号能使步进电动机前进1.8°。简要介绍如下。
①一相励磁—在每一瞬间，步进电机只有一个线圈导通.每送一个励磁信号，步进电机旋转1.8，这是三种励磁方式中最简单的一种。
其特点是:精确度好、消耗电力小，但输出转矩最小，振动较大。如果以该方式控制步进电机正转，对应的励磁顺序如下表所示。若励磁信号反向传送，则步进电机反转。表中的1和0表示送给电机的高电平和低电平。
②二相励磁—在每一瞬间，步进电动机有两个线圈同时导通。每送一个励磁信号，步进电机旋转1.8。
其特点是:输出转矩大，振动小，因而成为目前使用最多的励磁方式。如果以该方式控制步进电机正转，对应的励磁顺序见下表。若励磁信号反向传送，则步进电机反转。
③一二相励磁—为一相励磁与二相励磁交替导通的方式。每送一个励磁信号，步进电机旋转0.9。
其特点是:分辨率高，运转平滑，故应用也很广泛。如果以该方式控制步进电机正转，对应的励磁顺序见下表。若励磁信号反向传送，则步进
电机反转。
2.5步进电机的控制要点 ①开环控制
上图是典型的开环控制系统的方框团。控制信号可以由微处理机产生， 也可以用某种形式的时序电路产生。不管这种信号怎样产生，设计者都需要 知道它在定时上有些什么限制。例如：特定负载转矩的最高步进频率；又 如：电机加速负载惯量的时间等。
开环控制方案中，负载位置对控制电路没有反馈，因此，步进电机必须 正确地响应每次激磁变化。如果激磁变化太快，电机不能够移动到新的要求 的位置，那么，实际的负载位置相对控制器所期待的位置将出现永久误差。 如果负载参数基本上不随时间变化，则相控制信号的定时比较简单。但是， 在负载可能变化的应用场合中，定时必须以最坏(即始大负载)情况进行设 定。当然，这样确定的控制方案对所有共他负载并非站住。 优点：简单，成本低。 ②闭环控制
在闭环控制的步进电机系统里，不断检测转子的瞬时位置，并把它反 馈到控制单元上。每一步命令都在电机令人满意地响应了前面的命令后才
运用微处理机的开环系统
微处理机 驱动电路
电机 负载 发出， 因此，电机不可能失步。
第一步快定到时，位置检测器产生一个送到减法计数器和控制单元去 的脉冲。减法计数器减一，即负载相对目标的位置减一。注意：开环控 制时，减法计数器只记录需要送给电机的步进命令数，并不保证这些步数 是否已经执行。而闭环控制小，减法计数器记录的是实际的负载位置。 送到控制单元的位置检测脉冲用来产生下一步命令。负载越重，达到
第一步位置所花的时间越氏，相继的步进命令之间的时间间隔也越长，自 动适应了比较慢的加速速率。与外环控制一样，电机最终能达到的最高工 作频率由电机和负载特性决定。
电机开始减速的时刻出减法计数器决定。减速期间，执行的步数取决 于负载条件。惯量大、转矩小的负载比惯量小、转矩大的负载需要更多步 数减速。不过，通常以最坏的负载条件来设定减速期间执行的步数。如果 实际的负载条件没有最坏条件那么严重，那末，系统在达到目标位置前的 步进速率将低下启停频率，故能可靠停止。当减法计数器为零时，表示要 求的步数已经执行完。这时，减法计数器发一个停止信号给控制单元，禁 止以后的步进命令，系统工作告一段落。
由此可见，闭环控制的激磁定时随负载条件而改变，它能够产生接近 最佳的速度曲线和快速对负载定位。对许多用户来讲，直接监视负载位置 是这种控制方式的最有吸引力的特性。这种特性使步进命令和转子位置之
步进电机的闭环控制系统
制动 减法计数器 停止 启动时送数 启动 控制 单元 步进 命令 相序 发生器 电机 负载 位置 检测器
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