步进电机的运动规律及速度控制方法

机电驱动控制是机电一体化人才需要的知识。由于电传动控制装置和机械设备是一个不可分割的整体，因此可以学习机电传动控制的一般知识，掌握电机、电器和晶闸管的工作原理、特点、应用和选择方法。了解最新控制技术在机械设备中的应用。在现代工业中，机电传动不仅包括驱动生产机械的电机，还包括控制电机以满足生产过程自动化要求的一整套控制器。也就是说，现代机电传动与由各种控制部件组成的自动控制系统相连。机电系统通常可以分为三个部分，如图1所示。

图1机电驱动控制

在我上这门课之前，我以为电机是高中和中学的DC电机，也就是通电的线圈在磁场中旋转。那是DC汽车。慢慢的我接触到了交流电机，我才开始了解220V商用电源。记得下学期我们有一次金工实习，看到培训下那么多车床，铣床，钻床.因为需要提供大功率，所以主电机都是380V V，做完这个门，可以多了解一下它们的内部结构和工作原理。

也说明知识是一个慢慢积累的过程。多看多学。我理解很多之前的疑惑。在电视上看到那些智能机器人，它们可以自由活动，就像仿生肌肉一样。尤其是日本机器人。有可能它的机械臂是由步进电机控制的，换句话说就是由液压和气压控制的。我觉得两者都有。好在大一的时候进了二班，学到了一些东西，接触到了步进电机。学习51单片机的时候买了一个，感觉很神奇。

另外前几天参加了江西电子设计大赛，觉得如果要选控制这个题目，步进电机是必不可少的。所以步进电机是个好东西。我查了网上的资料。步进电机出现在上个世纪。是一种可以自由旋转的电磁铁。其工作原理与当今的无功步进电机无异。还依靠气隙磁导率的变化产生电磁转矩。可惜是外国人发明的。

我开始写题目。上完这门课，我就迷上了步进电机。步进电机在现场控制、速度和控制方面发挥着其他电机无法比拟的突出作用。步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的开环控制元件步进电机。在非过载情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和个数，不受负载变化的影响。步进驱动器接收到脉冲信号后，驱动步进电机在设定的方向旋转一个固定的角度，称为“步角”，其旋转以固定的角度步进运行。角位移可以通过控制脉冲数来控制，从而达到精确定位的目的；同时，可以通过控制脉冲频率来控制电机旋转的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机的主要特点如下：

(1)转速和步距值不受电压波动、负载变化和温度变化的影响，只与脉冲频率同步，转子运动的总位移只取决于脉冲信号的总数。

(2)开环控制，无反馈，系统结构大大简化，工作更可靠，维护更方便，在一般定位驱动装置中精度足够高。

(3)控制性能好，可通过大范围改变脉冲频率来调节电机转速。起动和制动、倒车和任何其他操作模式的改变都可以在几个脉冲内完成。

(4)误差不累加。步进电机每转一步转动的角度与理论值总有一定的误差，但每转的步数是固定的，所以不丢步就不会累计步差。步进电机不同于其他电机的控制目的，它最大的特点是可以接受数字控制信号(电脉冲信号)，并将其转换成与之对应的角位移或线位移，因此是完成数模转换的执行器。

此外，它可以执行开环位置控制，并且通过输入脉冲信号可以获得规定的位置增量。与传统的DC伺服系统相比，这种增量式位置控制系统的成本明显降低，几乎不需要系统调整。因此，步进电机被广泛应用于数控机床、机器人、遥控、航空航天等领域，特别是随着微型计算机和微电子技术的发展，步进电机得到了广泛的应用。

步进电机的速度特性

步进电机的速度取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。它的角速度与脉冲频率成正比，并与脉冲在时间上同步。因此，当转子的齿数和运行节拍不变时，只需控制脉冲频率就可以获得所需的速度。由于步进电机是通过其同步转矩启动的，因此启动频率不高，以免失步。特别是随着功率的增加，转子直径和惯性增大，启动频率与最高工作频率之差可能高达10倍。

为了充分发挥电机的快速性能，通常在启动频率以下启动电机，然后逐步增加脉冲频率，直到达到期望的速度。选择的变化率应保证电机不失步，尽可能缩短启动加速时间。为了保证电机的定位精度，需要在停止前，将电机的脉冲率从最高速度逐渐降低到停止速度(等于或略大于启动速度)。因此，步进电机驱动负载高速移动一定距离并精确定位时，一般应包括“启动-加速-高速运转(恒速)-减速-停止”五个阶段。速度特性通常是梯形，移动距离短的话就是三角形，如图2所示。

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图 2 步进电机的速度曲线

步进电机控制系统结构

PC 机在适当的时刻通过对硬件控制电路上的 8253 计数器 0 赋初值,设置好 加减速过程的频率变化(即速度、加速度变化),以防止失步。例如,在点位控制 中设置好速度曲线图,在起动和升速时,使步进电机产生足够的转矩驱动负载, 跟上规定的速度和加速度;在减速时,下降特性使负载不产生过冲,停止在规定 的位置。硬件控制电路板上的 8253 产生脉冲方波作为中断信号源,启动细分驱 动电路中的固化程序以产生一定频率的脉冲,经功率放大后驱动步进电机运动。 步进电机运动方向的改变及启动和停止均由计算机控制硬件控制电路实现。

图 3 步进电机控制系统

软件和硬件结合起来一起进行控制,具有电路简单、控制方便等优点。在这种控制中,微机软件占用的存储单元少,程序开发不受定时限制。只要外部中断 允许,微机就能在电机的每一步之间自由地执行其他任务,以实现多台步进电机 的运动控制。

定时器初值的确定

步进电机的实时控制运用 PC 机,脉冲方波的产生采用 8253 定时器,其计数 器 0 工作于方式 0 以产生脉冲方波,计数器 1 工作于方式 1 起记数作用,8253 计数器 0 的钟频由 2MHz 晶振提供。设计算机赋给 8253 计数器 0 的初值为 D1, 则产生的脉冲方波频率为 f1=f0/D1,周期T1=1/f1=D1/f0,D1=f0T1=f0/f1。其中, f1 为启动频率,f0 为晶振频率。

步进电机升降速数学模型

为使步进电机在运行中不出现失步现象,一般要求其最高运行频率应小于 (或等于)步进响应频率 fs。在该频率下,步进电机可以任意启动、停止或反转而 不发生失步现象。 步进电机升降速有两种驱动方式,即三角形与梯形驱动方式 (见图 1),而三角形驱动方式是梯形驱动的特例,因而我们只要研究梯形方式。 电机的加速和减速是通过计算机不断地修改定时器初值来实现的。在电机加速阶 段,从启动瞬时开始,每产生一个脉冲,定时器初值减小某一定值,则相应的脉 冲周期减小,即脉冲频率增加;在减速阶段,定时器初值不断增加,则相应的脉 冲周期增大,脉冲频率减小,对应梯形脉冲频率特性的减速阶段。该设计的关键 是确定脉冲定时 tn,脉冲时间间隔即脉冲周期 Tn 和脉冲频率 fn。假设从启动瞬 时开始计算脉冲数,加速阶段的脉冲数为 n,并设启动瞬时为计时起点,定时器 初值为 D1,定时器初值的减量为△。从加速阶段的物理过程可知,第一个脉冲周 期,即启动时的脉冲周期 T1=D1/f0,t1=0。由于定时器初值的修改,第 2 个脉冲 周期 T2=(D1-△)/f0=T1-△/f0,脉冲定时 t2=T1,则第 n 个脉冲的周期为:

Tn=T1-(n-1)△/f0 (1) 脉冲定时为:

(2)脉冲频率为:

1/fn=Tn=T1-(n-1)△/f0

(3)上式分别显示了脉冲数 n 与脉冲频率 fn 和时间 tn 的关系。令△/f0=δ,即加 速阶段相邻两脉冲周期的减量,则上述公式简化为:

tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)δ/2 (4)

1/fn=T1-(n-1)δ (5)

联立(4)、(5),并简化 fn 与 tn 的关系,得出加速阶段的数学模型为:

其中,是常数,其值与定时器初值及定时器变化量有关,A=-δ, B=(2T1+δ)2,C=8δ。

加速阶段脉冲频率的变化为: