第一章 引言

1.1 课题提出的背景和研究意义

由于步进电机不需要位置传感器或速度传感器就可以实现定位，即使在开环状态下它的控制效果也是令人非常满意的，这有利于装置或设备的小型化和低成本，因此步进电机在计算机外围设备、数控机床和自动化生产线等领域中都得到了广泛的应用。

对于一个步进电机控制系统而言，总希望它能以最短的时间到达控制终点。因此要求步进电机的速度尽可能地快，但如果速度太快，则可能发生失步。此外，一般步进电机对空载最高启动频率都是有所限制的。当步进电机带负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差。当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动时有一个加速的过程。从高速运行到停止也应该有一个减速的过程，防止步进电机因为系统惯性的原因，而发生冲过终点的现象。为此本文以单片机作为控制核心，实现步进电机的自动加减速控制，使系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象。因为步进电机的转速正比于控制脉冲的频率，所以调节步进电机的转速，实质上是调节单片机输出的脉冲频率【1】。

由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接收数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。步进电机工作时，失步或者过冲都会直接影响其控制精度。研究步进电机的加减速控制，可以提高步进电机的响应速度、平稳性和定位精度等性能，从而决

定了步进电机控制系统的综合性能。

1.2 课题的主要研究内容

1、步进电机的工作原理

通过查阅文献对步进电机的单拍运行、双拍运行、单双拍运行等各种运行方式进行研究，深入了解各种运行方式的特点和对步进电机控制性能的影响。

2、环形脉冲分配器的设计

研究环形脉冲分配器的作用和构成，并设计出可靠、灵活的环形脉冲分配器电路。

3、步进电机的续流电路

根据步进电机的控制特点，分析续流电路对步进电机控制性能的影响，并设计步进电机的续流电路。

4、步进电机控制系统的软硬件设计

根据步进电机的原理和控制特点，对步进电机控制系统的软硬件进行分析和设计。

5、程序的调试及修改

用Keil软件进行编程和调试，并且在Proteus环境下进行系统仿真。

1.3 本章小结

本章首先介绍了课题研究的背景，提出设计的思路。其次介绍了课题研究的目的和意义，最后介绍了课题的主要研究内容。

第二章 步进电机控制系统设计

2.1 步进电机的原理

反应式步进电机的工作原理是与反应式同步电机一样，也是利用转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动，如图2.1 所示是一台反应式步进电机的工作原理，定子铁心为凸极式，共有三相，六个磁极，不带小齿，磁极上装有控制绕组，相对的两个磁极串联连接，组成一相控制绕组。转子用软磁材料制成，也是凸极结构，只有两个齿，齿宽等于定子的极靴宽【2】。

2.1.1 三相单三拍通电方式

这是步进电机的一种最简单的工作方式，所谓“三相”，即三相步进电机，具有三相定子绕组；“单”指每次只有一相绕组通电；“三拍”指三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次情况。

当A相绕组通电如图2.1 (a) 所示，而B相和C相不通电时，A相的两个磁极被励磁，一个呈N极另一个呈S极，由于磁场对转子铁心的电磁吸力，使转子轴线对准A相磁极的轴线。这种现象也可以这样来理解，A相通电时，转子对定子的相对位置不同，则磁路的磁阻也不同，使A相磁路的磁阻为最少的转子位置，就是该时的稳定平衡位置，即转子稳定在转子轴线和A相磁极轴线相重合的位置。同样道理，当A相断开，接通B相时，如图2.1 (b) 所示，B相磁极对转子的电磁力将使转子顺时针转过60°，达到转子轴线和B相磁极轴线相重合的位置，即转子走过一步，然后B相电源断开，同时接通C相如图2.1 (c) 所示，同理将使转子按顺时针方向再走一步。如此按A-B-C-A的顺序使三相绕组轮流通电，则转子依顺时针方向一步一步地转动。如果改变三相绕组的通电顺序为A-C-B-A显然步进电机将按逆时针方向转动。上述三相三拍运行，表示三种通电状态为一个循环，即三次通电状态改变后，又恢复到起始状态，一拍对应转子转过的角度称为步距角，通常用θs表示，图2.1

中转子每步转过的步距角为60°。

（a）A相通电 （b）B相通电 （c）C相通电

图2.1 三相反应式步进电机原理

如果将上图的反应式步进电机的转子制成四极（或称为四个齿）结构，如图2.2所示，则按三相单三拍运行时，转子的步距角也将发生变化。当A相通电时如图2.2 (a)所示，转子齿1、3对准A相磁极轴线重合，当B相通电时如图2.2 (b)所示，转子将逆时针转过30°，稳定在转子齿2、4对准B相磁极轴线的位置，当C相通电时如图2.2 (c)所示，转子又将逆时针方向转动30°，转子齿1、3对准C相磁极轴线的位置，由此可见，每通电一次转子转过的角度为30°即每步转过的步距角为30°。

(a) A相通电 (b) B相通电 (c) C相通电