步進電機的運動規律及速度控制方法

機電驅動控制是機電一體化人才需要的知識。由于電傳動控制裝置和機械設備是一個不可分割的整體，因此可以學習機電傳動控制的一般知識，掌握電機、電器和晶閘管的工作原理、特點、應用和選擇方法。了解最新控制技術在機械設備中的應用。在現代工業中，機電傳動不僅包括驅動生產機械的電機，還包括控制電機以滿足生產過程自動化要求的一整套控制器。也就是說，現代機電傳動與由各種控制部件組成的自動控制系統相連。機電系統通常可以分為三個部分，如圖1所示。

圖1機電驅動控制

在我上這門課之前，我以為電機是高中和中學的DC電機，也就是通電的線圈在磁場中旋轉。那是DC汽車。慢慢的我接觸到了交流電機，我才開始了解220V商用電源。記得下學期我們有一次金工實習，看到培訓下那么多車床，銑床，鉆床.因為需要提供大功率，所以主電機都是380V V，做完這個門，可以多了解一下它們的內部結構和工作原理。

也說明知識是一個慢慢積累的過程。多看多學。我理解很多之前的疑惑。在電視上看到那些智能機器人，它們可以自由活動，就像仿生肌肉一樣。尤其是日本機器人。有可能它的機械臂是由步進電機控制的，換句話說就是由液壓和氣壓控制的。我覺得兩者都有。好在大一的時候進了二班，學到了一些東西，接觸到了步進電機。學習51單片機的時候買了一個，感覺很神奇。

另外前幾天參加了江西電子設計大賽，覺得如果要選控制這個題目，步進電機是必不可少的。所以步進電機是個好東西。我查了網上的資料。步進電機出現在上個世紀。是一種可以自由旋轉的電磁鐵。其工作原理與當今的無功步進電機無異。還依靠氣隙磁導率的變化產生電磁轉矩。可惜是外國人發明的。

我開始寫題目。上完這門課，我就迷上了步進電機。步進電機在現場控制、速度和控制方面發揮著其他電機無法比擬的突出作用。步進電機是將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的開環控制元件步進電機。在非過載情況下，電機的轉速和停止位置只取決于脈沖信號的頻率和個數，不受負載變化的影響。步進驅動器接收到脈沖信號后，驅動步進電機在設定的方向旋轉一個固定的角度，稱為“步角”，其旋轉以固定的角度步進運行。角位移可以通過控制脈沖數來控制，從而達到精確定位的目的；同時，可以通過控制脈沖頻率來控制電機旋轉的速度和加速度，從而達到調速的目的。

步進電機的主要特點如下：

(1)轉速和步距值不受電壓波動、負載變化和溫度變化的影響，只與脈沖頻率同步，轉子運動的總位移只取決于脈沖信號的總數。

(2)開環控制，無反饋，系統結構大大簡化，工作更可靠，維護更方便，在一般定位驅動裝置中精度足夠高。

(3)控制性能好，可通過大范圍改變脈沖頻率來調節電機轉速。起動和制動、倒車和任何其他操作模式的改變都可以在幾個脈沖內完成。

(4)誤差不累加。步進電機每轉一步轉動的角度與理論值總有一定的誤差，但每轉的步數是固定的，所以不丟步就不會累計步差。步進電機不同于其他電機的控制目的，它最大的特點是可以接受數字控制信號(電脈沖信號)，并將其轉換成與之對應的角位移或線位移，因此是完成數模轉換的執行器。

此外，它可以執行開環位置控制，并且通過輸入脈沖信號可以獲得規定的位置增量。與傳統的DC伺服系統相比，這種增量式位置控制系統的成本明顯降低，幾乎不需要系統調整。因此，步進電機被廣泛應用于數控機床、機器人、遙控、航空航天等領域，特別是隨著微型計算機和微電子技術的發展，步進電機得到了廣泛的應用。

步進電機的速度特性

步進電機的速度取決于脈沖頻率、轉子齒數和拍數。它的角速度與脈沖頻率成正比，并與脈沖在時間上同步。因此，當轉子的齒數和運行節拍不變時，只需控制脈沖頻率就可以獲得所需的速度。由于步進電機是通過其同步轉矩啟動的，因此啟動頻率不高，以免失步。特別是隨著功率的增加，轉子直徑和慣性增大，啟動頻率與最高工作頻率之差可能高達10倍。

為了充分發揮電機的快速性能，通常在啟動頻率以下啟動電機，然后逐步增加脈沖頻率，直到達到期望的速度。選擇的變化率應保證電機不失步，盡可能縮短啟動加速時間。為了保證電機的定位精度，需要在停止前，將電機的脈沖率從最高速度逐漸降低到停止速度(等于或略大于啟動速度)。因此，步進電機驅動負載高速移動一定距離并精確定位時，一般應包括“啟動-加速-高速運轉(恒速)-減速-停止”五個階段。速度特性通常是梯形，移動距離短的話就是三角形，如圖2所示。

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圖 2 步進電機的速度曲線

步進電機控制系統結構

PC 機在適當的時刻通過對硬件控制電路上的 8253 計數器 0 賦初值,設置好 加減速過程的頻率變化(即速度、加速度變化),以防止失步。例如,在點位控制 中設置好速度曲線圖,在起動和升速時,使步進電機產生足夠的轉矩驅動負載, 跟上規定的速度和加速度;在減速時,下降特性使負載不產生過沖,停止在規定 的位置。硬件控制電路板上的 8253 產生脈沖方波作為中斷信號源,啟動細分驅 動電路中的固化程序以產生一定頻率的脈沖,經功率放大后驅動步進電機運動。 步進電機運動方向的改變及啟動和停止均由計算機控制硬件控制電路實現。

圖 3 步進電機控制系統

軟件和硬件結合起來一起進行控制,具有電路簡單、控制方便等優點。在這種控制中,微機軟件占用的存儲單元少,程序開發不受定時限制。只要外部中斷 允許,微機就能在電機的每一步之間自由地執行其他任務,以實現多臺步進電機 的運動控制。

定時器初值的確定

步進電機的實時控制運用 PC 機,脈沖方波的產生采用 8253 定時器,其計數 器 0 工作于方式 0 以產生脈沖方波,計數器 1 工作于方式 1 起記數作用,8253 計數器 0 的鐘頻由 2MHz 晶振提供。設計算機賦給 8253 計數器 0 的初值為 D1, 則產生的脈沖方波頻率為 f1=f0/D1,周期T1=1/f1=D1/f0,D1=f0T1=f0/f1。其中, f1 為啟動頻率,f0 為晶振頻率。

步進電機升降速數學模型

為使步進電機在運行中不出現失步現象,一般要求其最高運行頻率應小于 (或等于)步進響應頻率 fs。在該頻率下,步進電機可以任意啟動、停止或反轉而 不發生失步現象。 步進電機升降速有兩種驅動方式,即三角形與梯形驅動方式 (見圖 1),而三角形驅動方式是梯形驅動的特例,因而我們只要研究梯形方式。 電機的加速和減速是通過計算機不斷地修改定時器初值來實現的。在電機加速階 段,從啟動瞬時開始,每產生一個脈沖,定時器初值減小某一定值,則相應的脈 沖周期減小,即脈沖頻率增加;在減速階段,定時器初值不斷增加,則相應的脈 沖周期增大,脈沖頻率減小,對應梯形脈沖頻率特性的減速階段。該設計的關鍵 是確定脈沖定時 tn,脈沖時間間隔即脈沖周期 Tn 和脈沖頻率 fn。假設從啟動瞬 時開始計算脈沖數,加速階段的脈沖數為 n,并設啟動瞬時為計時起點,定時器 初值為 D1,定時器初值的減量為△。從加速階段的物理過程可知,第一個脈沖周 期,即啟動時的脈沖周期 T1=D1/f0,t1=0。由于定時器初值的修改,第 2 個脈沖 周期 T2=(D1-△)/f0=T1-△/f0,脈沖定時 t2=T1,則第 n 個脈沖的周期為:

Tn=T1-(n-1)△/f0 (1) 脈沖定時為:

(2)脈沖頻率為:

1/fn=Tn=T1-(n-1)△/f0

(3)上式分別顯示了脈沖數 n 與脈沖頻率 fn 和時間 tn 的關系。令△/f0=δ,即加 速階段相鄰兩脈沖周期的減量,則上述公式簡化為:

tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)δ/2 (4)

1/fn=T1-(n-1)δ (5)

聯立(4)、(5),并簡化 fn 與 tn 的關系,得出加速階段的數學模型為:

其中,是常數,其值與定時器初值及定時器變化量有關,A=-δ, B=(2T1+δ)2,C=8δ。

加速階段脈沖頻率的變化為: