步进电机的控制综述【文献综述】

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1、毕业论文文献综述电气工程及自动化步进电机的控制综述摘要：介绍步进电机的定义及其分类，重点介绍步进电机的控制原理，并分别分析了运用PLC、单片机和FPGA控制步进电机定位的不同控制方法。简单列举了步进电机的四种位置检测方法及其步进电动机的三种常见的驱动方式。关键词:步进电动机；PLC；单片机；FPGA；位置检测；光栅位置检测；微步驱动；1引言随着电子信息技术的发展，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度手段的需求不断升级。步进电动机在自动化装备、办公自动化设备中有着广泛的应用。现在步进电机多用于数控车床和机器人系统中。作为数字伺服执

2、行原件，步进电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，广泛应用于数控机床、机器人、自动化仪表等领域，特别是航空、航天、电子等领域中，要求完成的工作量大、精度高的任务[1]。特别是航空、航天、电子等领域中，要求完成的工作量大、精度高的任务。对于不同类型和相数的步进电机采取不同的控制策略仍是现代研究的热点。2步进电动机的定义及分类步进电机是一种将电脉冲信号转换为相应角位移或直线位移的一种开环控制特殊电动机。其工作原理为当步进驱动器接受到一个脉冲信号，电动机就按规定方向上转动一个固定角度。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉

3、冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的[2]。一般步进电机工作分为四个阶段，即加速、减速、低速运行直至停止[3]。从结构上分，步进电动机一般分为三种类型：1）：反应式步进电机（VR），这类电动机转子的结构由软磁片或钢片叠成，因此转子的惯量小，适合高速下运行[3]。2）：永磁式步进电机（PM），它的转子采用了永久磁铁。它一般为两相，转矩和体积较小。步进角一般为7.5度或15度。3）：混合式步进电机（HB），它结合了反应式和永磁式的优点，它具有高精度、大转矩和步距小等许

4、多优点。应用范围最为广。3步进电机的控制原理3.1PLC控制步进电机定位系统步进电机的控制分为开环控制和闭环控制。开环和闭环控制的差别在于保持恒定的变量不同。在开环控制中电动机的转速是由控制脉冲的频率决定。电动机的超前角一直在自动调节中，直到电动机的电磁力矩和负载转矩相平衡。而闭环控制，超前角由控制器根据转矩大小及其负载的情况给定的[4]。PLC采用循环扫描的方式，由PLC产生频率可变的脉冲信号，环形分配器把脉冲输入按一定规律分配给步进给步进电机功率放大器，控制励磁绕组的导通或截止，从而驱动步进电机运行[5]。对步进电机的控制可以从三方面进行控制，

5、（1）：转速控制，速度的大小与输入脉冲的频率成正比。（2）：转向控制，步进电机的转向与输入给各项绕组脉冲的先后次序有关，例如对于三相三拍步进电机的控制来讲，电机正向旋转时脉冲的顺序为A-B-C-A,逆向旋转时提供脉冲顺序为C-B-A-C,通过PLC输出脉冲顺序，实现步进电机转向的改变[6]。（3）：步进控制，每输入一个脉冲就前进一步，输出角位移与输入脉冲数成正比。采用PLC实现步进电机位置控制的方法，较传统的步进电机控制方式而言，可以大大减少系统设计的工作量，而且不存在各部分接口信号的pE配问题，从而提高系统的可靠性。3.2单片机控制步进电机定位系

6、统随着IT技术的飞速发展，单片机技术也愈发的成熟，因此单片机软件设计步进电机定位系统也越发受到人们的青睐。该系统采用C语言对单片机进行程序设计，首先对系统软件进行参数设置，根据所选步进电机的参数，设定转动角度和步数的关系。再设置外部控制信号与电机转动具体位置的关系。为了区分不同初始位置，便于程序设计，还应设置电机位置的标志参数。控制软件设计的具体设计包括两个主要方面；步进电机转动速度的控制和步进电机定位的控制。转动速度的控制可以通过单片机的定时计数器产生的脉冲信号的输出触发单片机的外部中断源，从而控制步进电机驱动信号的输出。定位控制可通过初始位置和

7、目的位置的判断，结合单片机之前设置的控制信号参数，对照步进电机控制信号与目的位置关系表，使电机达到目的位置[7]。3.3FPGA芯片实现步进电机定位控制该方法采用模块设计的方法，其中重点模块为定位控制驱动模块，通过对FPGA芯片编写VHDL程序实现对步进电机的控制功能。该模块分为数据接收、分频、调速、定位及译码。采用DDS原理相位累加部分用于产生控制步进电机转速控制的脉冲分配。用计数器来实现步进电机运转设定的步数。利用FPGA芯片基于硬件的编程语言和精确的时间控制特点，准确地实现了精确定位的功能，并且利用直接频率合成理论中相位累加器的原理实现了对步

8、进电机的运行速度的精确控制[8]。4步进电机的位置检测位置检测是定位系统中的重要环节。传统的位置传感器如光电编码器等，具有