步进电机选用研究论文

2022-04-20

摘要:机器人小车的动作是由步进电机来驱动,步进电机是一种控制精度极高的电机,在工业上有着广泛的应用。文章简要介绍了步进电机的控制原理,并对采用可编程控制器(PLC)对步进电机进行控制的设计方法进行了介绍,给出了控制系统的硬件、软件设计方法。实际应用表明了设计的有效性。下面是小编为大家整理的《步进电机选用研究论文(精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

步进电机选用研究论文篇1：

利用红外技术和单片机对步进电机的无线控制

摘要：步进电机作为控制装置中的一种执行元件，被广泛使用在控制领域。红外遥控则是一种常见的近距离无线通信手段。文章分析了步进电机原理和红外遥控的编解码技术。最后在此基础上，阐述了以单片机开发平台，利用红外遥控控制步进电机的实现方法。

关键词：步进电机红外无线遥控单片机

一、引言

步进电机是将电脉冲信号转变成角位移或线位移的开环控制元步进电机件，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就会驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，成为“步距角”，可以通过脉冲信号个数来控制角位移量，通过脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，目前已被广泛应用于自动化控制等领域。红外遥控是一种短距离无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，传输可靠，功耗成本，以被用于越来越多的控制领域。在某些较为恶劣或者可能会对人体产生伤害的环境中，需要对步进电机进行无线控制，则可以通过红外遥控技术，实现对步进电机的实时操作。红外遥控技术不需要再设备间布线，仅仅利用红外遥控就可以对步进电机进行无线控制。因此该技术在一些特殊领域应用前景广阔。

二、方案工作原理

（一）、总体方案说明

在系统的硬件设计中，建议单片机硬件尽可能采用功能强的芯片，一方面可以简化电路，另一方面方便后期的扩展，本文采用AT89S51单片机作为主处理器，主要器件包括步进电机、红外遥控器两部分组成，红外控制的功能主要有正转，反转，加速，减速，暂停五个按键组成。

（二）、具体结构设计

1、红外接收解码处理及接口电路

不同公司的遥控芯片，采用的遥控码格式也不一样。较普遍的有两种，一种是NEC标准，一种是PHILIPS标准，本文采用的是NEC标准的WD6122芯片遥控器。一个完整的全码=引导码+用户码+用户码+数据码+数据反码。其中引导码高电平4.5ms，低电平4.5ms；系统码8位，数据码8位，共32位，如图1所示。用户码用来区分不同的红外遥控设备，防止不同遥控设备相互干扰。后16位为8位操作码和操作反码，用来对接收数据进行二次验证。接收端根据接收到的数据码，通过单片机发出动作指令，控制步进电机的工作方式（加速、减速、正轉、反转等）。

根据上面的编码脉冲，程序等待9ms的起始码和4.5ms的结果码完成后才能读码，解码的关键是如何识别0和1，这里通过编码脉冲高电平的宽度开区别0，1。0为窄脉冲0.56ms，1为宽脉冲1.685ms。所以在接收端根据接收到的脉冲宽度或者高电平持续时间进行解码。

一体化红外接收只有三个引脚：VCC、GND和一个脉冲信号输出引脚OUT，如图2所示，与单片机的接口连接简单方便。VCC接电源+5V并经电容进行滤波，以避免电源干扰； GND接系统的地线（0V）；脉冲信号输出接单片机的中断输入引脚。使用这种连接方法，软件解码可以工作于查询方式，也可以工作于中断方式。当有红外信号时，触发中断查询中断时间，并和起始码，“0”、“1”的时间进行比较，从而完成红外解码。

2、步进电机原理及控制电路

步进电机通过单片机发送的脉冲信号数决定转动角度，转速有脉冲信号频率决定。本文中的步进电机采用的是减速比1/64的五线4相电机，单极性直流电源供电，工作原理图如图3所示。四相步进电机驱动方式可以采用单四拍，双四拍和八拍等方式，这里采用的单四拍的工作，时序波形图如图4所示。

三、单片机接口部分及软件实现

（一）、程序流程说明

本文中单片机选用AT89S51单片机作为主处理器，单片机正常工作运行后，启动定时器和外部中断的初始化，当检测到外部红外信号的高电平脉冲后，会触发外部中断，同时定时器中断计数清零并重新计数，统计高电平持续时间，用于后期的解码。当接收完全部32位脉冲后，进行解码，根据解码结果，单片机控制步进电机的工作方式和转动速度。

四、结束语

本文提出的利用红外无线控制步进电机。采用AT89S51单片机作为主处理器，对接收到的红外信号进行解码后控制步进电机工作，设备成本低，结构简单，能够实现对步进电机的无线控制，从而避免在恶劣环境下人员直接操作所带来的潜在危险，完成一些复杂危险的任务。同时可以根据设备现场的场景变化，实时调整步进电机的运行状态。从而提高对步进电机的自动化控制程度。

备注：项目类型： 2013年度省级质量工程项目卓越人才培养计划

项目名称： LTE通信工程技能型卓越人才培养计划

项目编号： 2013zjjh055

作者简介：

陈锋（1987.09-），男，安徽淮南，工作单位：安徽职业技术学院，助教，硕士研究生学历，研究方向：嵌入式，软件算法。

作者：陈锋　胡春雷　李明才

步进电机选用研究论文篇2：

半自动搬运机器人小车的运动控制

摘要:机器人小车的动作是由步进电机来驱动,步进电机是一种控制精度极高的电机,在工业上有着广泛的应用。文章简要介绍了步进电机的控制原理,并对采用可编程控制器(PLC)对步进电机进行控制的设计方法进行了介绍,给出了控制系统的硬件、软件设计方法。实际应用表明了设计的有效性。

关键词:半自动;小车机器人;可编程控制器;步进电机;电机控制;运动控制

机器人由小车、升降台、机械手组成。电气PLC要求控制小车的前后左右运转,升降台带动机械手上下运行,机械手则要实现夹紧与松开的运行。机器人小车的动作由步进电机拖动,四个轴八个方向,而步进电机由对应的驱动器驱动,驱动器的控制由PLC来完成。控制方案的系统结构如图1所示,系统硬件部分由控制面板、PLC控制器、驱动器、步进电机等组成。操作面板实现操作功能;控制器PLC发出脉冲、方向信号,通过驱动器控制步进电机的运行状态。

而我们就是负责将上述环节按要求连接,使得在操作机器人按钮时,机器人能按要求运动。为了操作方便,操作按钮安装在遥控面板,遥控接收器收到信号传给PLC的输入接口。

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。在非超载的情况下,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。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。

可编程控制器(Programmable Logic Controller,通常称PLC)是一种工业控制计算机,具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能,能充分适应工业环境,简单易懂,操作方便,可靠性高,是目前广泛应用的控制装置之一。PLC对步进电机也具有良好的控制能力,利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能,即可实现对步进电机的控制。利用PLC控制步进电机,其脉冲分配可以由软件实现,也可由硬件组成。

本文中,我们将对采用PLC来进行步进电机的设计研究进行介绍,讨论步进电机的PLC控制系统的硬件和软件设计方法。

一、步进电机

(一)步进电机的控制原理及特性

1.步进电机的控制原理。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机的运行需要有脉冲分配的功率型电子装置驱动,这就是步进电机驱动器。控制系统每发出一个脉冲信号,通过驱动器就能驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的;通过改变通电顺序,从而达到改变电机旋转方向的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。

2.步进电机的特点:(1)一般步进电机的精度为步进角的3%～5%,且不累积,所以具有良好的跟随特性。(2)步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点,一般来讲,步进电机外表温度在80℃～90℃完全正常。(3)步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。(4)步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。图2为步进电机脉冲频率的变化规律图:

(二)步进电机脉冲频率的变化规律

系统设计中我们采用的步进电机为0.9°步距角二相步进电机。步进电机在启动和停止时有一个加速及减速过程,且加速速度越小则冲击越小,动作越平稳,所以步进电机工作一般要经历以下的变化过程:加速—恒速(高速)—减速—恒速(低速)—停止。因步进电机转速与脉冲频率成正比,所以输入步进电机的脉冲频率也要经历一个类似的变化过程,其变化规律如图2所示。可见在步进电机启动时要使脉冲升频,停车时使脉冲降频。

由于步进电机驱动器在输入脉冲200Hz时处于震荡区内,容易损坏内部元件,而在200Hz以下运转速度较慢,效率较低,故一般采用350Hz作为脉冲的低频起点。经测试,轻载时高频脉冲可达到6.8kHz。

二、步进电机PLC控制系统的硬件设计

(一)硬件选型

1.步进电机:步进电机有步距角、静力矩、电流三大要素组成。根据负载的控制精度要求选择步距角大小,根据负载的大小确定静力矩,静力矩一经确定根据电机矩频特性曲线来判断电机的电流。一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。本系统使用的是35BYG系列的步进电机,其转矩比较高。

2.驱动器:遵循先选电机后选驱动的原则,电机的相数、电流大小是驱动器选择的决定性因素;在选型中,还要根据PLC输出信号的极性来决定驱动器输入信号是共阳极或共阴极。为了改善电机的运行性能和提高控制精度,通常通过选择带细分功能的驱动器来实现,目前驱动器的细分等级有8倍、16倍、32倍、64倍等,最高可达256倍细分。在实际应用中,应根据控制要求和步进电机的特性选择合适的细分倍数,以达到更高的速度和更大的高速转矩,使电机运转精度更高,振动更小。经比较我们选用的是南京步进电机厂的HSM系列的步进电机驱动器。

3.PLC:在对PLC选型前,应根据下式计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量。

根据脉冲频率可以确定PLC高速脉冲输出时的频率,根据脉冲数量可以确定PLC的位宽。运用PLC控制步进电机时,应该保证PLC具有高速脉冲输出功能,通过选择具有高速脉冲输出功能或专用运动控制功能的模块来实现。设计中,根据选型原则和功能要求,我们采用的步进电机为0.9°步距角的二相步进电机;因为考虑到是用在机器人小车上,所有部件都需要跟车移动,所以我们整体选用两块12V电池,PLC工作电源选用24V直流,用的是信捷XC3-14的PLC两个(因有四个步进电机,而每个XC3-14只有两个高速脉冲输出)。

(二)硬件连接

按照系统控制要求,系统I/O硬件连接如图3所示(部分):

三、步进电机PLC控制系统的软件设计

步进电机控制程序可以采用梯形图语言或者指令表语言等进行编制,控制程序在上位机中编制、调试和编译后,即可下载到PLC中。如图4所示为一个电机控制梯形图(部分)。Y0口输出脉冲信号,Y1和Y2为方向和脱机信号。设计时我先用西门子S7-200系列PLC编程调试,成功后改用所选PLC。

四、结语

利用PLC可方便地实现对电机的方向和位置进行控制,可靠地实现各种步进电机的操作,完成机器人的各种复杂工作。步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。

参考文献

[1]李道霖.电气控制与PLC原理及应用(西门子系列)[M].电子工业出版社,2004.

[2]杨莹,邵英,等.可编程控制器案例教程[M].机械工业出版社,2008.

[3]李发海,王岩.电机与拖动基础(第三版)[M].清华大学出版社,2005.

作者简介:郭夕琴,南京机电职业技术学院电子工程系教师,电气工程师,维修电工技师;丁荣乐,南京机电职业技术学院实训中心PLC实训室教师;王志斌,南京机电职业技术学院机械工程系教师。

作者：郭夕琴丁荣乐王志斌

步进电机选用研究论文篇3：

步进电机在木材机械吸湿蠕变测定仪中的应用

摘要为了研究木材在温、湿度变化条件下的机械吸湿蠕变特性及其影响因素，研制出可施加一定范围内的恒力的木材蠕变仪。该仪器采用精密称重传感器作为测力敏感元件，红外激光位移传感器作为蠕变变形测量元件，五相步进电机作动力，并通过RS232串口线与电脑配合使用。通过对步进电机的性能以及实验要求的分析，选取合适的电机应用在实验中。该电机具有高精度，易控制的特点，实验数据也可为相关实验实现自动化控制奠定的良好的基础。

关键词步进电机；蠕变；木材

木材的木材机械吸湿蠕指的是木材在含水率变化状态下所表现出的一种蠕变增大、甚至最终导致其发生破坏的特异现象。木材作为一种应用广泛的工程材料，对其蠕变特性进行系统考察，对指导木材在工程中的合理利用、以及完善木材科学基础研究具有重要的现实意义和理论价值。

以往木材机械吸湿蠕变研究中动态温、湿度条件主要利用恒温恒湿箱来实现，但施力方法尚未实现自动控制检测，力的施加和卸载需要开关箱门进行人工添加或减少砝码进行调节，这必然会影响箱内设定的温、湿度环境，进而对木材机械吸湿蠕变的测量结果造成误差。同时，应用砝码施加或卸载力只能设定间歇力的作用，而无法获得连续力的设定效果。

基于上述问题，对机械吸湿蠕变的研究往往需要一种尺寸小、可容纳于恒温恒湿箱中，且能够实现自动施加、卸载木材受力的蠕变测定装置来完成科学、准确的测量工作。为了实现自动而精确地施加、卸载木材的作用力，高精度的控制电机的应用至关重要。

1 木材机械吸湿蠕变实验方法

根据木材和工程复合木材的持续负载和蠕变影响评定关于木材吸湿蠕变实验方法的详细描述[1]如下。

1）实验样本应该能够代表所评价的产品。将实验样本分成两个具有几乎相同的分布和变化范围的独立的组。一组进行短期的抗弯实验，另一组做长期的抗弯蠕变实验。每组至少需要28个试样。如果要做进一步的研究，增加的试样应该从初始所选择的样本中抽样。长期和短期的试样应该具有同样的横截面和长度尺寸。①采用简支梁法，将试样放在两支点上，由两个距离支点1/3跨距的集中力加载。载荷施加的方向应该与设备一般使用时受力的方向一致；②对于搁栅，跨距应不低于试样厚度的17倍，推荐跨距为试样厚度的18倍。实验应该保持侧面的稳定性，必要时需要对侧面进行约束；③对于木基结构板材，试样厚度为板材的厚度，宽度应不低于300 mm，跨距应该不低于试样厚度的48倍。

2）短期试样抗弯实验完成后，立即在邻近破坏处取

20 mm×20 mm×20 mm的含水率试样，按GB/T 1931测量其含水率，对于长期试样在长期实验结束后也根据该标准测量含水率。长期试样的平均含水率与短期试样含水率的偏差不能高于土2%。在实验前，将短期和长期试样在实验环境中调整至少30天，一般能够保证含水率变化在±2%范围内。

3）抗弯蠕变实验应在平均温度为20℃、相对湿度为50%的条件下或者在接近此条件的室温条件下进行。每天记录实验环境的温度和相对湿度。实验环境中每天的平均温度与短期实验室温度的差异不应大于5℃。任何时间，实验环境温度不得低于0℃。

注：如果在实验中环境温度低于规定的温度下限，就应至少延长不符合实验温度条件相同天数的试验时间，以证明实验数据的有效性。

在木材吸湿蠕变实验中，所提及到的周期为90天。而一般采用的木材在实验中受力为0-100 N，控制电机在温度20℃和相对湿度50%的环境中只要做好相关的处理之后都能正常并且长期的运行。

根据木材机械吸湿蠕变实验的实验方法，已设计出木材蠕变仪的结构示意图如图1所示。

1：控制电机；2：称重传感器；3：载重支架；4：砝码安装部；5：施力圆柱；6：支撑件；7：激光位移传感器；8：实验木材

图1 木材吸湿蠕变测定仪结构示意图

2 控制电机的类型

为了达到能够完成位移精确变化的要求，选取控制电机中适合的电机进行性能和综合性的对比分析，给出最佳类型的电机作为蠕变仪的组成部件。首次选取的电机分别有自步进电机、整角机、伺服电机三种。

1）步进电机。步进电机是一种变磁阻式，将电脉冲信号转化为相应的角位移或者线位移运动的开环控制元件[2]。它的结构简单、工作可靠，能将数字的电脉冲信号转化为模拟的转动轴运动。当步进电机驱动器收到一个电脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动固定的角度，信号可持续给入步进电机，步进电机可持续转动，亦方向可逆[2]。

步进电机具有以下特点：

①一般的步进电机精度为步进角的3%-5%，没有累计误差，具有良好的跟随性[2，3]；②步进电机与驱动电路组成的开环数控系统非常可靠，它可以与角度反馈环节组成高性能的闭环控制系统；③步进电机动态响应快，易于起停、正反转以及变速[3]；④步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源盒直流电源，更加安全[3]；⑤步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；步进电机转动频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率的增大而相电流减少，从而导致力矩的下降[2]；⑥步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动[2]；⑦步进电机存在震荡和失步现象，必须对控制系统的机械负载采取相应的措施[3]。

2）自整角机[4]。自整角机是一种将转角变换成电压信号，或将电压信号变换成转角，通过两个或两个以上的组合使用，以实现角度的传输、变换和接收的元件。由包括自整角机在内所组成的同步联接系统，是以电的联系。可以使角度变化通过传动轴变化为位置的变化，无论距离远近均能实现传输、变换和指示。在此，由于精度要求较高，自整角机在蠕变仪中的高精度控制中必须要依赖于伺服电机以及其它元件的配合才能完成，便可直接采用伺服电机。

3）伺服电机[5]。伺服电机是指伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种闭环控制的补助马达间接变速装置。其性质与步进电机非常相似但是却存在很多不同之处。与步进电机的比较：①控制精度更高；②低频特性好，即使在低速时也不会出现振动现象；③矩频特性不同，即在其额定转速（一般为2000 r/min或3000 r/min）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出；④具有较强的速度过载和转矩过载能力，最大转矩为额定转矩的2～3倍；⑤交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，控制性能更为可靠；

4）综合分析。①机械吸湿蠕变实验要求木材必须保持长时间受力稳定状态，步进电机存在失步和过冲现象，但是可以通过控制步进电机的升降速控制很好的解决问题；②步进电机存在低频现象，也就是上述的震动现象会影响木材受力稳定状态下红外激光位移传感器对木材形变量的测量。但是可以通过阻尼技术或者在驱动器上采用细分技术便克服低频震动现象；③虽然伺服电机的加速时间远远低于步进电机，但是在长达90天的木材吸湿蠕变实验中，两者的时间差距以及步进电机调整位置耗费的时间是非常短暂的，对实验结果得影响可以忽略不计；④实验中要求木材形变程度与步进电机前进或者后退的步距成正相关，其中衔接部位并无弹性介质，且在木材在0-100 N受力范围内精度能够达到0.1 N。步进电机的精度完全能达到要求，而伺服电机却是步进电机的几百倍精度。所以在精度上适合采用更为接近的步进电机，以降低对控制电机的控制复杂程度；⑤步进电机和伺服电机均为带磁电机，为避免消磁温度应控制在110℃以下，湿度应低于85%。在木材机械吸湿蠕变实验中均能良好运行；⑥在价格上，伺服电机的价格远远高于步进电机，大大降低了实验仪器的制作成本。

综合上述比较和问题的分析和解决，在木材吸湿蠕变实验中，更适合选用控制电机中较为简单成本更低的步进电机。

3 在木材机械吸湿蠕变仪中步进电机的控制与实现

步进电机应用在木材吸湿蠕变测定仪中必然涉及到对其控制程序的设计，且因为步进电机启动速度会影响其性能，以及木材的受力大小和形变的程度不是一元线性关系，对步进电机的控制程序也不能单纯的呈现固定的加速和减速关系。

步进电机的加减速只需要控制它的驱动脉冲频率，而改变频率，则只需要改变脉冲的输出时间，即改变相应数组的调用时间[6]。在木材机械吸湿蠕变实验中，木材的受力改变是从前一个力变化到后一个力的过程，为了提高实验的精确度就必须保证步进电机能够在最短的时间内到达预定的受力位置。当步进电机的启动频率小于空载启动频率时，由于惯性步进电机跟不上电信号的变化，便会存在失步、过冲现象以及产生较大的声响[7]。因此，步进电机在启动时，必须存在从空载频率以下升高的过程，停止时必须有减速过程。理想的升速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率的逆过程。

在此步进电机的控制系统中，采用步进脉冲调频法和升降频法结合的方法[8]，为了减少程序的复杂程度，设定前一个受力大小到下一个受力大小差值与速度的控制曲线为三角函数：

Y=（X/5）*Sin（（π/X）*x） x=[0，X] ①

式中，（X/5）为步进电机运转的最快速度的倍数，π/X为周期的变更系数，x为前一个受力大小到下一个受力大小的差值（N）。）

假如步进电机前一个受力大小到下一个要求达到的受力大小为5 N，也就是在此木材机械吸湿蠕变实验中最大差值，取定w为（π/5），则Y与X的函数关系为：

以下图中曲线所对应的四个不同受力变化的函数

Y1=（X/5）*Sin（（π/X）*x）） x=[0，5] X=5 ②

Y2=（X/5）*Sin（（π/X）*x） x=[0，4] X=4 ③

Y3=（X/5）*Sin（（π/X）*x）） x=[0，2.5] X=2.5 ④

Y4=（X/5）*Sin（（π/X）*x） x=[0，1] X=1 ⑤

图2 木材受力变化与速度的关系图

采用上述步进电机速度控制方法，以及第三节所述的硬件系统。系统主要由信号放大与处理电路、带10位A/D转换的单片机STC12C5A60S2、5相步进电机控制电路、双孔平行梁结构的应变式称重传感器测量电路、红外激光位移传感器测量电路和笔记本电脑组成。

A/D转换实现模拟信号的数字化；单片机系统主要完成信号的采集、数据通信；步进电机主要实现力的大小的转变；笔记本电脑完成数据接收、存储数据、数据处理、计算、显示等功能。