开环数控系统的驱动与控制设计开题报告

一、选题的依据及意义

    把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。  步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。

    现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，本次设计使用四相步进电机。

    在经济型数控系统特别是开环数控系统中广泛采用步进电动机进行驱动，而开环数控系统在当今的中国又是普遍应用的一种数控系统，因此掌握步进电动机的基本原理具有非常重要的意义。

二、国内外相关研究简介（述）

1.1 步进电机的概念 

    步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。我们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；同时我们也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。 

   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的非常的简单。  

从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。 

1.2 步进电机的特点 

    1. 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。 

    2. 步进电机外表不允许较高的温度，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，磁性材料的退磁点都在摄氏130 度以上，有的甚至高达摄氏200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90 度完全正常。 

    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. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 

    5. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 

    6. 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。 

    7. 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。 

    8. 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和直流电源。 

9. 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的

措施。 

10. 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。 

1.3步进电机的基本参数

1.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，启动频率更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

2.电机的相数
    产生不同对N、S极磁场的激磁线圈对数 ,即电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。目前应用最广泛的是两相和四相，四相电机一般用作两相，五相的成本较高。

3.固有步距角 

对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度/（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为 θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为 θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。这个步距角称为电机固有步距角，电机出厂时给出了一个步距角的值 ,它不一定是电机实际工作时的真正步距角，, 真正的步距角和驱动器有关。现在的步进电机都有细分的驱动器，细分数决定步距角,例如两相的步进电机驱动器为5细分步距角为1.8°/5=0.36° 

4.保持转矩

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说5N.M的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为5N.m的步进电机。

    5.拍数

    完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

   6.定位转矩

电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的），由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有定位转矩。

7.最大静转矩

电机在额定静态电作用下（通电），电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩，即定子锁住转子的力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

三、本课题研究内容

1） 步进电动机的选型计算（在假定负载下）

2）步进电动机驱动电源的选型分析

3）步进电动机驱动电源设计计算（重点是关键器件的计算和选型)

4）驱动电源详细电路图和器件清单

四、本课题研究方法

设计出相应的步进电动机驱动电源；

设计出数控装置控制步进电动机的原理框图；

编写出步进电动机速度控制软件流程图和程序清单

设计说明书一份5000字以上

电动机的软件流程图和程序清单A4一张电动机的原理框图A1一张

五、研究目标、主要特色（创新）及工作进度

    本文将通过对车床改造中开发的以工业控制机(IPC)为系统支撑平台，以PMAC运动控制器为数控模块的双 CPU开放式数控系统。该系统用IPC处理非实时部分，而插入IPC的PMAC多轴运动控制器承担运动的实时控制。

   本系统的特色是让各微处理器并行工作，软件工作被分散到各级处理器，实现WINDOWS/NT环境下实时多任务处理，提高了系统的执行速度。

六、参考文献

[1] 张毅刚.单片机原理及应用[M]，高等教育出版社,2003.

[2] 陈理壁. 步进电机及其应用[M] . 上海科学技术出版社,1989.

[3] 刘保延等. 步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨工业大学出版社,1997.

[4] 李立华等.《MCS-51系列单片机实用接口技术》.北京航空航天大学出版社

[5] 王福瑞. 单片微机测控系统设计大全[M] . 北京:北京航空航天大学出版社,1998.

[6] 何立民. 单片机应用技术选编[M] . 北京:北京航空航天大学出版社,1993.