【導讀】集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個。人和集體均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律。結果由本人承擔。1）請說明步進電機的發(fā)展優(yōu)缺點及目前現狀和發(fā)展趨勢；2）請詳細介紹有關步進電機的基礎知識及其研究意義；步進電機相關資料，寫好開題報告；2）2020年4月初----2020年4月底完成畢業(yè)論文關于步進電機的初步功能設計；需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。步進電機作為執(zhí)行元。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累。因此用好步進電機卻非易事，它涉。用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識?；趩纹瑱C的步進電機細分控制系統設計為題，相對來說具有蠻大的挑戰(zhàn)性。于細分驅動的步進電機越來越應用于生活中的各個領域，本選題還是不錯的。的內容，另外還有關于步進電機的應用中的優(yōu)缺點。

　　

【正文】 高等要求 [2]。本論文就是采用這個思路進行設計。一般步進電機控制器都用硬件實現，雖然電路可以做到了高集成度，可價格較貴，功能相對較單一，并且設計要求有所改變，就得改變整個硬件電路，比較麻煩。而采用單片機的軟件和硬件結合進行控制，運用其強大的可編程和運算功能，充分利用單片機的各種資源，能靈活的對步進電機進行控制，實現其不同模式、步數、正反轉、轉速等控制，如果需改變控制要求，一般只需改變軟件就能適應新的環(huán)境，并且在本設計中利用動態(tài)掃描技術，把顯示電路和鍵盤電路有機的結合起來，能做到一定的人機交換，而且為 了抗干擾，提高可靠性，具有一定的應用價值。 步進機的現狀以及發(fā)展趨勢 步進電機的現狀 我國步進電機的研究及制造起始于本世界 50 年代后期，從 50 年代后期到 60 年代后期，主要是高等院校和科研機構為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產品。我國在文化大革命中開始大量生產和應用步進電機，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生產，而且都在各行業(yè)使用，其中的驅動電路所有半導體器件都是完全國產化的，當時是全分立元器件構成的邏輯運算電路，還有電容耦合輸入的計數器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。中等耐壓的大功 率半導體器件也完全國產化。 70 年代初期，步進電機的生產和研究都有所突破，除反映在驅動器設計方面的長足進步以外，對反應式步進電機本 4 體的設計研究發(fā)展到一個較高的水平。 70 年代中期至 80 年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動機不斷被開發(fā)。至 80 年代中期以來，由于步進電機精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進電機及驅動器作為產品廣泛利用。 目前 ， 生產步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在 產品選型、使用中造成許多麻煩。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機， 交流電機 在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識 [3]。 步進電機的發(fā)展趨勢 步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。傳統電動機作為機電能量轉換裝置 ，在人類的生產和生活進入電氣化過程中起著關鍵的作用。可是在人類社會進入自動化時代的今天，傳統電動機的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運動控制系統的要求。為適應這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動機系統，其中較有自己特點，且應用十分廣泛的一類便是步進電動機。 步進電動機的發(fā)展與計算機工業(yè)密切相關。自從步進電動機在計算機外圍設備中取代小型直流電動機以后，使其設備的性能提高，很快地促進了步進電動機的發(fā)展。另一方面，微型計算機和數字控制技術的發(fā)展，又將作為數控系統執(zhí)行部件的步進電動機推廣應用到 其他領域，如電加工機床、小功率機械加工機床、測量儀器、光學和醫(yī)療儀器以及包裝機械等。 任何一種產品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統一和簡化的過程（專、精度）?，F在，步進電動機的發(fā)展 — （結構的發(fā)展）已歸結為單段式結構的磁阻式、混合式和爪極結構的永磁式三類。爪極電機價格便宜，性能指標不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動機，由于混合式步進電動機具有控制功率小，運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導地位。最典型的產品是二相 8 極 50 齒的電動機，步距角 176。／ 176。（全步／半步）；還有五相 10 極 50齒和一些轉子 100 齒的二相和五相步進電動機，五相電動機主要用于運行性能較高的場合。到目前，工業(yè)發(fā)達國家的磁阻式步進電動機已極少見。 步進電動機最大的生產國是日本，如日本伺服公司、東方公司、 SANYO DENKI 和 MINEBEA 及 NPM 公司等，特別是日本東方公司，無論是電動機性能和外觀質量，還是生產手段，都堪稱是世界上最好的。現在日本步進電 5 動機年產量（含國外獨資公司）近 2 億臺。 另外的結論是 HB 型電動機更適合于低速大轉矩用途； RM 型適用于平穩(wěn)運行以及轉速大于 1000r/min 的用途；而 PM 型成本低，在低轉速時的振動 和高轉速時的大轉矩方面，三相 PM 型電動機比兩相電動機的性能要好。 因此，當前最有發(fā)展前景的當屬混合式步進電動機，而混合式電動機又向以下四個方向發(fā)展： 發(fā)展趨勢之一，是繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應用領域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小，在 5 42 機座號的電動機應用了多年后，現在其機座號向 3 3 25方向向下延伸。瑞士 ESCAP公司最近還研制出外徑僅 10mm的步進電動機。 就編碼器本身而言， 24 位高精度、高速度（處理速度 — 刷新速率 DSP）、矩陣式 — 原理創(chuàng)新、超小型（工藝創(chuàng)新）、智能型（軟件創(chuàng)新 — 智能識別、上位機等、多圈 — 耦合擴展發(fā)展方向）。 發(fā)展趨勢之二，是改圓形電動機為方形電動機。由于電動機采用方型結構，使得轉子有可能設計得比圓形大，因而其力矩體積比 (性價比 )將大為提高。同樣機座號的電動機，方形的力矩比圓形的將提高 30％～ 40％。 發(fā)展趨勢之三，對電動機進行綜合設計。即把轉子位置傳感器（相對編碼器），減速齒輪（減速機）等和電動機本體綜合設計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。 發(fā)展趨勢之四， 向五相和三相電動機方向發(fā)展。目前廣泛應用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅動電路比三相電動機精密且復雜，因此三相電動機系統的價格比要比五相電動機更低一些 [4]。 步進電機的優(yōu)點 基于電機的運動控制技術作為自動化領域的關鍵部分，在國民經濟當中起著重要的作用。 隨著現代科學技術的進步， 尤其 是 集成電路、電力電子器件、自動化控制理論等方面的進展 ，電機在其實際應用中 已由過去簡單地控制轉動停止、以 提供動力為目的應用上升到對速度、 加速度、 位移 和轉矩等進行精確控制階段， 以便 使被驅動的機械運動 準確 符合預想的要求。 步進電機正好能夠很好地符合這種需求，它是一種將數字脈沖信號轉化為機械角位移或者線位移的數模轉換控制電機。通常所說的步進電機一般是指機電一體化設備包括步進電機及其驅動器，當步進電機驅動器接受到一個脈沖之后就驅動步進電機轉動一個固定的角度即步距角。步進電機不像其它電機那樣連續(xù)旋轉而是以一定的步距角一步一步做增量運動因此而得名。所 6 以通過控制脈沖個數來控制步進電機轉動的角位移，達到精確定位的目的；同時也可以通過控制脈沖的頻率來控制步進電機轉動速度 和加速度，達到調速的目的 [5]。除此之外步進電機還具有以下一些優(yōu)點： （ 1）無刷：步進電機是無刷結構電機，與帶有換向器和電刷等易損部件的傳統有刷電機相比而言可靠性更高 ,因此電機的壽命僅僅取決于軸承的命； （ 2）與負載無關：不超載時步進電機能夠按照設定的速度運行； （ 3）動態(tài)響應快：易于啟動、停止和反轉； （ 4）保持轉矩：停止時能夠自鎖； （ 5）無累積誤差：雖然步進電機每轉動一步的角位移與標稱的步距角具有一定的誤差（ 3～ 5%）， 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位 置精度和運動的重復性 ，轉動一周后累積的誤差和為零； （ 6）步距角與環(huán)境無關：步進電機的固有步距角是由本身構造決定的，與溫度、電壓、電流等使用環(huán)境無關； （ 7）易于控制：只需控制脈沖的頻率和個數，即可達到定位、調速目的； （ 8）價格低廉：步進電機相對于同樣用于定位領域交、直流伺服電機而言具有較高的性價比； （ 9） 電機旋轉的角度正 比于脈沖數。 步進電機的缺點 正是由于這些優(yōu)點，使得由步進電機及其驅動控制器構成的開環(huán)數控定位系統，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。與同樣應用 于定位領域的交、直流伺服電機構成閉環(huán)伺服系統相比較而言，主要優(yōu)勢在于性價比高和驅動控制簡單，但是性能上卻具有以下明顯的不足之處： （ 1）低速轉動時振動和噪聲都比較大； （ 2）輸出力矩隨著轉動速度的升高而降低； （ 3）啟動頻率不能太高，否則會堵轉并伴隨有呼嘯聲； （ 4）速度突變較大時存在丟步和過沖現象； （ 5）最高運動速度較低，且高速運轉時輸出力矩??； （ 6）開環(huán)控制，不能保證實際轉動的角度與設想的完全一致。 雖然步進電機有這些缺點，但是并不影響其在經濟型的數控裝置上的使用 。 現在比較常用的步進電機 主要有 反應式步進電機、永磁式步進電機 和 混合式步進電機。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 度 或 15 度 ，振動和噪音小 ；反應式步進電機一般為三相，可實現大轉 7 矩輸出，步進角一般為 度，但噪聲和振動都很大 ； 混合式步進電機混合了永磁式和反應式的優(yōu)點 ，步距角小、轉矩大且振動、噪音小， 它 主要 又分為兩相和五相：兩相步 距 角一般為 度 ， 而五相步進角一般為 度 。 步進電機應用中的注意點 1. 步進電機應用于低速場合 每分鐘轉速不超過 1000 轉，（ 度時6666PPS)，最好在 10003000PPS( 度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低； 2. 步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大； 3. 由于歷史原因，只有標稱為 12V 電壓的電機使用 12V 外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值 ，可根據驅動器選擇驅動電壓（建議： 57BYG 采用直流 24V36V， 86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V），當然 12伏的電壓除 12V 恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源， 不過要考慮溫升； 4. 轉動慣量大的負載應 選擇大機座號電機； 5. 電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度； 6. 高精度時，應通過機械減速、提高電機速度 ,或采用高細分數的驅動器來解決，也可以采用 5 相電機，不過其整個系統的價格較貴，生產廠家少，其被淘汰的說法是外行話； 7. 電機不應在振動區(qū)內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決； 8. 電機在 600PPS（ 度）以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動； 9. 應遵循先選電機后選驅動的原則 。 8 2 步進機的基礎知識 步進機的概念 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講 ， 當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。我們可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時我們也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的 [6]。 在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個 步距角 。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點 ， 使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。從原理上講，步進電機是一種低速同步電動機。 步進電機的特點及功能 步進電機的特點 1. 一般步進電機的精度為步進角的 35%，角位移與輸入脈沖數嚴格成正比，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。 2. 步進電機外表 不 允許較高的溫度。步進電機溫度過 高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 3. 步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 4. 步進電機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差。 5. 由步進電機與驅動電路組成的開環(huán)數控系統，既非常簡單、廉價，又非常的可靠。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數控系統。 6. 步進電機的動態(tài)響應快，易于啟停，正反轉及變速。 7. 速度可在相當寬的范圍內平滑調節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅動負載。 8. 步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 9 步進電機的功能 在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，同時步進電機只有周期性 的誤差而無累積誤差，精度高，步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內通過改變脈沖頻率來實現調速、快速起停、正反轉控制等。 步進電機工作原理 步進電機也叫步進器，它利用電磁學原理，將電能轉換為機械能， 步進電機在結構上也是由定子和轉子組成，可以對旋轉角度和轉動速度