三江学院
本科毕业设计（论文）题目110BF003步进电机控制系统的研究
电气与自动化工程学院院（系）自动化专业
学号 B06072006 学生姓名ScReWdrIVEr
指导教师张浩
起讫日期 2010-2.22-6.1
设计地点实验楼419
本文介绍了110BF003步进电机软件脉冲分配的方法。按照要求的脉冲分配顺序将步进电机的绕组通电节拍制成表格，软件采用查表的方式取出通电节拍输出到功放电路。采用软件环分，降低了硬件成本，提高了驱动电源的可靠性，方便于实现变拍驱动。文章还提出了步进电机绕组通电状态保存和恢复的方法，解决了驱动电源上电后电机转轴发生偏移的问题，提高了步进电机的定位精度。
步进电机是一种易于精确控制的电机，由于其良好的性能而受到广泛的应用，其控制方法也多种多样。本文介绍了8031系列单片机对步进电机的控制方法。该系统成本不高，同时还可以很灵活地改变程序来改变控制方案。
关键词：步进电机；控制系统；单片机；软件环分
This article describes 110BF003 pulse stepper motor software distribution method. In accordance with the requirements of the pulse distribution in order to power the stepper motor windings beat into form the way the software by using look out to the amplifier circuit output power beats. Use of software loop points, reducing hardware costs and improves the reliability of the drive power to facilitate change in the beat-driven to achieve. The article also raised the stepper motor windings energized state save and restore solutions to the drive motor
Stepper motor is an easy-to-precise control of motors, because of its good performance and are widely used, its control methods varied. This article describes the 8031 series of Stepping motor control method. The system cost is not high, but also can be very flexible to change the program to change the control scheme.
Key words：Stepper motor; control system; single chip; software loop points
目录
第1章绪论 (1)
1.1伺服系统 (1)
1.2伺服系统使用场合 (2)
1.3伺服调速电机的类型 (2)
1.3.1直流伺服电动机 (2)
1.3.2 交流伺服电动机 (3)
1.3.3步进电机 (5)
1.3.4交流感应电机 (6)
第2章电机调速原理 (6)
2.1 直流伺服电机调速原理 (6)
2.2 交流伺服电机调速原理 (7)
2.3步进电机调速原理 (8)
第3章步进电机 (9)
3.1 步进电机类型 (9)
3.2 步进电机工作原理 (10)
3.3 步进电机静动态特性 (11)
3.4 步进电机的优缺点 (14)
3.5 步进电机的控制单元类型 (15)
3.5.1 PLC (15)
3.5.2 计算机 (15)
3.5.3 单片机 (16)
第4章单片机基本理论和扩展系统 (16)
4.1 单片机基本原理 (16)
4.2 单片机特点 (17)
4.3 单片机系统的扩展 (18)
4.4 单片机接口电路 (18)
4.5 键盘、数显接口电路 (19)
第5章步进电机功率驱动电路和脉冲分配器 (20)
5.1 环形分配器的类型 (20)
5.1.1 软件环分： (20)
5.1.2 硬件环形分配器： (21)
5.2 环形分配器的优缺点 (22)
5.3 步进电机的功率驱动电路的类型 (22)
5.3.1单电压限流型驱动电路 (23)
5.3.2高低压切换型驱动电路 (23)
5.3.3恒频脉宽调制功放电路 (24)
第6章数字控制系统的组成 (25)
6.1硬件系统的组成部分 (25)
6.1.1 单片机 (25)
6.1.2 环形分配器 (26)
6.1.3 功率驱动电路 (27)
6.1.4 伺服执行单元 (28)
6.2系统软件（编程） (28)
6.3 该系统的特色、适用的场合和发展前景 (33)
结束语 (34)
致谢 (34)
参考文献 (35)
第1章绪论
1.1伺服系统
伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：①以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。②在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。③使输出机械位移精确地跟踪电信号，如：记录和指示仪表等。
衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。惯性越大，带宽越窄。一般伺服系统的带宽小于15赫，大型设备伺服系统的带宽则在1～2赫以下。自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50赫，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。因此，在伺服系统中必须采用高精度的测量元件，如精密电位器、自整角机、旋转变压器、光电编码器、光栅、磁栅和球栅等。此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度。采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮合的测角线路称
精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。
最基本的伺服系统包括伺服执行元件（电机、液压缸等）、反馈元件和伺服驱动器，但是要让这个系统运转起来还需要一个上位机构，PLC、单片机或专门的运动控制卡，工控机+PCI卡，以便于给伺服驱动器发送指令。
1.2伺服系统使用场合
伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等；伺服系统可满足专用机械、机床进给、搬运机械、食品加工机械、电工机械、纺织机械、轧钢厂、橡胶厂等自动生产线及其它产业机械的高速、高精度速度控制及定位控制需求。
1.3伺服调速电机的类型
1.3.1直流伺服电动机
直流伺服电动机的结构和一般直流电动机一样，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。也有永磁式的，即磁极是永久磁铁。通常采用电枢控制，就是励磁电压Uf一定，建立的磁通量Φ也是定值，而将控制电压Uc加在电枢上，其接线图如下图所示。
图1.1 直流电机原理图
直流伺服电动机的特点和种类
直流伺服电动机，通常用于功率稍大的系统中，其输出功率一般为1W-600W。直流伺服电动机分为以下几种：
一般直流伺服电动机
无槽电枢直流伺服电动机
空心杯形电枢直流伺服电动机
印刷绕组直流伺服电动机
无刷直流伺服电动机
直流伺服电动机的机构特性（n=f(T)）和直流他励电动机一样，也用下式表示：
n=Uc/KE·Φ-Ra/KE·KT·Φ·T
下图是直流伺服电动机在不同控制电压下（Uc为额定控制电压）的机械特性曲线
图1.2 机械特性曲线图
由图可见：在一定负载转矩下，当磁通不变时，如果升高电枢电压，电机的转速就升高；反之，降低电枢电压，转速就下降；当Uc＝0时，电动机立即停转。要电动机反转，可改变电枢电压的极性。
1.3.2 交流伺服电动机
结构特点和基本工作原理
交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，如右
图所示。其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。
图1.3 交流伺服电动机的接线图
交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：
1、起动转矩大
2、运行范围较宽
3、无自转现象
基本工作原理：
励磁绕阻接到电压一定的交流电网上，控制绕阻接到控制电压上，当有控制信号输入时，两相绕阻便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以一定的转差率转动起来，其同步转速：
交流伺服电动机的特性
控制特性
两相交流伺服电动机的控制方法有三种：①幅值控制；②相位控制；③幅值－相位控制。生产中应用幅值控制的最多，下面只讨论幅值控制法。
下图所示为幅值控制的一种接线图，从图中看出，两相绕组接于同一单相电源，选择适当电容C，使Uf与Uc相角差90，改变R的大小，即改变控制电压
Uc的大小，可以得到图所示的不同控制电压下的机械特性曲线簇。
幅值控制原理图不同控制电压下的机械特性曲线
图1.4 幅值控制原理、机械特性曲线图
由图可见，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越小，电机的转速就越高，不同的控制电压对应着不同的转速。
1.3.3步进电机
步进电动机是将一种电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件、，每当输入一个点脉冲时，它便转过一个固定的角度称为步距角β，简称为步距。脉冲一个一个输入，电动机便一步一步地转动，步进电动机便因之而命名。
步进电动机的位移量与脉冲数严格成比例，这就会引起步误差的积累，其转速与脉冲频率和步距角有关。
步进电机的基本特点
反应式步进电动机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响（在允许的负载范围内），也不受环境条件（温度、压力、冲击、和振动等）变化的影响，只与控制脉冲同步，同时，它又能按照控制的要求进行启动、停止、反转或改变速度，这就是它被广泛的应用于各种数字控制系统中的原因。
下面的章节会有更详细的介绍。
1.3.4交流感应电机
自从19世纪90年代第一条三相输电线建成到20 世纪60年代末将电能输送到世界各个角落，60%～70%的电能被电机转换为机械能，以代替人们完成繁重的体力活。在电机用电中，交流电机占80%左右，其中大多数为交流感应电机。在其余20%需要变速运行的高性能传动系统中，直流电机由于采用调压调速方法，控制简单、调速平滑、性能良好，一直占据主导地位。然而，直流电机结构上存在机械换向器和电刷，使得它造价高昂、维护困难、寿命短，并且单机容量和最高电压都受到了一定的限制。
与直流电机不一样，交流感应电机不需要机械换向器和电刷来为电机转子提供直流电源，也不像交流同步电机一样需要滑环和电刷来为转子提供交流电源。交流电机的转子电流完全由电磁感应产生，使得它制造简单、易维护，特别是鼠笼式感应电机，其转子完全由金属铸造而成，基本不会损坏。所有的这些特征都证明感应电机是一种便宜可靠的选择，同时感应电机不产生火花，能够运行在恶劣的环境下，即使是在易燃易爆气体环境下也能安全运行。
第2章 电机调速原理
2.1 直流伺服电机调速原理
直流伺服电机的机械特性方程为：
式中，Uc ——电枢控制电压； R ——电枢回路电阻；—每极磁通；Ce 、Ct
——分别为电动机的结构常数。
由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：
（1）调压调速（变电枢电压，恒转矩调速）
T C C R C U n 2
t e e c Φ-Φ=Φ
（2）调磁调速（变励磁电流，恒功率调速）
（3）改变电枢回路电阻调速
常用的是前面2种调速方式。
图2.1 直流电机驱动的伺服系统2.2 交流伺服电机调速原理
由电机学基本原理可知，交流电机的同步转速为
n
0=60?
1
/P （r/min）（4-4）
异步电动机的转速为
n=60?
1/P（1-S）=n
（1-S）（r/min）（4-5）
式中：?
1
——定子供电频率（HZ）；
P——电机定子绕组磁极对数；
S——转差率。
由上式可见，要改变电机转速可采用以下几种方法：
（1）改变磁极对数P。这是一种有级的调速方法。它是通过对定子绕组接线的切换以改变磁极对数调速的。
（2）改变转差率调速。这实际上是对异步电动机转差率的处理而获得的调速方法。常用的是降低定子电压调速，电磁转差离合器调速，线绕式异步电动机转子串电阻离速或串极调速等。
（3）变频调速。变频调速是平滑改变定子供电电压频率f
而使转速平滑变
1
化的调速方法。这是交流电动机的一种理想调速方法。电机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。
2.3步进电机调速原理
步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。
在电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B相和C相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。
1、可以用数字信号直接进行开环控制,整个系统简单廉价。
2、位移与输入脉冲信号数相对应,步距误差不长期积累,可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统,也可在要求更高精度的组成闭环控制系统。
3、无刷,电动机本体部件少,可靠性高。
4、易于起动,停止,正反转及速度响应性好。
5、停止时可有自锁能力。
6、步距角可在大范围内选择,在小步距情况下,通常可以在超低转速下高转距稳定运行,通常可以不经减速器直接驱动负载。
7、速度可在相当宽范围内平滑调节,同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。
8、步进电动机带惯性负载能力较差。
9、由于存在失步和共振,步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。
10、需要专用的伺服控制器控制,不能直接使用普通的交直流电源驱动。
第3章步进电机
3.1 步进电机类型
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，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
3.2 步进电机工作原理
图3.1 工作原理图
六拍通电方式的基本原理：
设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐（图a）。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图b所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐（图c），转子又转过了15°。然后在B相继续通电的情况下接通C相其位置如图d所示。这样，如果按A→AB→B→BC→C→CA→A…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A→AC→C→CB→B→BA→A…的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。
双三拍通电方式的基本原理：
如果每次都是两相通电，即按AB→BC→CA→AB→…的顺序通电，则称为双三拍方式，从图a和图b可见，步距角也是30°。因此，采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角，每走一步前进了三分之一齿距角；采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。因
此步距角θ可用下式计算：
θ＝360°/Zr×m
式中 Zr是转子齿数；
m是运行拍数。
3.3 步进电机静动态特性
距角特性：
距角特性是反映步进电动机电磁转矩T随偏转角变化的关系。这一特性反映了比较电动机带负载的能力，它是电动机的最主要的性能指标之一。
静态特性
所谓静态是指步进电动机不改变通电状态，转子不动时的状态。步进电动机的静态特性主要指静态矩角特性和最大静转矩特性.。
⑴静态矩角特性
描述步进电动机静态时电磁转矩T与失调角之间关系的特性曲线称为矩角特性。
步进电动机矩角特性步进电动机最大静转矩特性
图3.2 步进电动机静态特性
⑵最大静态转矩
矩角特性上电磁转矩的最大值称为最大静态转矩。它与通电状态及绕组内电流的值有关。在一定通电状态下，最大静转矩与绕组内电流的关系，称为最大静
转矩特性。当控制电流很小时，最大静转矩与电流的平方成正比地增大，当电流稍大时，受磁路饱和的影响，最大转矩Tmax上升变缓，电流很大时，曲线趋向饱和。
动态特性
步进电动机运行时总是在电气和机械过渡过程中进行的，因此对它的动特性有很高的要求，步进电动机的动特性将直接影响到系统的快速响应以及工作的可靠性。它不仅与电动机的性能和负载性质有关，还和电源的特性及通电的方式有关，其中有些因素还是属于非线性的，要进行精确的分析较为困难，通常只能采用近似的方法来研究。
⑴步进运行状态时的动特性
开始时，步进电动机的矩角特性为曲线①所示，若电动机空载，则转子稳定在Ol点处。加一个脉冲，通电状态改变，矩角特性曲线变成曲线②，转子将稳定在新的稳定点O2。若电动机带负载，先假设负载转矩为T1，则在初始状态时电动机的稳定位置是曲线①上的01'点。在改变通电状态的瞬间，转子位置还未来得及改变，而其受到的电磁转矩已是矩角特性曲线②上的02'，如果开始负载转矩相当大，如图中T2，则转子起点为曲线①的01''点。当通电状态改变时，02''为新稳定点运动， Tmax为步进电动机的最大静转矩。曲线①和曲线②的交点转矩Tq是步进电动机能带动的负载转矩极限值，有时称Tq为步进电动机的起动转矩。在最大静转矩相同的条件下，相数增大时，因曲线的交点Tq较高，步进电动机带负载能力也相应增大。
用矩角特性分析单步运动状态步进电动机转子运动的过渡过程
图3.3步进动特性
⑵连续运行状态时的动特性
当控制绕组的电脉冲频率增高，相应的时间间隔也减小，以至小于电动机机电过渡过程所需的时间。若电脉冲的间隔小于图中的时间T1，当脉冲由绕组A 相切换到B相，再切换到C相，这时转子从定子A极起动，移到定子B极，还来不及回转，C相已经通电，这样转子将继续按原方向转动，形成连续运行状态。实际上，步进电动机大都是在连续运行状态下工作的。在这样运行状态下电动机所产生的转矩称为动态转矩。
矩频特性
⑴步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系，即Tdm=F(f )，称为矩频
特性，如图所示。
步进电动机矩频特性起动频率与负载的关系
图3.4 最大动态转矩和脉冲频率的关系
在图中可以看出，步进电动机的最大动态转矩将小于最大静转矩，并随着脉冲频率的升高而降低．
⑵最高工作频率
步进电动机的最高工作频率是指电动机按指令的要求进行正常工作时的最大脉冲频率。
所谓正常工作就是说步进电动机不失步地工作，即一个脉冲就移动一个步距角。
步进电动机的工作频率，通常分为启动频率、制动频率及连续工作频率。—般步进电动机的技术参数中只给出起动频率和连续工作频率。
步进电动机的起动频率f0是指它在一定的负载转矩下能够不失步地起动的
最高频率。起动频率的大小是由许多因素决定的，绕组的时间常数越小，负载转矩和转动惯量越小，步矩角越小，则起动频率越高，如图所示。步进电动机的连续工作频率，又称运行频率。它是指步进电动机启动后，当控制脉冲连续发出时，能不失步运行的最高频率。影响运行频率的因素与影响起动频率的因素基本上相同，但是转动惯量对运行频率的影响不像对起动频率的影响那么明显，它仅影响到频率连续上升的速度。
3.4 步进电机的优缺点
步进电机优点：
1、电机旋转的角度正比于脉冲数；
2、电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；
3、由于每步的精度在3%-5%，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；
4、优秀的起停和反转响应；
5、由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；
6、电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本较低；
7、仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。
8、由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。
开环控制：
步进电机最有意义的一个优点就是在开环系统里可以实现精确的控制。开环控制意味着不需要关于（转子）位置方面的反馈信息。这种控制避免了使用昂贵的传感器以及像光学编码器这样的反馈设备，因为只需要跟踪输入的步进脉冲就可以知道你（转子）的位置。
步进电机缺点：
1、如果控制不当容易产生共振；
2、难以运转到较高的转速。
3.5 步进电机的控制单元类型
3.5.1 PLC
可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC
3.5.2 计算机
计算机是由早期的电动计算器发展而来的。1946年，世界上出现了第一台电子数字计算机“ENIAC”，用于计算弹道。是由美国宾夕法尼亚大学莫尔电工学院制造的，但它的体积庞大，占地面积170多平方米，重量约30吨，消耗近100千瓦的电力。显然，这样的计算机成本很高，使用不便。1956年，晶体管电子计算机诞生了，这是第二代电子计算机。只要几个大一点的柜子就可将它容下，运算速度也大大地提高了。1959年出现的是第三代集成电路计算机。最初的计算机由约翰·冯·诺依曼发明(那时电脑的计算能力相当于现在的计算器)，有三间库房那么大，后逐步发展而成。
从20世纪70年代开始，这是电脑发展的最新阶段。到1970年，由大规模集成电路和超大规模集成电路制成的“克雷一号”，使电脑进入了第四代。超大规模集成电路的发明，使电子计算机不断向着小型化、微型化、低功耗、智能化、系统化的方向更新换代。20世纪90年代，电脑向“智能”方向发展，制造出与人脑相似的电脑，可以进行思维、学习、记忆、网络通信等工作。
进入21世纪，电脑更是笔记本化、微型化和专业化，每秒运算速度超
几种典型的步进电机闭环控制系统 工业大学 【摘要】系统阐述了步进电动机闭环控制系统的优点，给出了几种典型的闭环控制系统，并提出了步进电动机高精度定位系统的设计思想。 【叙词】步进电机闭环系统／高精度定位 l概述 步进电机是机电一体化产品中的关键元件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。它能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移，是一种离散型自动化执行元件。随着计算机控制系统的发展，步进电动机广泛应用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其它自动化系统中，是高科技发展的一个重要环节。 2步进电动机闭环系统与开环系统比较[1- 步进电机的主要优点之一是适于开环控制。在开环控制下，步进电动机受具有予定时间间隔的脉冲序列所控制，控制系统中无需反馈传感器和相应的电子线路。这种线路具有简单、费用低的特点，使步进电动机的开环控制系统得以广泛的应用。 但是，步进电机的开环控制无法避免步进电动机本身所固有的缺点，即共振、振荡、失步和难以实现高速。另一方面，开环控制的步进电动机系统的精度要高于分级是很困难的，其定位精度比较低。因此，在精度和稳定性标准要求比较高的系统中，就必须果用闭环控制系统。 步进电动机的闭环控制是采用位置反馈和（或）速度反馈来确定与转子位置相适应的相位转换，可大大改进步进电动机的性能。 在闭环控制的步进电机系统中，或可在具有给定精确度下跟踪和反馈时，扩大工作速度围，或可在给定速度下提高跟踪和定位精度，或可得到极限速度指标和极限精度指标。步进电动机的闭环控制性能与开环控制性能相比，具有如下优点： a．随着输出转矩的增加，二者的速度均以非线性形式下降，但是，闭环控制提高了矩频特性。 b．闭环控制下，输出功率／转矩曲线得以提高，原因是，闭环下，电机励磁转换是以转子位置信息为基础的，电流值决定于电机负载，因此，即使在低速度围，电流也能够充分转换成转矩。 c．闭环控制下，效率一转矩曲线提高。 d．采用闭环控制，可得到比开环控制更高的运行速度，更稳定、更光滑的转速。 e.利用闭环控制，步进电动机可自动地、有效地被加速和减速。 f．闭环控制相对开环控制在快速性方面提高的定量评价，可借助比较Ⅳ步通过某个路径间隔的时间得出： 式中n-步进电动机转换拍数(N>n) g．应用闭环驱动，效率可增到7.8倍，输出功率可增到3.3倍，速度可增到3.6倍。 闭环驱动的步进电机的性能在所有方面均优于开环驱动的步进电动机。步进电机闭环驱动具有步进电动机开环驱动和直流无刷伺服电机的优点。因此，在可靠性要求很高的位置控
目录 一、设计任务: (2) 二、步进电机概述： (2) 三、题目分析与整体构思: (4) 四、硬件电路设计: (7) 五、硬件验证: (10) 六、程序设计: (10) 七、系统仿真： (15) 八、感应子式步进电机工作原理： (17) 九、心得体会: (24) 参考文献: (25)
一、系统设计要求 步进电机作为一种电脉冲—角位移的转换元件，由于具有价格低廉、易于控、制、无积累误差和计算机接口方面等优点，在机械、仪表、工业控制等领域中获得了广泛的应用。本设计的具体要求是： 1. 设计制作一个步进电机控制电路，可以细分驱动和常规驱动。 2. 常规驱动状态转速四档可调并可实现正反转。 二、步进电机概述 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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（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。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。 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，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 （一）步进电机的一些基本参数： 1.电机固有步距角： 电机固有步距角表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°，整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，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。 2.步进电机的相数： 步进电机的相数是指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，它们的步距角也不同，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°
四相步进电机控制系 统设计
课题：四相五线单4拍步进制电动机的正反转控制专业：机械电子工程 班级：2班 学号： 20110259 姓名：周后银 指导教师：李立成 设计日期： 2014.6.9~2014.6.20 成绩：
1概述 本实验旨在通过控制STC89C52芯片，实现对四相步进电机的转动控制。具体功能主要是控制电机正转10s、反转10s，连续运行1分钟，并用1602液晶显示屏显示出来。 具体工作过程是：给系统上电后，按下启动开关，步进电机按照预先 实验具体用到的仪器：STC89C52芯片、开关单元、四项步进电机、等硬件设 备。 实验具体电路单元有：单片机最小系统、步进电机连接电路、开关连接电路、1602液晶显示屏显示电路。 2四相步进电机 2.1步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。 2.2步进电机的控制 1.换相顺序控制：通电换相这一过程称为脉冲分配。 2.控制步进电机的转向控制：如果给定工作方式正序换相通电，步进 电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
3.控制步进电机的速度控制：如果给步进电机发一个控制脉冲，它就 转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。 2.3步进电机的驱动模块 ABCD四相工作指示灯指示四相五线步进电机的工作状态 2.4步进电机的工作过程 开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动， 1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，
摘要 进步电机是几点数字控制系统中常用的控制元件之一。由于其精度高，体积小，控制方便灵活，因此在智能仪表和位置中得到广泛的应用。 步进电机是机电控制中一种常见的执行机构。步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。他易于实现与计算机或其他数字元件接口，适用于数字控制系统。
1 课程设计任务和要求 课程设计任务 设计一个三相步进电机控制系统，设计一个计算机步进电机程序控制系统，可以对步进电机的转速、转向以及位置进行控制。通过设计，掌握步进电机的工作原理、掌握步进电机控制系统的设计原理、设计步骤，进一步提高综合运用知识的能力。 要求完成的主要任务: （1）设计接口电路和驱动电路，对步进电机进行控制。 （2）选择控制算法，编写控制程序，实现三相步进电机在双三拍工作方式下先正转90度，然后再反转60度，要求其速度可调，转向可控。 （3）写出设计说明书。 课程任务要求 （1）查阅资料，确定设计方案 （2）选择器件，设计硬件电路，并画出原理图和PCB图 （3）画出流程图，编写控制程序 （4）撰写课程设计说明书 2 步进电机的概述 2.1 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。 2）步进电机外表允许的温度高。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
步进电机自动控制系统 设计内容 设计用P C机对四相步进电机，方向，步数及自动化控制系统，并编写汇编程序实现相应轻能。 设计要求 （1）设计控制系统硬件电机。 （2）由8255键盘控制电机的方向，走的步数,并由数码管显示相应的参数。 （3）在命令执行结束后，由PC内部扬声器发出信号提示。 设备与器材 PC机一台，TPC－1实验台一个，并行接口8255一片，步进电机一个，LED数码管4个，74ls164按键11个，GAL芯片一个，74LS245一片。 硬件方案 硬件共分成5个模块：①译码驱动电路，②8255控制键盘模块③8255LED显示模块，④步电机驱动模块，⑤步进电机模块 a) 译码驱动电路 方案一使用适当的门电路来实现不同地址的，用74LS245做数据驱动，缺点： 由于只使用门电路，电路连线非常复杂 方案二使用76LS138和适当门电路实现译码，相对于方案一电路复杂度有一定的改观，在TPC实验箱上使用这种译码方案 方案三使用可编程逻辑器件GAL16V8实现译码功能，用GAL优点：成本低，电路连线少。本设计选择这个方案来实现译码功能。 a)键盘模块 方案一用8255 12个口直接接按键，此方法成本高，不使用行列法，浪费端口，如用行列法只用7个端口。 方案二使用2个74LS273或74LS373控制键盘，其中一个控制行，273反向从键盘中读数据，另一个控制列选，273正向向键盘发数据。 方案三使用7281芯片同时控制键盘和数码，7281通过串行口和总线通信，端口使用少，且操作方便。 方案四PC0~4，PB0~4分别控制16个按键。由于本模块技术已经成熟，在应用中广泛使用，所以本设计选择此方案来实现。 c) LED数码管显示模块 方案一74LS138一片，ULN2803A一片和74HC573一片，来实现显示，74LS138译 码送UNL2083A通过UNL2083A控制位，通过74HC573控制数据，本方案，成本较高，要单片机中有使用比较多。 方案二使用一片8255A控制两个74HC573和一个正相驱动器74LS07和一个反相驱 动器74LS06分别控制4个LED位选和编码数据传输。此方案用到了8255A由于模块②中用到的8255A3个口都以使用，再用一个8255A成本比较高。 方案三通过一个片信号，两个74HC373和一个正相驱动器74LS06和一个反相驱动 器74LS07分别控制3个LED位选和编码数据传输。此方案成本低，但是软件实现的点复杂。 方案四使用4个74HC373和控制4个LED编码数据，用8255A PC高位和总线片选信号控制数据输入位选，由于是静态显示，一般用于1个或2个数码管的显示。 方案五使用4个74LS164，通过串行移位来实现LED显示。成本不高，使用端口少，可以直接通过8255PC7和PB7口，一个做为移位控制，一个送数据。本设计使用此方案 d) 步进电机驱动模块
目录 1 概述 (1) 1.1 PLC控制步进电机研究的意义 (1) 2 基于PLC的步进电机控制系统设计 (9) 2.1 系统的组成及功能 (9) 2.2 步进电机特性 (9) 2.3 PLC介绍 (12) 2.4 步进电机控制系统程序设计 (13) 3 磁头定位 (20) 3.1 硬盘工作原理 (20) 3.2 磁头及定位系统 (23) 4 难题及解决过程 (24) 5 结论 (25) 结束语 (28) 致谢 (29) 参考文献 (30) 附录A (31)
1 概述 1.1 PLC控制步进电机研究的意义 基于步进电动机良好的控制和准确定位特性，被广泛应用在精确定位方面，诸如数控机床、绘图机、扎钢机、自动控制计算装置、自动记录仪表等自动控制领域。 PLC作为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂，价格便宜，可现场修改程序，体积小、硬件维护方便，价格便宜等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。因此，通过研究用PLC来控制步进电动机的，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。以往的步进电动机需要靠驱动器来控制，随着技术的不断发展完善，PLC具有了通过自身输出脉冲直接步进电动机的功能，这样就有利于步进电动机的精确控制。本课题《基于PLC的步进电机磁头定位系统设计》就是利用PLC控制步进电机在硬盘工作时磁头定位的研究。 1.2 国内外关于步进电机和PLC的应用状况 1.2.1 步进电机方面 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。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（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。控制涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前，国内生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只有一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，选用步进电机时应该十分注意以下一些指标。 （1）步进电机的静态指标术语 相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 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，
文理学院芙蓉学院课程设计报告 课程名称：专业综合课程设计 专业班级：自动化1001班学号：40 学生：志航 指导教师：建英 完成时间： 2013年 6月13 日 报告成绩： 芙蓉学院教学工作部制
摘要 本文先介绍了混合式步进电机的结构和工作原理，分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用，论述了正弦波细分驱动可以实现等步距角、等力矩均匀细分驱动的原理，提出了一种基于H桥和其他分立元件分配脉冲的驱动技术，该方案可实现步进电机的单拍、半拍、双拍三种工作方式。本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、液晶显示电路组成，单片机是控制系统的核心。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍。 关键词：单片机；正弦脉宽调制；混合式步进电机；细分驱动
Abstract In this paper, the working principle and configuration of three-phase hybrid Stepper are introduced, then based on technologies such as stepper motor controller, PWM inverter and microcontroller. In the thesis, we develop a single chip computer -based digital controlling system for a three-phase hybrid stepper motor that is mainly constructed from a AT89C51 single chip computer and ST7920IC which is used as the core of control parts. The system's whole architecture, the design of hardware and software are introduced in detail. KEY WORDS: Microcontroller，SPWM，Hybrid stepper motor，Micro-stepping driver
本科毕业设计 基于单片机的步进电机控制系统的设计
摘要 随着自动控制系统的发展和对高精度控制的要求，步进电机在自动化控制中扮演着越来越重要的角色，区别于普通的直流电机和交流电机，步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为控制执行元件，是机电一体化的关键组成之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。 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。 本系统介绍了一种基于单片机的步进电机控制系统的设计，包括了硬件设计和软件设计两部分。其中，硬件设计包括单片机最小系统、键盘控制模块、LCD显示模块、步进电机驱动模块、位置检测模块共5个功能模块的设计。系统软件设计采用C语言编写，包括主程序、数字键处理程序、功能键处理程序、电机驱动处理程序、显示模块、位置采集模块。 本设计采用STC89C52单片机作为主控制器，4*4矩阵键盘作为输入，LCD1602液晶作为显示，ULN2003A芯片驱动步进电机。系统具有良好的操作界面，键盘输入步进电机的运行距离；步进电机能以不同的速度运行，可以在不超过最大转速内准确运行到任意设定的位置，可调性较强；显示设定的运行距离和实际运行距离；方便操作者使用。关键词：单片机步进电机液晶显示键盘驱动
Design of the Stepping Motor Control System Based on SCM Qiu Haizhao (College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China) Abstract:With the development of automatic control system and the requirements of high-precision control, stepping motor control in automation is playing an increasingly important role, different from the common DC and AC motor, stepper motor rotation angle and rotational speed can be high-precision controlled. Stepper motor as a control actuator is a key component of mechanical and electrical integration, widely used in a variety of automated control systems and precision machinery and other fields. Stepper motor is the open-loop control components changing electric pulse signals into angular displacement or linear displacement .In the case of non-overloaded, the motor speed, stop position depends only on the pulse frequency and pulse number, regardless of load changes, that is, to add a pulse motor, the motor is turned a step angle. This system introduces a design of stepper motor control system based on single chip microcomputer, including hardware design and software design in two parts. Among them, the hardware design, including single chip minimal system, keyboard control module, LCD display module, the stepper motor drive module, position detection module five functional modules. System software design using C language, including the main program, process number keys, the key of function processes, motor driver handler, the display module, position acquisition module. This design uses STC89C52 microcontroller as the main controller, 4 * 4 matrix keyboard as an input, LCD1602 LCD as a display, ULN2003A chip as stepper motor driver. System has a good user interface, keyboard input stepper motor running distance; Stepper motor can run at different speed, and run to any given position accurately in any speed without exceeding the maximum speed, with a strong adjustable ; Display the running distance and the actual running distance, which is more convenient for the operator to use. Key words: SCM stepper LCD keyboard driver
步进电机的控制电路和程序 先看一下我们将要使用的51单片机综合学习系统能完成哪些实验与产品开发工作：分别有流水灯，数码管显示，液晶显示，按键开关，蜂鸣器奏乐，继电器控制，IIC总线，SPI总线，PS/2实验，AD模数转换，光耦实验，串口通信，红外线遥控，无线遥控，温度传感，步进电机控制等等。 上图是我们将要使用的51单片机综合学习系统硬件平台，本期实验我们用到了综合系统主机、步进电机，综合系统其它功能模块原理与使用详见前几期《电子制作》杂志及后期连载教程介绍。 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，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(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。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。 步进电机分类与结构 现在比较常用的步进电机分为三种：反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）。本章节以反应式步进电机为例，介绍其基本原理与应用方法。反应式步进电机可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度。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。常用小型步进电机的实物如图1 所示。 图1步进电机实物图 图 2 步进电机内部图 步进电机现场应用驱动电路 综合系统使用的是小型步进电机，对电压和电流 要求不是很高，为了说明应用原理，故采用最简单 的驱动电路，目的在于验证步进电机的使用，在正 式工业控制中还需在此基础上改进。一般的驱动电 路可以用图3的形式。 图3 一般驱动电路 在实际应用中一般驱动路数不止一路，用上图的分立电路体积大，很多 场合用现成的集成电路作为多路驱动。常用的小型步进电机驱动电路可以用 ULN2003或ULN2803。本书配套实验板上用的是ULN2003。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。ULN2003内部结构及等效电路图如图4：
毕业设计论文 论文题目：基于单片机的步进电机控制电路板设计 摘要 随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。 本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制，通过IO口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机；同时，用 4个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。 系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括AT89C51单片机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动（集成达林顿ULN2003）模块、数码显示（SM420361K数码管）模块、测速模块（含霍尔片UGN3020）6个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上，对速度进行实时监控显示。软件采用在Keil软件环境下编辑
************* 第1章绪论 1.1 课题背景 当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。 随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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(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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品（打印机、照相机、雕刻机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。控制核心采用C51芯片，它以其独特的低成本，小体积广受欢迎，当然其易编程也是不可多得的优点为此，本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统，可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。 1.2 设计目的及系统功能 本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用AT89C51作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。 1
电气工程学院课程设计说明书 设计题目： 系别： 年级专业： 学号： 学生姓名：
指导教师： 电气工程学院《课程设计》任务书课程名称：电气控制与PLC课程设计 基层教学单位：电气工程及自动化系指导教师：
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。 电气工程学院教务科 摘要 PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。本设计是用PLC做三相六拍步进电机的控制核心，用按钮开关来实现对步进电机正、反转运行控制，而且正、反转切换无须经过停车步骤。其次可以通过对按钮的控制来实现对高、低速度的切换控制。 关键词：PLC控制三相六拍正反转运行高低速运行
目录 封皮 (1) 任务书 (2) 摘要 (3) 目录 (4) 第一章三相六拍步进电机的PLC控制及要求 (5) 1.1步进电机的工作原理 (5) 1.2三相六拍步进电机控制要求 (5) 1.3 步进电机的驱动 (6) 第二章参数选择 (7) 2.1 三相六拍步进电机的参数选择 (7) 2.2 PLC的选择 (7) 2.3 功率放大电路参数选择 (7) 第三章整体设计 (7)
3.1 PLC的I/O端口分配表 (7) 3.2 硬件接线图 (8) 3.3 程序流程图 (8) 3.4 状态转移图 (9) 3.5 步进梯形图 (10) 3.6 时序图 (12) 总结 (13) 参考文献 (14) 评审意见表 (15) 第一章三相六拍步进电机的PLC控制及要求 1．1步进电机的工作原理 电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60o。各磁极上套有线圈，连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为θE=360o/40=9o，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3o。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3o；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，
第三节步进电动机及其驱动 一、步进电机的特点与种类 1.步进电机的特点 步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。 步进电动机具有以下特点： ?工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响； ?步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ； ?由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易； ?控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”； ?不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制； ?缺点是能量效率较低。 就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说，可将其分为以下三种： （1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫反应式步进电动机 （2）永磁(PM-Permanent Magnet)型 （3）混合(HB-Hybrid)型 （1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance) 结构原理：该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机。其结构原理如图3.5定子1 上嵌有线圈，转子2朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁阻型。
图3.6 可变式阻步进电机 可变磁阻步进电机的特点： 反应式电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力； 需要将气隙作得尽可能小，例如几个微米； 结构简单，运行频率高，可产生中等转矩，步距角小（0.09~9°） 制造材料费用低； 有些数控机床及工业机器人上使用。 （3）混合(HB-Hybrid)型 结构原理 这类电机是PM式和VR式的复合形式。其定子与VR类似，表面制有小齿，转子由永磁铁和铁心构成，同样切有小齿，为了减小步距角可以在结构上增加转子和定子的齿数。其结构如图3.7所示。 混合式步进电机特点: HB兼有PM和VR式步进电机的特点： 步距角可以做得较小(0.9~3.6°)； 无励磁时具有保持力； 可以产生较大转矩，应用较广。
河北xxxxxx学院 课程设计说明 书 题目：步进电机控制系统 学院（系）： 年级专业： 学号： 学生姓名： 同组学生： 指导教师：
步进电机控制系统 设计者：xxxxx 指导老师：xxxx 1摘要： 由于步进电机自身的特点、不需要位置、速度等信号反馈，只需要脉冲发生器产生足够的脉冲数和合适的脉冲频率，就可以控制步进电机移动的距离和速度。步进电机的运转方向的控制为输入电机各绕组的通电顺序。例如，一个三相步进电机的通电顺序为：a—ab—b—bc—c—ca—a--.....，此时点击正转，若通电顺序改为：a—ac—c—cb—b—ba—a--.....时点击反转。既可以通过改变环形分配器的脉冲输出顺序，也可以通过编程改变输出脉冲的顺序，来改变输入到各绕组的通电顺序，达到控制电击方向的目的。 关键词：步进电机 PLC 步进电机驱动器 引言步进电机是一种常用的电气执行原件，一种多相或单相同步点击，在数控机床、包装机械等自动控制及检测仪表等方面得到广泛运用。随着plc的不短发展。其功能越来越强大，除了有简单的逻辑功能和顺序控制外，运算功能的加入、pid和各类高速指令、使得plc对复杂和特殊系统的控制应用更加广泛。Plc与数控技术的结合产生了各种不同类型的数控设备。 2 任务与要求 (1) 了解步进电机的原理 (2) 熟练使用PLC控制步进电机，了解步进电机驱动器原理 3 装置原理介绍 3.1控制系统功能框图 在步进电机控制系统中，首先控制步进电机使之稳步启动，然后高速运动，接近制定位置时，减速之后低速运动一段时间，在准确地停在预定的位置上，最后步进电机停留2s后，按照前进时的加速—高速—减速—低速的步骤返回到起始点，其运动状态转换过程平稳，其功能框图如图3.1所以，其简单工作过程如图3.2所示。 由于步进电机本身的结构特性决定了它要实现高速运转必须有加速过程，如果在启动时突然加载高频脉冲，电机会产生啸叫、失步甚至不能启动，在停止阶段也是这样，当高频脉冲突然降到零时，电机会产生啸叫和振动，所以在启动和停止时，都必须有一个加速和减速过程。 3.2步进电机控制系统硬件设计 由于步进电机的硬件结构特性，所以对输入的脉冲的频率有所限制，对于低频的脉冲输出时，plc可以利用定时器来完成。若要求步进电机的速度较快时，就需要用plc的高速脉冲输出指令，这时就需要在程序中设置相应的步骤来完成对步进电机的控制。 3.21 组建器材 （1）主机plc 根据系统的控制要求，采用三菱FX系统系列的plc作为控制器。（2）限位开关此系统中共用了两个限位开关：左限位开关和右限位开关。这两个限位开关的作用是控制物体的位置，防止物体超出合理的工作范围。 （3）步进电机步进电机是该系统的执行机构
步进电机控制系统的研究 杨杰1李学佳2崔二华3韩永清4 英利能源(中国)有限公司河北省保定市071051 摘要：步进电动机由于用共组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。 关键词：步进电机电机控制系统 中图分类号：TM3文献标识码：A文章编号： 前言 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的非常的简单。 一、步进电机概述 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件，具有快速启动和停止的能力。当负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值时，它就可能在一瞬间实现启动和停止。它的步矩角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件(如温度、气压、冲击和振动等)的影响，仅与脉冲频率有关。它每转l周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。 正是因为步进电机具备上述优点，它已经被广泛地用于自动控制系统中作为执行元件。但大多数设计人员常常习惯于用逻辑电路实现复杂的步进电机的控制，虽然已经取得很大成效，但实现起来成本高、费时多，而且一旦组成了电路，就很难再改动，因此不得不完全重新设计控制器。 微处理器与微计算机的先进技术和低廉的价格，给步进电机的控制开创了一个新的局面。人们完全可以借助于软件来对步进电机实施控制，从而实现复杂而
课程设计任务书 设计题目：微机步进电机控制系统设计 设计目的： 1.巩固和加深课堂所学知识； 2.学习掌握一般的软硬件的设计方法和查阅、运用资料的能力； 3.通过步进电机控制系统设计与制作，深入了解与掌握步进电机的运行方式、方向、速 度、启/停的控制。 设计任务及要求：（在规定的时间内完成下列任务） 任务：控制四相步进电机按双八拍的运行方式运行。按下开关SW1时启动步进电机，按ESC键停止工作。采用循环查表法，用软件来实现脉冲循环分配器的功能 对步进电机绕组轮流加电。 要求对题目进行功能分析（四项功能：快速顺时针旋转，慢速顺时针旋转， 快速逆时针旋转和慢速逆时针旋转），进行步进电机远程控制系统硬件电路设 计，画出电路原理图、元器件布线图、实验电路图；绘制程序流程图，进行 步进电机控制程序设计（采用8086汇编语言）；系统调试、运行，提交一个 满足上述要求的步进电机控制系统设计。 时间安排：(部分时间,某些工作可以自己安排重叠进行) 具体要求：设计报告撰写格式要求（按提供的设计报告统一格式撰写）， 具体内容如下： ①设计任务与要求②总体方案与说明 ③硬件原理图与说明④实验电路图与说明 ⑤软件主要模块流程图 ⑥源程序清单与注释 ⑦问题分析与解决方案（包括调式记录、调式报告，即在调式过程中遇到的主要问 题、解决方法及改进设想）； ⑧小结与体会 附录：①源程序（必须有简单注释）②使用说明③参考资料 指导教师签名：08 年12 月01 日 教研室主任（或责任教师）签名：年月日
目录 第1章需求分析 (1) 1.1课程设计题目 (1) 1.2步进电机介绍 (1) 1.3课程设计任务及要求 (1) 1.4软硬件运行环境及开发工具 (1) 第2章概要设计 (2) 2.1设计原理及实现方法 (2) 2.1.1 步进电机控制原理 (2) 2.1.2微机步进电机控制系统原理图 (2) 2.1.3 运行方式与方向的控制——循环查表法 (3) 2.1.4步进电机的启/停控制——设置开关 (4) 2.2微机步进电机控制系统设计流程图 (4) 第3章详细设计 (5) 3.1 硬件设计与实现 (5) 3.2软件设计 (5) 3.2.1正向慢转子程序 (5) 3.2.2正向快转子程序 (6) 3.2.3反向慢转子程序 (6) 3.2.4反向快转子程序 (6) 3.2.5长延时子程序 (7) 3.2.6短延时子程序 (7) 第4章系统调试与操作说明 (7) 4.1系统调试 (7) 4.2 操作说明 (8) 第5章课程设计总结与体会 (8) 参考文献 (9) 附录微机步进电机控制系统源程序 (9)
本模块由45BC340C型步进电机及其驱动电路组成。 (一步进电机: 一般电动机都是连续旋转,而步进电动却是一步一步转动的,故叫步进电动机。每输入一个脉冲信号,该电动机就转过一定的角度(有的步进电动机可以直接输出线位移,称为直线电动机。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移(或直线位移的执行元件。 步进电动机的转子为多极分布,定子上嵌有多相星形连接的控制绕组,由专门电源输入电脉冲信号,每输入一个脉冲信号,步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号,输出的角位移是断续的,所以又称为脉冲电动机。 随着数字控制系统的发展,步进电动机的应用将逐渐扩大。 步进电动机的种类很多,按结构可分为反应式和激励式两种;按相数分则可分为单相、两相和多相三种。 图1 反应式步进电动机的结构示意图 图1是反应式步进电动机结构示意图,它的定子具有均匀分布的六个磁极,磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组,联法如图所示。
模块中用到的45BC340型步进电机为三相反应式步进电机,下面介绍它单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。 1、单三拍通电方式的基本原理 设A相首先通电(B、C两相不通电,产生A-A′轴线方向的磁通,并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下,转子总是力图转到磁阻最小的位置,也就是要转到转子的齿对齐A、A′极的位置(图2a;接着B相通电(A、C 两相不通电,转了便顺时针方向转过30°,它的齿和C、C′极对齐(图2c。不难理解,当脉冲信号一个一个发来时,如果按A→C→B→A→…的顺序通电,则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。 图2 单三拍通电方式时转子的位置 2、六拍通电方式的基本原理 设A相首先通电,转子齿与定子A、A′对齐(图3a。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力,使转子顺时针方向转动,但是A、A′极继续拉住齿1、3,因此,转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3b所示,即转子从图(a位置顺时针转过了15°。接着A相断电,B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐(图c,转子从图(b的位置又转过了15°。