ULTRATECH_STEPPER_1100步进光刻机操作指导书文件编号: WI-75-256 版次:1.0 XXX公司 ULTRATECH STEPPER 1100操作指导书作业指导书发行日期:2006.05.30 页次：1/10
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1. 每日当班人员用毛巾、去离子水清洁地板。
2. 每日当班人员用绸布、无水乙醇清洁片架、桌面。
3. 每日当班人员用无水乙醇、无尘布清洁载片台。
4. 每日当班人员用无水乙醇、无尘布清洁大理石平台的表面。
5. 每日当班人员用无水乙醇、无尘布清洁X-Y平台、θ平台的表面。
6. 每日当班人员用无水乙醇、无尘布清洁卡盘（chuck）。
7. 每日当班人员用无水乙醇、无尘布清洁X、Y驱动杆（drive rod）及相应的卫生 1 滑轮（bulley）。清洁
8. 每日当班人员用无水乙醇、无尘布清洁X、Y导轨（guideway）。 9. 以上从3—8步的清洁，需要进入Z模式关闭伺服马达。具体操作如下：按下K9键，直到屏幕退到最初始的界面“What may I do for you next？”。
然后在“What may I do for you next？”界面下，同时按下SHIFT和K5 键，进入Z-mode。然后按下m键，关闭伺服马达。
10.清洁完毕后，在初始界面下，按下K7键初始化X-Y工作台。 11.核对机台的焦深是否在规定值。
1. 检查机台气体压力：
1.1 氮气压力值：N准备 2 开机 80?2 PSI 2
1.2 真空值：VACUUM 20—25 IN HG
2. 开机：开启机台电源（HP电脑左侧的绿色旋钮）旋钮至START状态。过20
分钟后开启汞灯电源。
以下操作是在主界面进行（MAIN MENU）
1. 掩模版（RETICLE）的装载（LOAD）
1.1 做到“六个一致”：硅片操作基本要求的“四个一致”，并且核对工作版与
随工单标明的品种、工序、版次一致；核对光刻版品种版次与版标签一致。1.2 操作人员要在聚光灯下检查光刻版,要求：版膜尽量无损伤，否则要登记
报告；版面无颗粒沾污，否则使用氮气枪对版上沾污颗粒（无膜的那面）3 操作
进行吹扫。
1.3 掩模版装载时，动作要符合规范：轻、缓、小心。将掩模版装载上后，将
掩模数据磁盘（reticle data）插入软驱内，然后启用掩模数据装载命令
K0键（Load reticle data）。
制表：审核：批准：
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2. 掩模数据的装载：
2.1 若屏幕显示不在“what may I do for you next？”状态下，按下K9键，
直到显示该状态为止。
2.2.1 按下K0键，屏幕会显示出磁盘内的文件名，用Knob旋钮移动文件名前
的光标到所需要的文件名前，再按下CONTINUE键；
此时屏幕显示＂list reticle data to printer?”（打印版数据）
按下CONTINUE键退出．
3. 掩模版的装载：
3.1 若屏幕已经显示“Load a Reticle?”界面，则无需再按K1键。 3.2 若屏幕在其它显示状态下，按K9键，直到屏幕显示为常规的显示状态“What may I do for you next?”为止。
3.3 按下K1键，屏幕显示“Load a Reticle?”界面（是否装载掩模）。
3.4 屏幕下方显示“change reticle load mode?”（修改版的装载模式） 3.
4.1 若界面上load mode为Darkfield（暗场）则不需要修改装载模式，按下N键。
3.4.2若界面上load mode不为Darkfield则需要修改装载模式，按下Y键，
输入D键（Darkfield）
3.5屏幕显示“change reticle offsets?” 按CONTINUE键退出。 3 操作
3.6 屏幕提示“Waiting to load wafer……” （等待装入硅片） 3.7在载片台上放上FROSTY WAFER，机器进入掩模装载程序，直到装载完毕，
FROSTY WAFER退出到接片升降台。
3.8屏幕显示“Record reticle offset to disk?” 按CONTINUE键退出。3.9 屏幕显示“Print reticle load data?” 按CONTINUE键退出。回到机台
“what may I do for you next?”主界面。
4. 曝光能量的设定：
4.1 若屏幕的显示状态为“PROMPT: What run mode?”，按CONTINUE键退出。 4.2 若屏幕在其它显示状态下，按K9键，直到屏幕显示为常规的显示状态“What may I do for you next?”为止。
4.3 按下K4键，屏幕显示为“Exposure energy= xxx mj/cm
2，new？”
4.4 输入所需要的能量数值，如80。
4.5 按下CONTINUE键，能量设定完毕。
5. 运行模式的选择
5.1 若屏幕已经显示：“What run mode?”，则无需再按K2键。
5.2 若屏幕在其它显示状态下，按K9键，直到屏幕显示为常规的显示状态
“What may I do for you next?”为止。
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5.3 按下K2键，屏幕显示“What run mode?” （什么运行模式）
1 [mechanical align only] ? （机械对准）
2 [align @ scan] ? （光学对准和扫描） 5.4 M-1的片子用运行模式1进行曝光；
M-1以外的其它工序都采用运行模式2进行曝光，在曝光前，按Shift K4 先进入SETUP MENU里进行Z-Mode设置（见附录），防止曝光时跳场。 5.5 若按下1，即选择运行模式1，则屏幕显示：“Zero machine offsets？”
（置零机器偏移量）。
5.5.1 按下Y键，屏幕提示：“ Waiting to load wafer……”（等待装载硅片）。 5.5.2 将M-1待对位的硅片放入载片台的升降台上，设备进入聚焦、曝光状
态……。
5.6 若是M-1以外的硅片，选择运行模式2，屏幕显示“With OAT align？” （是
否要用OAT（光学对准标记）进行对准）。
5.6.1 按下Y键，屏幕提示：“Zero machine offset s？” （置零机器偏移量）
5.6.2 按下CONTINUE键或Y键，屏幕提示：“ Waiting to load wafer……”
5.6.3 将匀好胶待曝光的硅片放入载片台的升降台上，设备进入聚焦、曝光状
态……。
5.6.4 若系统自动找到OAT，则系统进入Z-mode（Z模式），操作人员准备手动
寻找TARGET波形（具体见6.2.1.1）；若系统（System）无法自动找到3 操作
OAT（Optical Alignment Target光学对准十字），则系统自动进入
Z-mode，操作人员准备手动捕捉OAT。
6. OAT的捕捉及TARGET波形的寻找：
6.1 OAT的捕捉
按下K8（软中断），进入Z模式中，按y，用“?”、“?”来回寻找Y方向的波形（Waveform），Dy寻找的范围一般在?2.000；然后按x，用“?”、“?”来回寻找X方向的波形（Waveform），Dx寻找的范围一般在?2.0；注意Dy/Dx的变化量为0.05；若在硅片的左边OAT寻找不到，按K8跳到硅片右边备用OAT继续寻找。y、x方向的波形都找到后，同时按下shift和G键。进入寻找TARGET阶段。
6.2 TARGET波形的寻找（Z模式状态下）
6.2.1 手动调节（Manual adjustment）进行Y/X方向的扫描 6.2.1.1 先调节Y，即先进行Y方向的扫描（ SCAN Y ）：按y，用“?”、“?”
来回寻找Y方向的波形（Waveform），Dy寻找的范围一般在?0.20。
找到波形后，观察波形是否错开，若有，使用小键盘上的“+”、“-”
键来调节电脑屏幕上的“dS”；接着进行X方向的扫描，用“?”、“?”
来回寻找X方向的波形（Waveform），dX寻找的范围一般在?0.10。
注意Dy/Dx的变化量为0.01。
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6.2.1.2 增益（gain）的调节：同时按下SHIFT 和p键，出现如下界面:
GAIN/THRESHOLD SETUP
MODE EYE GAIN THRESHOLD
Image align…… left ? x: xx y:xx 80%
Image align…… right x: xx y:xx 80%
OAT align left xx 80%
BF –reticle align left xx 80%
BF –reticle align right xx 75%
DF –reticle align left xx 75%
DF –reticle align right xx 80%
屏幕进入调节增益界面，注意汞灯要打开（若没有打开，按下Shift L键），使用Knob旋钮或者上、下、左、右箭头移动光标到需要调节的增益前，移动光
标到image align…… Left Eye（左视场）下的 x/y前，使用小键盘上的“+”、
“-”键来调节电脑屏幕上的“x/y”值，调节波形波峰（peak）的高度。移动光
标到image align…… right Eye（右视场）下的x/y前，使用小键盘上的“+”、
“-”键来调节电脑屏幕上的“x/y”值，调节波形波峰（peak）的高度。 3 操作
6.2.1.3 阈值（Threshold）的调节：在调节增益界面中，移动光标到THRESHOLD
下，使用小键盘上的“+”、“-”键来调节电脑屏幕上的“x/y”值，调
节波形波峰（peak）的高度。一般阈值设定为78%，其范围为78%----80%。
6.2.2 大部分品种都有备用对位TARGET（标记），对位人员在对位时要比较第一
排和第二排以及左右的波形情况，选择最好的对位TARGET，若所选择的
TARGET不是当前值，需要在SETUP MENU界面里进行坐标修正（见附录）。
部分品种在相关层次需要修改第二排，对位时请注意修正。
6.2.3 X、Y方向的波形全部找到，并将其调节完毕，然后同时按下SHIFT和G
键，片子进入曝光状态。若片子无法曝光，系统自动进入Z-mode，重复
以上步骤，直至片子能够曝光为止。
6.2.4 曝光能量范围：
氧化片：85-100MJ；一铝：95-120MJ；二铝：130-150MJ；
通孔165-190MJ；钝化：160-180MJ。
曝光的具体能量，在做样片时，由检验人员根据CD值的大小，要求对位人员进行能量修正。
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先插入机器磁盘（machine disc），然后按以下步骤进行。在what may I do for you next？界面下同时按下Shift Pause，从键盘输入sysboot，然后按EXECUTE键。即：
TYPE：sysboot
PRESS：EXECUTE 系统系统初始化注意事项： 4 初始化 1. 在系统要初始化到X-Y工作台时，用手轻轻的扶着Y工作台的X11处，切
不可抓着X11处的空气轴承（air bearing），待Y工作台初始化启动后，没问题时将手放开。
2. 若出现工作台撞墙的现象，应立即用手挡住激光，同时通知设备技术人员。
3. 不要随意将卡盘（chuck）升起来。
若机器 1. XY SERVO OFF 或XY SERVO OFF @ LASER OFF
5 电脑显示解决方法：按下K7（Initialize XY stage，对XY STAGE进行初始化）。屏上出现 2. 若系统死机，则需用机器磁盘（machine disc）对系统进行初始化。
1. 若X-Y stage撞墙，应迅速用手挡住激光光路，使X-Y stage停止撞墙。应急 6
2. 氮气或真空掉了时，机台电源自动关闭，此时应将机台的汞灯电源开关关处理闭。此时不要去移动X-Y工作台，同时报告设备技术人员。
1. 每周对UT STEPPER的聚焦系统进行两次的评估。
7 要求 2. 每周校准一次光强。
3. 每周检测一次套刻。
1. 关闭机台电源（HP电脑左侧的绿色旋钮）旋钮至OFF状态。 8 关机
2. 关闭汞灯电源。
1. 不要将液体、化学试剂及其它重物放到载片台上。
2. 不要靠在自动载片台上。
3. 不要冲撞自动载片台。
4. 自动载片台处于工作状态时，尽量将手、衣服、镊子、钳子等其它非相关
物体远离自动载片台。
5. 升降台在上升或下降过程中不能将花篮放上或移开，需等到花篮升至最高
注意位时，再移动花篮。 9 事项 6. 大理石平台不准堆放任何杂物。
7. 不要试图将手通过自动载片台的上方伸入机台内，去移动X-Y工作台。
8. 严禁将没有去边的硅片放入载片台，进行操作。
9. 不要让重物从高处落到平台和X-Y工作平台上。
10.UT光刻机程序由班长负责修改，操作人员不能修改程序。
11.外延后，晶向<100>硅片不需要漂移，晶向<111>硅片一律向右漂移，漂移
量以随工单为准。
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12.任一型号的光刻机碎片后必须由维修人员清理，任何人勿动。 13.机台碎片清理干净，机台必须保养、校准确认后才可试运行，不许带障操作。 14.操作人员必须监控UT光刻机波形,发现异常时将硅片交检验人员检验确认。
如果机台有故障，立即停机维修,同时报告光刻工艺技术人员和班长。 15. 不要将磁盘放在打印机上。
16. 磁盘没有使用的时候，应放置在其纸袋里头，不要将裸露的磁盘随意放置。
同时磁盘用完后应及时归位磁盘盒里。
17. 不要用手去摸磁盘的感磁部分，用手拿磁盘时应拿在其标签的位置。 18. 不要将磁盘折弯。
19. 不要将磁盘放在打印机的附近及其它带有磁场东西的附近。 20. 不要将其它物体堆放在磁盘上。
21. 每次将磁盘插入软驱之前应先查看软驱内是否还有磁盘未拔出。 22. 严禁将磁盘放在大理石台上。
23. 工作版安装完成后，应将空盒子放置在自动载片台左侧的小操作台上。
24. 工作版用完后，应及时从掩模平台上取下来。杜绝机台不用时，将工作版滞注意 9 留在机台上。事项
25. 工作版用完取下后，应及时放回工作版存放柜的相应存放处。 26. 严禁随意放置工作版。
27. 工作版装入版盒后，应将版盒上下盖的小栓子锁上，以免工作版从版盒中滑
出脱落，小栓子不得丢失。
28. 工作版装入版盒时，注意要轻、缓，不要让工作版的两个金属导脚去撞击版
盒。
29. 严禁将工作版、工作版盒放置在大理石平台上。
30. 装、卸、拿工作版时应佩带手套。
31. 装版、卸版时，不能用手去抓、碰气体管道。
32. 开启电脑软驱门时，动作要符合规范。不能将门直接抬起，而是将门的上半
部分往里压，直到门开启为止。
33. 插入磁盘时，若磁盘遇到较大的阻力，不可用力往里推，而应拔出，重新再
试。
34. 不许用笔、镊子等物体去敲击键盘。
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35. 移动工作台前，应先关闭伺服马达。在Z模式中，按M键，电脑屏幕显示“servo
turn off”。
注意 36. 移动X-Y工作台时，要缓慢的移动。 9 事项 37. 任何时候都不能用手去抓X-Y工作台的六个空气轴承（air bearings）。
38. 推动X-Y工作台前，应将卡盘降到低位。在Z模式中，同时按下shift和W
键，直到电脑屏幕显示“chuck down”为止
39. 移动X-Y工作台时，不要让工作台用力撞击机台。
1. 若光刻版安装不上，电脑屏幕显示：Press Continue
按下Continue键，重新安装版；在装版过程中，按下K8键，进入Z模式，同时按下Shift和P键，光标移动到暗场版定位前，如下图：
DF –reticle align left ? xx 75%
DF –reticle align right xx 80%
通过调节暗场版定位增益来重新装版。
2. 打印显示：Wafer align error
自动载片台上，硅片的定位面没有找到。解决方法：通知维修人员调整设备，将不能曝光的片子放到其它的步进光刻机上曝光。
3. 打印显示：check wafer tilt-----检测硅片的倾斜度
表明硅片无法聚焦，即卡盘上的硅片在尝试聚焦5次后，仍然无法达到要求的聚焦效果。通知维修、技术人员做short step focus，调节a（focus tilt 步进 adjust）、b（bounce adjust）。
光刻 4. 打印显示：NO ALIGN；W#？、STEP#? 10 机常表明硅片在模式2曝光过程中出现的错误。曝光时，示波器上可以看到该步
见的要曝光时，波形很差或者没有波形。一般情况下是该硅片的对位十字有问题。
错误解决方法：尝试再曝光一遍，看能否曝光出来。若可以，去胶返工后再匀胶
曝光。
5. 打印显示：servo disabled-----伺服马达不能动作, 说明伺服马达关闭了。
解决方法：同时按下shift和K5键，进入Z模式后，按下m键开启伺服马达。电脑屏幕显示：xy servo on。
6. 电脑屏幕显示、打印显示：Initialized problem ……
说明初始化有问题。
解决方法：按下K7键，初始化XY工作台。
7. 电脑屏幕显示：Reticle align failed，try again？
打印显示：x fiducial width 0.00
装载掩模时遇上的问题。一般的原因为：PMT的crossmask偏掉。通知设备人员进行设备维修。
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8. 打印显示：no focus after 5 attemps------尝试5次后没有聚焦。
一般为聚焦系统不好。通知维修人员进行设备维护。 9 打印显示： did not focus at step…… LBR：110111
说明该场聚焦时间长，无法聚焦，通知设备技术人员进行机台调试。 1. 曝光第一层（run mode 1）前，应先确保步进光刻机的绝对位置测试参数是符合要求的，
可询问维修人员。用setup wafer运行模式5（run mode 5）校准步进光刻机的参数O[1]、
O[2]、O[3]、O[4]。
2. 参数O[1]、O[2]、O[3]、O[4]的解释
O[1]----硅片中心和卡盘中心在X方向的距离差值；O[2]----硅片中心和卡盘中心在Y方
向的距离差值。O[3]----硅片中心和图象阵列中心在X方向的距离差值；
O[4]----硅片中
心和图象阵列中心在Y方向的距离差值。
3. 模式5的运行：在初始界面下，按K2键，屏幕提示“what run mode？”，输入数字5，选
择模式5。
3.1 参数O[1]、O[2]的校准：
3.1.1 选用机器磁盘的TL2.4文件，装载测试掩模版（test reticle）。
3.1.2 选择模式5，屏幕提示“with OAT align？”，按下N键，不选择光学对准。屏幕提示
“zero machine offsets？”，按Y键。
3.1.3 将setup wafer放入自动载片台上，XY工作台接片，进行参数校准。聚焦完毕，打印
机打出参数数值。
3.1.4 参数O[1]、O[2]的值应该小于?0.100。若大于此值，需进行修正。参数O[1]、O[2]
的值修正得越小越好，一般可小于?0.010。
3.1.5 参数修正：在waiting to load wafer……界面下输入：A[3，1]-
O[1]?A[3，1] ，
然后按下执行键EXECUTE，修正参数O[1]。输入：A[3，2]-O[2]?A[3，2] ，然后按
下执行键EXECUTE，修正参数O[2]。
3.1.6 重复步骤3.1.2—3.1.5，直到参数O[1]、O[2]值符合要求。
3.2 参数O[3]、O[4]的校准：
3.2.1 选择模式5，屏幕提示“with OAT align？”，按下Y键，选择光学对准。屏幕提示“zero
machine offsets？”，按Y键。
3.2.2 将setup wafer放入自动载片台上，XY工作台接片，进行参数校准。聚焦完毕，查看
打印机打出的参数O[3]、O[4]。
3.2.3 参数O[3]、O[4]的值应该小于?0.100。若大于此值，需进行修正。
3.2.4 参数修正：在waiting to load wafer……界面下输入：A[2，1]+O[3]?A[2，1] ，
然后按下执行键EXECUTE，修正参数O[3]。A[2，2]+O[4]?A[2，2]，然后按下执行
键EXECUTE，修正参数O[4]。
3.2.5 重复步骤3.2.1—3.2.4，直到参数O[3]、O[4]值符合要求。
3.3 修正参数后存盘。
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附录
SETUP MEUN（设置界面）里进行参数设置步骤：
在主界面里按下Shift K4，进入SETUP MEUN界面，按下K0键，进入版数据主菜单：
RETICLE DATA MENU（版数据菜单）
1) Change image number (修改影象位置)
2) Image Alignment And Exposure Parameters（影象定位与曝光参数）
3) Change 0AT Data（修改OAT数据）
4) Change Configuration（修改结构）
……………
……………
1.如要选择第二排TARGET进行曝光，按下2，输入当前要曝光的场的位置，如3，按下
continue键，进入影象偏移数据界面：
Image Offset Data（影象偏移数据） image#3（场3）
Alignment Target Offset : X= 0.000 mm （定位十字偏移量）
Y= [ 0.000] mm
………………
………………
移动光标到Y坐标前，在Y的坐标处输入第二排偏移量，比如0.23，按下continue键
Image Offset Data image#3
Alignment Target Offset : X= 0.000 mm
Y= [0.230] mm
………………
………………
完成修改后按空格键退回版数据主菜单。
2. 曝光硅片前进行Z模式设置：
按下4，进入版结构界面：
Reticle Configuration （版结构）
Reticle x-fiducial error = 0.000 mm
………………
………………
If no align : [skip ]（若没有定位，场跳过）
………………
………………
移动光标到skip位置，按下continue键，直到出现如下提示：
Reticle Configuration
Reticle x-fiducial error = 0.000 mm
………………
………………
If no align : [Z-mode] （若没有定位，进入手动模式）
………………
………………
完成修改后按空格键退回版数据主菜单。
完成以上修改后，按空格键退回SETUP MEUN，再按Shift K4切换到主界面，准备对硅片进行曝光。
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UT 机台主界面主要功能键英文解释
K0：安装掩膜版数据 K1：装卸版 Shift K1：版架初始化 K2：硅片运行模式Shift K2：从机台进片或退片 K3：运行硅片 Shift K4：在主界面和设置界面之间切换 K4：设置曝光能量 K5/Shift K5：手动模式 K7：X-Y平台初始化 Shift
K7：对机台马达进行初始化 K8：软中断 Shift K8：设置焦深 K9/Shift K9：硬中断
机械设计制造及其自动化专业实验 ——机电控制实验 步进电机控制技术综合实验 ————可编程控制器控制滑台的速度、位置 实验指导书 重庆理工大学 重庆汽车学院 实践教学及技能培训中心 2012年10月
学生实验守则 1．学生应按照实验教学计划和约定的时间，准时上实验课，不得迟到早退。 2．实验前认真阅读实验指导书，明确实验目的、步骤、原理，预习有关的理论知识，并接受实验教师的提问和检查。 3．进入实验室必须遵守实验室的规章制度。不得高声喧哗和打闹，不准抽烟、随地吐痰和乱丢杂物。 4．做实验时必须严格遵守仪器设备的操作规程，爱护仪器设备，服从实验教师和技术人员指导。未经许可不得动用与本实验无关的仪器设备及其它物品。 5．实验中要细心观察，认真记录各种试验数据。不准敷衍，不准抄袭别组数据，不得擅自离开操作岗位。 6．实验时必须注意安全，防止人身和设备事故的发生。若出现事故，应立即切断电源，及时向指导教师报告，并保护现场，不得自行处理。 7．实验完毕，应主动清理实验现场。经指导教师检查仪器设备、工具、材料和实验记录后方可离开。 8．实验后要认真完成实验报告，包括分析结果、处理数据、绘制曲线及图表。在规定时间内交指导教师批改。 9．在实验过程中，由于不慎造成仪器设备、器皿、工具损坏者，应写出损坏情况报告，并接受检查，由领导根据情况进行处理。 10．凡违反操作规程，擅自动用与本实验无关的仪器设备、私自拆卸仪器而造成事故和损失的，肇事者必须写出书面检查，视情节轻重和认识程度，按学院有关规定予以赔偿。 重庆理工大学
说明 1.同学可以登录学校的“实验选课系统”（从学校首页登陆：https://www.doczj.com/doc/cd13232063.html,或从数字 校园登录），自己进行实验项目的选择。希望同学们能在每个实验项目开放的时间内尽早进行实验预约（预约时间必须比实验上课时间提前3天），因为学生数量比较多，如果某实验项目开放的时间内同学未能进行实验预约，则错过该实验项目的实验机会，补做就要在该实验项目下一次开放时进行。 2.如有什么问题，同学可以拨打电话62563127联系张君老师。
步进电动机的工作原理及特点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。 1 步进电机概述 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 2国外的研究概况 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如、、、、都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器部。 总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。 在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形
《嵌入式系统设计与实例开发》（2011-2012学年第2学期） 实 验 报 告 实验五电机转动控制实验----c语言实现方法
电机转动控制实验—C语言实现方法 一、实验目的 1．熟悉ARM本身自带的六路即三对PWM，掌握相应寄存器的配置。 2．编程实现ARM系统的PWM输出和I/O输出，前者用于控制直流电机，后者用于控制步进电机。 3．了解直流电机和步进电机的工作原理，学会用软件的方法实现步进电机的脉冲分配，即用软件的方法代替硬件的脉冲分配器。 4．掌握带有PWM和I/O的CPU编程实现其相应功能的主要方法。 二、实验内容 学习步进电机和直流电机的工作原理，了解实现两个电机转动对于系统的软件和硬件要求。学习ARM知识，掌握PWM的生成方法，同时也要掌握I/O的控制方法。 1．编程实现ARM芯片的一对PWM输出用于控制直流电机的转动，通过A/D旋钮控制其正反转及转速。 2．编程实现ARM的四路I/O通道实现环形脉冲分配用于控制步进电机的转动，通过A/D 旋钮转角控制步进电机的转角。 3．通过超级终端来控制直流电机与步进电机的切换。 三、预备知识 1、用ARM SDT 2.5或ADS1.2集成开发环境，编写和调试程序的基本过程。 2、ARM应用程序的框架结构。 3、会使用Source Insight 3 编辑C语言源程序。 4、掌握通过ARM自带的A/D转换器的使用。 5、了解直流电机的基本原理。 6、了解步进电机的基本原理，掌握环形脉冲分配的方法。 四、实验设备及工具 硬件：ARM嵌入式开发平台、用于ARM7TDMI的JTAG仿真器、PC机Pentium100以上。 软件：PC机操作系统win98、Win2000或WinXP、ARM SDT 2.51或ADS1.2集成开发环境、仿真器驱动程序、超级终端通讯程序。 五、实验原理 1．直流电机 1）直流电动机的PWM电路原理 晶体管的导通时间也被称为导通角а，若改变调制晶体管的开与关的时间，也就是说通过改变导通角а的大小，如图2-22所示，来改变加在负载上的平均电压的大小，以实现对电动机的变速控制，称为脉宽调制 (PWM)变速控制。在PWM变速控制中，系统采用直流电源，放大器的频率是固定，变速控制通过调节脉宽来实现。 构成PWM的功率转换电路或者采用"H"桥式驱动，或者采用 "T"式驱动。由于"T"式电路要求双电源供电，而且功率晶体管承受的反向电压为电源电压的两倍。因此只适用于小功率低电压的电动机系统。而"H"桥式驱动电路只需一个电源，功率晶体管的耐压相对要求也低些，所以应用得较广泛，尤其用在耐高压的电动机系统中。
. .. . 步进电机调速实验报告 班级：xx ：xx 学号：xxx 指导老师：xx
步进电机调速实验报告 一、实验目的及要求： 1、熟悉步进电机的工作原理 2、熟悉51系列单片机的工作原理及调试方法 3、设计基于51系列单片机控制的步进电机调速原理图(要现电机的速度反馈测量，测量方式：数字测量) 4、实现51系列单片机对步进电机的速度控制(步进电机由实验中心提供，具体型号42BYG )由按钮控制步进电机的启动与停止；实现加速、匀速、和减速控制。速度设定由键盘设定，步进电机的反馈速度由LED数码管显示。 二、实验原理： 1.一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。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。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。 进电动机需配置一个专用的电源供 电，电源的作用是让电动机的控制绕组 按照特定的顺序通电，即受输入的电脉 冲控制而动作，这个专用电源称为驱动 电源。步进电动机及其驱动电源是一个互相联系的整体，步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所形成的综合效果。 2.对驱动电源的基本要求 （1）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都要满足步进电动机的需要；（2）要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求； （3）能最大限度地抑制步进电动机的振荡； （4）工作可靠，抗干扰能力强； （5）成本低、效率高、安装和维护方便。 3.驱动电源的组成 步进电动机的驱动电源基本上由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成， 三、实验源程序： /*************** writer:shopping.w ******************/ #include
实训项目一：步进控制系统 一、实训目的： 练习步进驱动器、步进电机的应用，学会应用PLC去控制步进电机转动。 二、实训任务： 利用PLC作为上位机，控制步进电动机按一定的角度旋转。 控制要求：利用PLC控制步进电动机顺时针转2周，停5秒，逆时针转1周，停2秒，如此循环进行，按下停止按钮，电机马上停止。 三、相关知识： 了解步进电机的原理。 了解步进驱动器的原理。 四、实训设备： kinco（2M530）步进驱动器2套，步进电机2台，FX2N-60MT PLC1个，万用表、DC24V电源。PLC编程软件，计算机。螺丝刀，导线。 五、实训过程： 1、画出PLC、步进驱动器、步进电机之间的接线图，并安图接线。 图1-1 步进控制系统的接线原理图
- + 340欧姆 图1-2 控制信号输入电路 注意：如果控制信号电源电压为24V ，那么要串联2K Ω的限流电阻。 2、设置步进电机的细分数。在本实训中我们设置4细分。 DIP开关的正视图如下： 图1-3 DIP 开关分布图 在驱动器的顶部有一个红色的八位DIP 功能设定开关，可用来设定驱动器的工作方式和工作参数，使用前请务必注意。 表1-1 DIP 开关的功能
细分设定表如下： 表1-2 细分设置表 3、设置驱动器的输出电流。 输出相电流如表所示。因为驱动器可以输出多种电流等级，我们必须设置步进电机的额定电流大约等于步进电机的额定电流。在本次实训中设置驱动器的输出的电流为2A。 表1-3 驱动器输出电流设置表
4、写出PLC控制步进电机的控制程序。 控制要求：按下启动时，电机顺时针转2周，停5秒，然后逆时针转1周，停5秒，循环进行，按下停止按钮，电机马上停止。写出控制程序并进行调试。程序调试，观察步进电机是否按所设定的角度运行。 六、注意事项： 1、由于实训设备不够，要分组进行，所以第一组接好线后，后面的不要重新接线，只是检查线是否接对，但控制程序可以更改。 2、由于没有成套设备，要现场接线，所以每组进行时要注意用电安全。 七、评分标准。 八、思考题： 1、如电机在运行的过程中，如产生误差，因如何消除？
毕业设计（论文） 学院 专业 姓名
XX大学 毕业设计（论文）任务书
前言 随着现代工业自动化的日益发展，电动机作为重要的电器元件，被广泛的应用在各种自动化控制系统中。步进电动机由于其具有易于电脑操作、步数误差小、精度高、使用系统时间长和成本低等优点，被广泛应用于工业控制中。其中五相混合式步进电机总体性能优于其它种类的步进电动机，是工业上应用最为广泛的步进电动机品种，被广泛的应用在各个领域中。所以对五相步进电动机实现自动化是工业自动化的必然趋势。打印机作为计算机的输出设备之一，运用步进电动机作为打印机的字车动力源和走纸机构，通过牵引机构将步进电动机的转动转变为走纸移动，可以实现打印纸的纵向移动，因其要求精度比较高，所以，打印机的走纸结构能够使用五相步进电动机来控制。对五相步进电动机的使用，工业中应用比较广泛，但大都应用于高精度的机床控制系统中，整个系统比较庞大，所以，本文以步进电动机在的打印机中的精密控制为背景介绍使用PLC控制五相步进电动机按照给定频率自动运行和自由调速的模拟控制方法。
摘要 主要阐述了以五相步进电动机在针式打印机走纸结构中的应用为背景，介绍了一种用三菱FX-2N系列PLC实现对规格型号90BYG550A-0301的五相步进电动机控制的方法，利用PLC产生脉冲信号对五相步进电动机进行模拟控制，实现对五相步进电动机五个绕组的通电状态，达到五相步进电动机按照固定速度的循环自动运行的目的，并实现步进电动机正反转和调速控制。用PLC控制五相步进电动机驱动针式打印机的走纸结构控制纸张的进退，实现打印机的打印工作。基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，定位精度搞，参数设置灵活等有点，在工业过程控制中使用可靠性高，监控方便。本设计还包括步进电动机的工作原理和特点，PLC的主要功能和应用，各硬件软件元件的介绍选择以及控制程序的编程方法。 关键字：五相步进电动机，PLC控制
实验6：步进电机实验 一、实验目的 了解直流电机和步进电机的工作原理 学会Linux下用软件的方法实现步进电机的脉冲分配，用软件 的方法代替硬件的脉冲分配器 二、实验内容 学习步进电机的工作原理，了解实现电机转动对于系统的软件和硬件要求。学习ARM知识，要掌握I/O的控制方法。Linux下编程实现ARM的四路I/O通道实现环形脉冲分配用于控制步进电机的转动。 三、预备知识 C语言的基础知识、程序调试的基础知识和方法，Linux的基本操作。Linux关于module的必要知识。 四、实验设备及工具 硬件：UP-NETARM2410-S嵌入式实验平台、PC机Pentium 500以上，硬盘10G以上 软件：PC机操作系统REDHAT LINUX 9.0＋MINICOM＋ARM-LINUX开发环境 五、实验原理 1、步进电机概述 步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受
电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 2、步进电机的种类 目前常用的步进电机有三类： 1、反应式步进电动机（VR）。它的结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。 2、永磁式步进电动机（PM）。它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。 3、混合步进电动机（HB）。它综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机。 3、步进电机的工作原理 现以反应式三相步进电机为例说明其工作原理。定子铁心上有六个形状相同的大齿，相邻两个大齿之间的夹角为60度。每个大齿上都套有一个线圈，径向相对的两个线圈串联起来成为一相绕组。各个大齿的内表面上又有若干个均匀分布的小齿。转子是一个圆柱形铁心，外表面上圆周方向均匀的布满了小齿。转子小齿的齿距是和定子相同的。设计时应使转子齿数能被二整除。但某一相绕组通电，而转子可自由旋转时，该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近的转子小齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置，而其它两相的各个大齿下的小齿必定和转子的小齿分别错开正负1/3的齿距，形成“齿错位”，从而形成电磁引力使电动机连续的转动下去。 和反应式步进电动机不同，永磁式步进电动机的绕组电流要求正，反向流动，故驱动电路一般要做成双极性驱动。混合式步进电动机的绕组电流也要求正，反向流动，故驱动电路通常也要做成双极性。 4、开发板中步进电机控制的实现 本开发板中使用的步进电机为四相步进电机。转子小齿数为64。 系统中采用四路I/O进行并行控制，ARM控制器直接发出多相脉冲信号，在通过功率放大后，进入步进电机的各相绕组。这样就不再需要脉冲分配器。脉冲分配器的功能可以由纯软件的方法实现。
实验一步进电机基本原理实验 一、实验目的 1、了解步进电动机的基本结构和工作原理。 2、掌握步进电机驱动程序的设计方法。 二、实验原理 步进电动机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动、反转和 制动的执行元件。其功能是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移。步进电动机的运 转是由电脉冲信号控制的，步进电动机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每给一 个脉冲，步进电机就转动一个角度（步距角）或前进/倒退一步。步进电机旋转的角度由 输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电动机为一个数字/角度转换器。 当某一相绕阻通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子 和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点， 转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转 的原因。 四相步进电动机以四相单四拍、四相双四拍、四相八拍方式工作时的脉冲分配表如 表1，表2和表3 表1 四相单四拍脉冲分配表表2 四相双四拍脉冲分配表 时，若用手旋转它，感觉很难转动。
三、实验步骤： 1.将DRYDC-A型运动控制台的电源线和串行通信接口线连接好。 2.打开DRMU-ME-B综合实验台的电源总开关，开关电源的开关，采集仪开关。 启动硬件设备。 3.打开计算机，从桌面或程序组运行DRLink主程序，然后点击DRLink快捷 工具条上的“联机注册”图标，选择“DRLink采集主卡检测”进行注册。 没有使用信号采集主卡的用户可选择：“局域网服务器”进行注册，此时，必需在对话框中填入DRLink服务器的主机IP地址。 4.点击DRLink快捷工具条上“文件夹”图标，出现文件选择对话框，在实验 目录中选择“步进电机基本原理”实验，并启动该实验。 5.点击该实验脚本中的“开关”按钮，向运动控制卡下载实验程序。 6.本实验中先做步进电机的驱动实验：选择运行方式为“连续驱动”，依次选 择步进电机的工作方式为：四相单四拍、四相双四拍、四相八拍；方向可以是任意的；脉冲间隔参数可用5～10ms。点“电机驱动”按钮，驱动电机工作。观察电机的工作情况。（对于四相八拍的工作方式，脉冲间隔最小可以到2ms）终止电机运行请在运行方式中选择“停止保持”或“停止不保持”。 7.步进电机的自锁实验：运行方式选择“停止保持”，其它参数不变，点“电 机驱动”按钮。可以使步进电机某相通电，处于“自锁”状态。此时，用手转动电机的皮带轮，可以感到转动比较困难。 8.步进电机的步距角演示：运行方式选择“单步驱动”，点“电机驱动”按钮。 每点击一次“电机驱动”按钮，步进电机旋转一个角度，这个角度就是步距角。对于本实验台步距角为1.8o。 除了可以使用DRLink平台下的实验脚本进行本实验外，还可以使用C-51的C语言程序进行本实验。本运动控制平台在内部使用了DRMC-A型运动控制卡，其CPU是ADUC842，关于ADUC842的硬件的详细信息，请参考我们提供的pdf 文档。在DRMC-A型运动控制台，步进电机的端口地址：0x8000，用低4位表示电机的4相，1表示发送脉冲，0表示空。根据步进电机的工作方式的脉冲分配表（表1～3），逐步向端口的低4位写入0和1就可以了。具体的程序请参考StepMotor1.c～StepMotor5.c。在生成执行代码后，按运动控制台的“PRG”+“RST”按钮后，使用Windows Serial Downloader将执行程序下载到单片机内。 四、实验报告要求 1.简述步进电机的工作原理。 2.简述步进电机的四相八拍工作方式的优、缺点。 五、思考题 根据四相双四拍脉冲分配表（表2），参考StepMotor1.c，设计四相双四拍工作
步进电动机概念及其工作原理 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，当有脉冲输入肘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。步进电动机按其输出转矩的大小来分，可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般在N·cm级，可以作为控制小型精密机床的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是N·m级的，可以直接去驱动机床的移动部件。步进电动机按其励磁相数，可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相平均电流会高些，仍而使电动机的转速—转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用3～6相的步进电动机。由于步进电动机的转速随着输入脉冲频率变化而变化，调速范围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度较高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用机床上，提高进给机构的自动化水平。步进电动机按其工作原理来分，主要
有磁电式和反应式两大类，这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理，现用下图的步进电动机的简化图来加以说明。 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。首先有一相线圈(设为A相)通电，则转子1、3两齿被磁极A吸住，转子就停留在图5—5a的位置上。然后，A相断电，6相通电，则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场，磁极召的磁场把离它最近的2、4两齿吸引过去，停止在图b的位置上，这时转子逆时针转了30°。再接下去B相断电，C相通电。根据同样道理，转子又逆时针转了30°，停止在图c的位置上。若再A相通电，C相断开，那么转子再逆转30°，使磁极A的磁场把2、4两个齿吸住。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按A→B→C→A→B→C→A→…次序轮流通电，步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次，步进电动机旋转30°，我们把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成A→C→B→A→C→B→…的顺序，则步进电动机将按顺时针方向旋转，所以要改变步进电动机的旋转方向可以在仸何一相通电时进行。 步进电动机
北华航天工业学院 课程设计报告（论文） 课程名称：微机控制技术课程设计 设计课题：步进电机的控制系统 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 设计时间：2013年06月11日
北华航天工业学院电子工程系 微机控制技术课程设计任务书 姓名：专业：班级： 指导教师：职称：教授时间：2013.6.11 课程设计题目：步进电机的控制系统 设计步进电机单片机控制系统，其功能如下： 1．具有对步进电机的启停、正反转、加减速控制； 2．控制按钮分别为正转、反转、加速、减速、以及停止键； 3．能够通过三位LED数码管（或液晶显示器）显示当前的转动速度，并且由两只不同颜色的发光二极管分别指示正转和反转，因此可以清楚的显示当前转动方向和转速； 4．要求每组选择的步进电机控制字不同； 5．用单片机做控制微机； 应用软件：keil protues 成果验收形式： 1.课程设计的仿真结果 2.课程设计的报告书 参考文献： 【1】张家生. 电机原理与拖动基础【M】. 北京：北京邮电大学出版社，2006. 【2】马淑华，王凤文，张美金. 单片机原理与接口技术【M】.北京：北京邮电大学出版社，2007. 【3】顾德英，张健，马淑华.计算机控制技术【M】. 北京：北京邮电大学出版社，2006. 【4】张靖武，周灵彬. 单片机系统的PROTEUS设计与仿真【M】. 北京：电子工业出版社，2007 第16周 时间 安排 指导教师教研室主任： 2013年06 月11日
内容摘要 步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。 关键词：步进电机单片机数码管显示
安徽工程大学 《控制电机》课程实验指导书 专业：自动化 安徽工程大学电气工程学院 2013年12月
目录 步进电动机使用说明 (2) 实验一步进电动机（2学时） (5) 实验二交流伺服机电动机（2学时） (10)
步进电动机说明 步进电动机又称脉冲电机，是数字控制系统中的一种重要的执行元件，它是将电脉冲信号变换成转角或转速的执行电动机，其角位移量与输入电脉冲数成正比；其转速与电脉冲的频率成正比。在负载能力范围内，这些关系将不受电源电压、负载、环境、温度等因素的影响，还可在很宽的范围内实现调速，快速启动、制动和反转。随着数字技术和电子计算机的发展，使步进电机的控制更加简便、灵活和智能化。现已广泛用于各种数控机床、绘图机、自动化仪表、计算机外设，数、模变换等数字控制系统中作为元件。 一、使用说明 D54步进电机实验装置由步进电机智能控制箱和实验装置两部分构成。 （一）步进电机智能控制箱 本控制箱用以控制步进电机的各种运行方式，它的控制功能是由单片机来实现的。通过键盘的操作和不同的显示方式来确定步进电机的运行状况。 本控制箱可适用于三相、四相、五相步进电动机各种运行方式的控制。 因实验装置仅提供三相反应式步进电动机，故控制箱只提供三相步进电动机的驱动电源，面板上也只装有三相步进电动机的绕组接口。 1、面板示意图（见附录） 2、技术指标 功能：能实现单步运行、连续运行和预置数运行；能实现单拍、双拍及电机的可逆运行。 电脉冲频率：5Hz～1KHz 工作条件：供电电源AC220V±10%，50Hz 环境温度-5℃～40℃ 相对湿度≥80% 重量：6kg 尺寸：390×200×230mm3 3、使用说明 (1)开启电源开关，面板上的三位数字频率计将显示“000”；由六位LED数码管组成的步 进电机运行状态显示器自动进入 “9999→8888→7777→6666→5555→4444→3333→2222→1111→0000”动态自检过程，而 后停显在系统的初态“┤.3”。 (2)控制键盘功能说明 设置键：手动单步运行方式和连续运行各方式的选择。
方向信号 (a) 脉冲＋方向 (b) 正脉冲＋负脉冲 实验五 步进电机单轴定位控制实验 一、实验目的 1. 学习和掌握步进电机及其驱动器的操作和使用方法； 2. 学习和掌握步进电机单轴定位控制方法； 3．学习和掌握PLC 单轴定位模块的基本使用方法。 二、实验原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移量的机电执行元件，即步进电动机输入的是电脉冲信号，输出的是角位移或直线位置。每给一个脉冲，步进电动机转动一个角度，这个角度称为步距角。运动速度正比于脉冲频率，角位移正比于脉冲个数。 步进电动机典型控制系统框图如图1-2-9所示。 图1-2-9 步进电动机典型控制系统框图 位置控制单元可根据需要的频率和个数以及设定的加减时间控制步进电动机运动。 由于步进电动机需要正反转运动，因此定位单元的输出脉冲形式有“脉冲＋方向”和“正脉冲＋负脉冲”两种，它们均可控制步进电动机正反转运动。输出脉冲形式通过参数设定来选择。其脉冲形式如图1-2-10所示。 图1-2-10 定位模块的两种输出脉冲形式
PLS ） 由于步进电动机的电磁惯性和所驱动负载的机械惯性，速度不能突变，因此定位模块要控制升降频过程。步进电机升、降频过程如图1-2-11。一般情况下，S 2＝S 3。 图 1-2-11 步进电机升、降频示意图 其中：f 1——设定的运行频率，应小于步进电动机的最高频率； S 1——设定的总脉冲个数； S 2——升频过程中脉冲个数，由加速时间和运行频率确定； S 3——降频过程中脉冲个数，由减速时间和运行频率确定。 步进电动机驱动器将位置定位模块的输出脉冲信号进行分配并放大后驱动步进电动机的各相绕组，依次通电而旋转。驱动器也可接受两种不同形式的脉冲信号，通过开关来选择，定位模块和驱动器的脉冲形式要相同。另外，为了提高步进电动机的低频性能，驱动器一般具有细分功能，多个脉冲步进电动机转动一步，细分系数一般为1、2、4、8、16、32等几种，通过拨码开关来设定。 步进电动机驱动生产机械的运动部件。 图1-2-12 实验系统结构框图 位置定位模块、步进电动机及驱动器种类很多，本实验中采用的是三菱FX2N 系列PLC 中的双轴定位模块FX2N-20GM ，该模块与PLC 相连，可以单独或同时控制两个步进电动机，
基于51系列单片机控制步进电机调速实验 实验指导书 仇国庆编写 重庆邮电大学自动化学院 自动化专业实验中心 2009年2月
基于51系列单片机控制步进电机调速实验 实验目的及要求： 1、熟悉步进电机的工作原理 2、熟悉51系列单片机的工作原理及调试方法 3、设计基于51系列单片机控制的步进电机调速原理图(要求实现电机的速度反馈测量，测量方式：数字测量) 4、实现51系列单片机对步进电机的速度控制(步进电机由实验中心提供，具体型号42BYG )由按钮控制步进电机的启动与停止；实现加速、匀速、和减速控制。速度设定由键盘设定，步进电机的反馈速度由LED 数码管显示。 实验原理： 步进电机控制原理 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。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。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。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来 进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由 脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号 可以由单片机产生。 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几 何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻 两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐， B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：(图2所示)
步进电机调速实验报告 班级：XX ________ 姓名：XX ___________ 学号: XXX 指导老师：XX
步进电机调速实验报告 、实验目的及要求: 1、熟悉步进电机的工作原理 2、熟悉51系列单片机的工作原理及调试方法 3、设计基于51系列单片机控制的步进电机调速原理图（要求实现电机的速度反馈测 量，测量方式：数字测量） 4、实现51系列单片机对步进电机的速度控制（步进电机由实验中心提供，具体型号 42BYG）由按钮控制步进电机的启动与停止；实现加速、匀速、和减速控制。速度设定 由键盘设定，步进电机的反馈速度由LED数码管显示。 二、实验原理： 1. 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。步进 电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转 动一个角度，因此非常适合于单片机控制。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。 进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让电动机的控制绕组按 照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而 动作，这个专用电源称为驱动电源。步进电动 机及其驱动电源是一个互相联系的整体，步进 图&步1誉赳动机驱动电源迪打框圏电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者 配合所形成的综合效果。 2.对驱动电源的基本要求 （1）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都要满足步进电动机的需要; （2）要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求； （3）能最大限度地抑制步进电动机的振荡； （4）工作可靠，抗干扰能力强； （5）成本低、效率高、安装和维护方便。
实验七步进电机控制 一、实验目的 1、掌握PLC功能指令的用法 2、掌握用PLC控制步进电机的方法 二、实验器材 1. DICE-PLC01型可编程序控制器实验台/箱l台 2. 编程电缆l根 3. 连接导线若干 三、实验内容及步骤 1、步进电机的工作原理 步进电也称为脉冲电机，它可以直接接收来自计算机的数字脉冲，使电机旋转过 相应的角度。步进电机在要求快速启停，精确定位的场合做为执行部件，得到了广泛采 用。 四相步进电机的工作方式： *单相四拍工作方式，其电机控制绕组A、B、C、D相的正转通电顺序为： A→B→C→D→A；反转通电顺序为：A→D→C→B→A。 *四相八拍工作方式，正转的绕组通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CD→D→ DA→A；反向的通电顺序为：A→AD→D→DC→C→CB→B→BA→A。 *双四拍工作方式，正转的绕组通电顺序为：AB→BC→CD→DA→AB；反向的通 电顺序为：AB→AD→DC→CB→BA。 步进电机有如下特点：给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；步进脉 冲的频率越高，步进电机转得越快；改变各相的通电方式，可以改变电机的运行方式； 改变通电顺序，可以控制电机的正、反转。 2、设计要求 （1）控制模块中的步进电机工作方式为四相八拍，电机的四相线圈分别用A、B、C、D表示，公共端已接地。 当电机正转时，其工作方式如下：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。 当电机反转时，其工作方式如下：A→-AD→D→DC→C→CB→B→BA→A。 设计程序，要求能控制步进电机正反转，并能控制它的转速。 （2）设置以下控制按钮：启动、停止按钮；正、反转控制按钮；快速、慢速控制 按钮。步进电机的脉冲可用逐位移位指令循环移位来实现，其脉冲频率可通过控制逐位 移位指令的移位脉冲来调节，而移位脉冲可用两个定时器组合来完成，要改变脉冲频率， 只要改变定时器设定值即可。 （3）程序运行后，首先选择正、反转按钮，然后选择快、慢速按钮，最后按下“启 动”按钮，电机便会按照按钮的选择控制来工作。步进电机在工作过程中可实时改变电 机的转速、正反转，也可按下停止按钮结束电机的工作。 3、程序修改和讨论 （1）修改程序，改变步进电机的工作方式，上机调试通过；讨论步进电机的几种 工作方式有何区别？ （2）通过修改程序，改变步进电机工作的脉冲频率，即改变步进电机的转速，并 观察步进电机的工作情况？ （3）仔细阅读源程序，掌握如何控制步进电机的正反转，即改变各相的通电顺序， 在程序中如何实现？
文献综述 电气工程及其自动化 步进电动机的微机控制 前言：进电动机属于DC驱动的同步电动机，它是纯粹的数字控制电动机。它是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展推动了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。 步进电动机系统是由步进电动机及其驱动控制电路构成的。近二十年来,电力电子技术、微电子技术和微处理器技术的飞速发展，极大地推动了步进电动机驱动控制技术的进步，并使之在不断完善中趋于成熟。步进电动机驱动控制技术的发展，在使得步进电动机系统获得更加广泛应用的同时，也使得步进电动机与其驱动电路装置日益成为不可分割的一个整体。步进电动机驱动电路的合理设计与改进，需要对步进电动机运行机理和具体结构设计的透彻了解与深入分析。同时，步进电动机系统的性能和运行品质在很大程度上取决于其驱动电路的结构与性能，同一台电动机配以不同类型的驱动电路，其性能会有较大差异。抛开驱动电路来谈步进电动机的性能是不完全的。 步进电动机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、和磁盘等等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备如打印机、绘图机等中亦有应用。 正文：国内外关于步进电动机的研究主要在它本身的性能提高，应用领域的不断拓广，电动机外形的改变和不同的更先进的控制方式。 1、步进电动机的发展历史与概要。 步进电动机的发展过程 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用、其原始模型起源于1830年至1860年间。1870午前后开始以控制为目的的尝试、应用于氮弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电动机。 此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞
<<技能大赛自动线的安装与调试>>项目二等奖 心得二 心得二：步进电机的控制方法 我带队参加《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目，我院选手和其他院校的三位选手组成了天津代表队，我院选手所在队获得了《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目二等奖，为天津市代表队争得了荣誉，也为我院争得了荣誉。以下是我这个作为教练参加大赛的心得二：步进电机的控制方法 《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目的主要内容包括如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等。但其中最为重要的就是PLC方面的知识，而PLC中最重要就是组网和步进电机的位置控制。 一、 S7-200 PLC 的脉冲输出功能 1、概述 S7-200 有两个置PTO/PWM 发生器，用以建立高速脉冲串（PTO）或脉宽调节（PWM）信号波形。 当组态一个输出为PTO 操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进电机或伺服电 机的速度和位置的开环控制。置PTO 功能提供了脉冲串输出，脉冲周期和数量可由用户控制。但应用程序必须通过PLC内置I/O 提供方向和限位控制。 为了简化用户应用程序中位控功能的使用，STEP7--Micro/WIN 提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成PWM，PTO 或位控模块的组态。向导可以生成位置指令，用户可以用这些指令在其应用程序中为速度和位置提供动态控制。 2、开环位控用于步进电机或伺服电机的基本信息 借助位控向导组态PTO 输出时，需要用户提供一些基本信息，逐项介绍如下： ⑴最大速度（MAX_SPEED）和启动/停止速度（SS_SPEED） 图1是这2 个概念的示意图。 MAX_SPEED 是允许的操作速度的最大值，它应在电机力矩能力的范围。驱动负载所需的力矩由摩擦力、惯性以及加速/减速时间决定。
Arduino步进电机实验报告 步进电机是将电信号转变为或的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，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；同时可以通过控制来控制电机转动的和，从而达到调速的目的。 实验目的： （1）了解步进电动机工作原理。 （2）熟悉步进电机驱动器使用方法。 （3）掌握步进电动机转向控制编程。 实验要求： （1）简要说明步进电动机工作原理。 （2）熟记步进电机驱动器的使用方法。 （3）完成步进电动机转速转向控制编程与实现。 （4）提交经调试通过的程序一份并附实验报告一份。 实验准备： 1. ArduinoUNOR3开发板 Arduino是一块基于开放原始代码的Simplei/o平台，并且具有开发语言和开发环境都很简单、易理解的特点。让您可以快速使用Arduino做出有趣的东西。它是一个能够用来感应和控制现实物理世界的一套工具。它由一个基于单片机并且开放源码的硬件平台，和一套为Arduino板编写程序的开发环境组成。Arduino可以用来开发交互产品，比如它可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制各式各样的电灯、电机和其他物理设备。Arduino项目可以是单独的，也可以在运行时和你电脑中运行的程序（例如：Flash，Processing，MaxMSP）进行通讯。 2. ULN2003芯片 ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成。可以