机电一体化系统设计05 步进电机运动控制系统

步进电机控制系统设计传统的电流式掌握方法是检测流经绕组的电流，并将反馈信号送到掌握芯片，然后由掌握芯片打算是增加还是降低绕组电流，以取得所需的电流强度。

这种掌握方法使电机在宽转速和宽电源电压范围内保持抱负的转矩，特别适用于全步进和半步进电机驱动，而且实现起来特别简单。

闭环掌握电路将电流施加到绕组。

反电动势(BEMF)会降低绕组电压，延长电流达到抱负值的时间，因此，反电动势限制电机转速。

虽然系统无需知道反电动势值，但是，不重视且不修正这个数值将会导致系统性能降低。

由于电源电压变化导致峰值电流有时波动幅度很大，所以，直到现在，工程师还是尽量避开使用电压式掌握方法。

工程师们还想避开反电动势随着电机转速增加而上升的问题。

在这种状况下，业内消失了能够补偿反电动势的智能电压式掌握系统。

这种驱动方法使电机运转更顺畅，微步辨别率更高，是对高精度定位和低机械噪声要求严格的应用的抱负选择。

电压式掌握是一种开环掌握：当正弦电压施加到电机相位时，机电系统将回馈正弦电流。

我们可以用数字方法补偿反电动势和峰流变化。

在记住电机的精确特性（电机电感-转速曲线、反电动势-转速曲线、电机电阻）后，计算并施加电压，以取得抱负的电流值。

电压式掌握方法是向电机施加电压，而不是恒流。

施加的电压值能够补偿并完全消退反电动势效应，施加电压的上升速率与因电机转速增加而导致反电动势上升的速率相同，保证电流幅度对转速曲线平坦。

在已知所需电流后，就可以确定取得该电流需要施加的精确电压值。

因此，电流是由电压间接掌握，如图1所示。

图1：反电动势(BEMF)补偿电压式掌握还节约了分流电阻，可取得高微步辨别率和极低的转矩脉动。

事实上，意法半导体的L6470取得了多达128步的微步掌握。

这款数字电机掌握驱动器的核心是一个能够降低微掌握器资源占用率的数字运动引擎(DME)。

数字运动掌握引擎是由行为命令掌握，例如，肯定位置恳求，并根据预设转速曲线边界驱动电机运动。

机电一体化系统的设计与控制引言机电一体化系统是现代制造业中不可或缺的重要模块，其设计与控制的高效与准确性对于生产效率的提升至关重要。

本文将介绍机电一体化系统的设计与控制相关的理论和方法，以及应用领域与未来发展方向。

一、机电一体化系统的概述机电一体化系统是将机械、电子、计算机等多个学科领域的知识与技术融合在一起，实现系统化、自动化、智能化的综合系统。

它通过将机械部件、传感器、执行器、电气控制和计算机控制等组合在一起，实现对工业操作的控制和监测。

机电一体化系统的设计与控制主要涉及到传感器、执行器、控制算法、通信协议、数据采集与处理等方面。

二、机电一体化系统的设计1. 传感器的选择与布局传感器是机电一体化系统中重要的组成部分，用于获取实时的物理量信息。

在设计机电一体化系统时，要根据具体的应用需求选择适合的传感器，并合理布局以保证数据采集的准确性和稳定性。

常用的传感器有温度传感器、压力传感器、力传感器等。

2. 执行器的选型与控制执行器是机电一体化系统中负责动作执行的元件，如电机、液压缸等。

在设计机电一体化系统时，要根据需要选择合适的执行器，并进行相应的控制。

常用的控制方法有开关控制、模拟控制和数字控制等。

3. 控制算法的设计与优化控制算法是机电一体化系统中实现对系统运动的控制的核心。

在设计控制算法时，需要综合考虑系统的动力学模型、控制对象和限制条件，并运用优化理论和方法进行算法的设计与优化，以提高系统的性能和稳定性。

三、机电一体化系统的控制机电一体化系统的控制主要包括开环控制和闭环控制两种方式。

1. 开环控制开环控制是指在控制过程中，输出变量不作为输入变量的反馈信号，而仅通过预先设定的控制输入进行控制。

开环控制简单易实现，但在面对外界变化和干扰时缺乏自适应性和稳定性。

2. 闭环控制闭环控制是指在控制过程中，通过与感知到的输出信号进行比较，并将差异作为反馈信号，经过控制器进行处理后再作为控制输入量，以实现对系统输出的精确控制。

PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。

该器件采用DIP 16封装，适用于二相或四相步进电机。

PMM8713在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式(1相励磁，2相励磁，3相励磁三种励磁方式之一)，每相最小的拉电流和灌电流为20mA，它不但可满足后级功率放大器的要求，而且在所有输人端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强，其原理框图如图1所示，表1所列是PMM8713的引脚功能。

在PMM8713的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。

PMM8713有两种脉冲输人法:双脉冲输人法和单脉冲输人法。

采用双脉冲输人法的连线方式如图4-3-2(A)所示，其中CPI CA两端分别输人步进电机正反转的控制脉冲。

当采用单脉冲输人法时，其连线方式如图2所示；但PID算法有两种分别为: 位置式、增量式.位置式PID控制算法（5-4）（5-5）由(5-5)与(5-6)式可以推出下式（5-6）位置式控制算法提供执行机构的位置uk，需要累计Ek.增量式PID控制算法（5-8）(5-9)由(1)与(2)式可推出下式:（5-10）增量式控制算法提供执行机构的增量\* MERGEFORMAT 只需要保持.现时以前3个时刻的偏差值即可.增量式算法不需做累加，计算误差和计算精度问题对控制量的计算影响较小；位置式算法要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累计误差。

控制从手动切换到自动时，位置式算法必须先将计算机的输出值置为原始值\* MERGEFORMAT 时，才能保证无冲击切换；增量式算法与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。

在实际应用中，应根据被控对象的实际情况加以选择。

一般认为，在以闸管或伺服电机作为执行器件，或对控制精度要求较高的系统中，应当采用位置式算法；而在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中，则应采用增量式算法。

因本次设计对步进电机的调速范围与控制精确的要求,应采用增量式PID控制：系统的流程框图如5-2所示:图5-2 步进电机调速系统的控制流程图第6章软件的设计6.1 显示子程序的设计图6-1-1 显示程序流程图6.2键盘子程序的设计图6-2-1 键盘程序流程图6.3驱动程序流程的设计：图6-3-1 主程序流程图6.4正反转程序流程图6.4.1正反转程序流程图图6-4-1 正反转程序流程图6.4.2 转速快慢程序流程图6-4-2 转速快慢程序流程图6.4.3定时中断流程图图6-4-2 中断子程序流程图第7章实验结果与分析7.1 有关参数的计算与分析在单相三拍方式控制中，假如A相电源通电，B、C两相都不通电，在磁场作用下，使转子齿和A相的定子齿对齐。

步进电机运动控制系统设计设计时考虑到CPU在执行指令时可能受到干扰的冲击,导致程序”跑飞”或者进入”死循环”,因此,设计了看门狗电路,使用的是MAXIM公司生产的微处理系统监控集成芯片MAXI813。

本文还详细地给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了该汇编程序。

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系统中。

在生产过程中要求自动化、省、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。

随着微和技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民领域都有应用。

步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。

步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。

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。

因此非常适合于单片机控制。

步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。

步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。

传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。

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。

机电工程系基于PLC的步进电机运动控制系统设计专业：测控技术与仪器指导教师：xxx姓名：xxx _______________（2011年5月9日）目录一、步进电机工作原理 (1)1.步进电机简介 (1)2。

步进电机的运转原理及结构 (1)3。

旋转 (1)4。

步进电动机的特征 (2)1）运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机 (2)2)运转量与脉冲数的比例关系 (2)3)运转速度与脉冲速度的比例关系 (3)二、西门子S7—200 CPU 224 XP CN (3)三、三相异步电动机DF3A驱动器 (3)1.产品特点 (3)2。

主要技术参数 (3)四、PLC与步进电机驱动器接口原理图 (5)五、PLC控制实例的流程图及梯形图 (6)1。

控制要求 (6)2.流程图 (6)3.梯形图 (7)六、参考文献 (9)七、控制系统设计总结 (9)基于PLC的步进电机运动控制系统设计一、步进电机工作原理1.步进电机简介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)。

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；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2.步进电机的运转原理及结构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，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）3.旋转如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用,齿1与A对齐，（转子不受任何力,以下均同）。

步进电机运行系统控制设计一、设计的性质与目的：性质：该设计是在学生学完《单片机原理与应用》和电子学相关课程的基础上，结合测控技术与仪器和机电工程专业的特点进行的具有一定难度和覆盖面的综合性实践环节。

目的：综合运用所学的《单片机原理与应用》理论知识，通过实践加强对所学知识的理解，具备设计单片机应用系统的能力。

二、设计内容与要求：1、根据设计任务，设计该单片机应用系统的硬件电路图，软件流程图并编制相应的软件，实现硬件和软件的调试。

2、按下不同的键，分别使步进电机实现顺时针和逆时针旋转一步，连续按键，不仅电机连续运转，显示器显示步进电机的状态。

3、按下不同的键作步进电机速度及转向的控制并显示步进电机的状态。

A) 电机正向或逆向运转的切换B) 电机加速运转C) 电机减速运转D) 电机按给定速度匀速运转三、实验注意事项：1、实验中所用仪器及设备均应按操作规程操作，实验前应仔细阅读指导书。

2、实验应独立思考，发现问题尽量自己解决。

3、实验结果需经老师检查后方算完成。

四、设计方案：1、步进电机工作原理及硬件连线图：步进电机驱动原理是通过对它每相线圈中的电流的顺序切换使电机作步进式旋转，驱动电路有脉冲信号来控制，所以调解脉冲信号的频率变可以改变步进电机的转速，因此微电脑控制步进电机最合适。

如下图所示，实验使用的不仅电机用直流+5V电压，每相电流为0.16A，电机线圈由4相组成。

即①1 (A);①2 (B);①3 (C);①4 (D);驱动方式为二相激磁方式各线圈通通电顺序如下表：相顺序 1 2 3 40 1 1 0 01 0 1 1 02 0 0 1 13 1 0 0 1二相激磁通电次序表中首先向①1线圈-①2线圈输入驱动电流，接着①2-①3,①3-①4,又返回到①1-①2,按这种顺序切换，点击按顺时针方向旋转。

这时的相序位0, 1,2,3；如果使电机逆时针方向旋转,相序为3, 2, 1, 0。

步进电机的驱动电路如右图所示, 微电脑向步进电机输入端传送 1 或0 信息,则可实现上述操作。

目录1方案论证2结构图3流程图4硬件设计4.1 四相步进电机工作原理4.2步进电机驱动芯片ULN20034.3 按键设计5软件设计6 总体电脑设计及旋转角度计算步进电机运动控制系统设计1.方案论证步进电机对运动控制系统的控制，主要是对角度的精确控制。

根据设计要求要实现步进电机的单步正反转，持续正反转，以及能够选择步进电机的工作方式。

我是使用51单片机对四相步进电机进行控制的，为了达到设计要求，我设计了7个按键，分别为单步正转键，单步反转键，持续正转键，持续反转键，停止键，工作方式1键，工作方式2键。

在工作方式的选择上我只设计了2种，工作方式 1键为四相单四拍工作方式，工作方式2键为四相八拍工作方式，只有在选择了工作方式之后步进电机才能正常的工作。

持续正反转键实现每按一次键后，步进电机持续正转或反转，其中每一拍的角度唯一，直到按下停止键，步进电机才停止工作。

单步正反转键实现每按一次键，步进电机可以正转或反转设定的一定角度，达到这个值后自动停止旋转。

单片机可以采用中断和查询两种方式对按键是否按下这个信号进行采集，在这里我是使用的查询方式，虽然查询方式相比中断而已cpu 的占用上要大，但使用起来要简单一点。

正因为使用的是查询方式，在步进电机工作方式的选择上不能像中断那样只需按键按下就能实现工作方式的转换，它需要稍微长一点的时间来让cpu执行到工作方式转换的程序上来，为此需要消耗更多的时间。

本次设计内容由于只要求对步进电机进行适当的角度控制，不需要角度以及电机转速的反馈，因此可以用开环控制来完成设计内容，因为没有使用闭环控制，所以我们无法了解电机转过的角度是否已经达到我们要求的设定值，这就要求在程序和硬件设计上花费更多精力来完善。

2.结构图图1 结构图3.流程图图2 主程序流程图图3 子流程图4.硬件设计4.1 四相步进电机的工作原理图4是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

按规定时序给各相供电步进电机就能开始工作。

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，具有快速启动能力，定位精度高，能够直接接受数字量，因此被广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、精确定位、计算机外围设备等，在现代控制领域起着非常重要的作用。

本设计运用了8086 CPU芯片以及74273芯片、8255A芯片和步进电机以及7位小功率驱动芯片ULN2003A、指示灯等辅助硬件电路，设计了步进电机正反转及调速系统。

绘制软件流程图，进行了软件设计并编写了源程序，最后对软硬件系统进行联合调试。

该步进电机的正反转及调速系统具有控制步进电机正反转的功能，还可以对步进电机进行调速。

关键词：步进电机；正反转；调速控制；ULN2003A芯片；8086微机系统1、课程设计任务书1.1任务和目的 (4)1.2设计题目 (4)1.3内容和要求 (4)1.4列出使用元器件和设备清单 (4)2、绪论 (4)3、步进电机的总体方案 (6)4、步进电机的硬件设计 (7)4.1总体设计思路 (7)4.2电路原理图 (10)4.3线路连接图 (11)5、步进电机软件设计 (12)5. 1流程图 (12)5.2控制程序 (14)&调试说明 (19)6.1调试过程 (19)6.2调试缺陷 (19)7、总结收获 (19)8、参考文献 (20)附录：元器件及设计清单1. 课程设计任务书1.1任务和目的掌握微机硬件和软件综合设计的方法。

1.2设计题目步进电机控制系统设计1.3内容和要求1. 基本要求：控制步进电机转动，要求转速1步/1秒；设计实现接口驱动电路。

2. 提高要求：改善步进电机的控制性能，控制步进电机转/停；正转/反转；改变转速（至少3挡）；1.4列出使用元器件和设备清单8086cpu可编程并行接口8255指示灯键盘74LS138译码器驱动模块步进电机2. 绪论步进电机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Step motor或Steeping motor、Stepper servo Steppe,等等。

步进电机一体化控制系统的设计
1 引言
作为一种数字伺服执行元件，步进电机具有结构简单、运行可靠、控制
方便、控制性能好等优点，广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。

为了实现步进电机的简易运动控制，一般以单片机作为控制系统的微处理器，
通过步进电机专用驱动芯片实现步进电机的速度和位置定位控制。

2 圆弧插补改进算法
逐点比较插补算法因其算法简单、易实现且最大误差不超过一个脉冲当量，在步进电机的位置控制中应用的相当广泛[1。

圆弧插补中，为了确定一条
圆弧的轨迹，可采用：给出圆心坐标、起点坐标和终点坐标;给出半径、起点和
终点坐标;给出圆弧的三点坐标等。

在算法实现时这些参数若要存放在单片机内
部资源有限的数据存储器(RAM)中，如果要经过复杂的运算才能确定一段圆弧，不但给微处理器带来负担，而且要经过多步运算，往往会影响到算法的精确度。

因此选取一种简单且精确度高的插补算法是非常必要的。

本文提出了一种改进
算法：在圆弧插补中，无论圆弧在任何位置，是顺圆或是逆圆，都以此圆弧的
圆心作为原点来确定其他坐标。

因此只须给出圆弧的起点坐标和圆弧角度就可
以确定该圆弧。

如果一个轴坐标用4 个字节存储(如12.36)，而角度用2 个字节存储(如45°)，则只需要10 个字节即可确定一段二维的圆弧。

较之起其他
方法，最多可节省14 个存储单元。

现以第I 象限逆圆弧为例，计算其终点坐标。

如
圆弧半径：
，终点坐标：。