步进电机运动规律及速度控制方法
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4.4 步进电动机
电机对外做功的能源。 电磁转矩T驱使转子转过偏转角dθ 时，步进电动机对外输出的机械 能 Tdθ ，从能量平衡关系 Tdθ = dWm 即静态转矩为 在线性系统中
dW dWm dθ 1 Wm = LI 2 2 T=
若控制绕组中的电流I为常数，每相控制绕组是两个极上绕组串接而成， 且每极绕组的匝数为N，则
n= 60 f Zr N
f 为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。 反应式步进电动机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，与电源电 压、负载、温度等因素无关。改变脉冲频率可以改变转速，故可进行无 级调速。
f 60 f 60 f 360o n= = = o θs 步进电动机的转速还可用步距角表示 Zr N Zr N 360o 6
N NZr N ， N为运行拍数， = k ⋅ m (k = 1 2) ，m为电机相数。
步距角与拍数N及转子齿数Zt有关。减小步距角，可提高控制精度。 在一个齿距内磁场变化一个周期，用电角度表示时，一个齿距就对应 360°电角度（或 2π 电弧度)。用电角度（或电弧度）表示的齿距角 为 θte = 360o 。
图4-29 永磁式步进电动机
4.5.1 步进电动机的其它类型
3. 感应子式永磁步进电动机
图4-30 感应子式永磁步进电动机
结构 两相感应子式永磁步进电动机的定子结构与单段反应式步进电 动机相同，1、3、5、7极上的控制绕组串联为A相，2、4、6、8极 上的控制绕组串联为B相。转子是由环形磁铁和两端铁心组成。两 端转子铁心上沿外圆周开有小齿，两端铁心上的小齿彼此错过1/2齿 距。定、转子齿数的配合与单段反应式步进电动机相同。
四相八拍运行时的步距角是四相四拍运行时的一半。 四相双四拍运行 通电方式为AC→CB→BD→DA→…。步距角与四相单四拍运行时一样 为1/4齿距角，即1.8°。
步进电机及其工作原理1ppt课件
360°
θb = m* Z*C
式中：m －定子相数
2
A A
1
4
2
Z － 转子齿数
3
C －通电方式
A
C = 1 单相轮流通电、双相轮流通电方式
C = 2 单、双相轮流通电方式
制作：张津
常用步进电机的步距角 常用步进电机的定子绕组多数是三相和五相, 与此相匹配
的转子齿数分别为40齿和48齿，即有 三相步进电机：
1. 脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合
为正向或负向脉冲进给信号 2. 加减脉冲分配电路
将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲
制作：张津
步进电机的驱动控制
3. 加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性
的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。 4. 环形分配器
单双相轮流通电（M相2M拍） 顺时针轮回 A→AB→B→BC→C→CA→A 逆时针轮回 A→AC→C→CB→B→BA→A
制作：张津
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序： A→B→C→A
转子旋转方向： 顺时针
步距角：
θb = 60°
A
A
1
B
1 2
2
B
A
A
C
B
1 2
1 2
C A 60°
2 B
A
A
C
B
60° 1 2
1 2
60°
B
C
B
A
制作：张津
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序： A→AB→B→BC→C→CA→A
θb = m* Z*C
式中：m －定子相数
2
A A
1
4
2
Z － 转子齿数
3
C －通电方式
A
C = 1 单相轮流通电、双相轮流通电方式
C = 2 单、双相轮流通电方式
制作：张津
常用步进电机的步距角 常用步进电机的定子绕组多数是三相和五相, 与此相匹配
的转子齿数分别为40齿和48齿，即有 三相步进电机：
1. 脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合
为正向或负向脉冲进给信号 2. 加减脉冲分配电路
将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲
制作：张津
步进电机的驱动控制
3. 加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性
的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。 4. 环形分配器
单双相轮流通电（M相2M拍） 顺时针轮回 A→AB→B→BC→C→CA→A 逆时针轮回 A→AC→C→CB→B→BA→A
制作：张津
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序： A→B→C→A
转子旋转方向： 顺时针
步距角：
θb = 60°
A
A
1
B
1 2
2
B
A
A
C
B
1 2
1 2
C A 60°
2 B
A
A
C
B
60° 1 2
1 2
60°
B
C
B
A
制作：张津
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序： A→AB→B→BC→C→CA→A
步进电机常用升降速控制方法说明
步进电机常用升降速控制方法说明步进电机常用的升降频控制方法有两种：直线升降频和指数曲线升降频。
指数曲线法具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性差。
直线法平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。
以恒定的加速度升降，规律简练，用软件实现比较简单。
步进电机驱动执行机构从一个位置向另一个位置移动时，要经历升速、恒速和减速过程。
当信浓步进电机的运行频率低于其本身起动频率时，可以用运行频率直接起动并以此频率运行，需要停止时，可从运行频率直接降到零速。
当步进电机运行频率fbfa（有载起动时的起动频率）时，若直接用fb频率起动会造成步进电机失步甚至堵转。
同样在fb频率下突然停止时，由于惯性作用，步进电机会发生过冲，影响定位精度。
如果非常缓慢的升降速，信浓步进电机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。
所以对信浓步进电机加减速要保证在不失步和过冲前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到指定位置。
1。
步进电机运动规律及速度控制方法
步进电机运动规律及速度控制方法姓名：吴良辰班级：10机设（2）学号：201010310206学期我们专业开设了机电传动控制这么课，它是机电一体化人才所需要知识结构的躯体，由于电力传动控制装置和机械设备是一个不可分割的整体，所以我么能从中了解到机电传动控制的一般知识，要掌握电机、电器、晶闸管等工作原理、特性、应用和选用的方法。
了解最新控制技术在机械设备中的应用。
在现代工业中，机电传动不仅包括拖动生产机械的电动机，而且还包括控制电动机的一整套控制，以满足生产过程自动化的要求。
也就是说，现代机电传动是和各种控制元件组成的自动控制系统联系在一起。
机电系统一般可分为图一所示的三个部分。
图1 机电传动控制在没上这门课之前，在我自己认为，电机就是那些就是高中学的那些直流电动机，就是通电线圈在磁场转动。
那是直流电动机了，慢慢的我接触了交流电动机，刚开始知道220V市电。
记得大一下学期，我们金工实习了，看到工训下面那么多的车床，铣床，钻床……由于要提供大的功率，所以主电机都是选用380V。
上完这门让我更详细了解他们内部的结构和工作原理。
还说明知识是慢慢积累的过程。
见的多学的多。
我明白了很多以前的疑惑。
看到电视机上那些智能机器人，他们的活动很自如，就像仿生肌肉一样。
尤其是日本的机器人。
它的机械臂很有可能是步进电机控制的，还有一种说法是液压与气压控制的。
我觉的两者都有。
很有幸大一时候进入了第二课堂，在里面学到东西，也接触了步进电机，我是在学51单片机那时候也买了一个，就觉得很神奇。
在加上前几天参加了江西省电子设计大赛，我就感觉到要是要选控制类的题目做，步进电机是不能少的。
所以步进电机是个好东西。
我在网上查了一下资料，上个世纪就出现了步进电机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。
很遗憾的是它是国外人发明的。
开始写正题了，上完这门课，那个步进电机是让我很痴迷的。
步进电机的速度调节方法
ｆｌｇ ｌｅ ｍｔ ｄ ｅｐｎｎａｃｒ ｍｔ ｄ ｐｒ ｏｃ ｖ ｍ ｔ ｄ Ｔｅ ｃｃｌ ｒ ｓ ｇ ｅ ｆ ａｉ ｕ ｉ ａ ｅ ｏ， ｏｅｔｌ ｅ ｈ ａｄ ａ ｌ ｃｒ ｅ ｏ． ｐ ｔａｐ ｇ ｍ ａ ｉ ｎ ｌ ｓ ｎ ｒ ｈ ｘ ｎ ｅ ｉ ｕｖ ｅ ｏ ｎ ａ ｂ ｉ ｕ ｅ ｈ ｈ ｒ ｉ ｒ ａ ｒ ｖ ｏ ａ ｏ ｅ ｒ ｔ ｒ ｕ ｔｇ ｕ ｅ＇ ｑｅｃ． ｆｑｅｃ－ｓ ｇ ｌｏｔ ｓ ｐｅｍ ｔ ｉｇｔ ｎｌｉ ｔ ｃａ ｃ ｒ－ ｈ ｅ ｌｉ ｏｐｌｓ ｒ ｕｎｙ Ｔｅ ｕｎｙ ｉｎ ｔ ｅ ｈ ｔ ｐｒ ｏ ｓ ｂ ａａ ｚ ｇ ｈｒ ｔｉ ｅ ａｎ ｆ ｆ ｇ ｓ ｅ ｈ ｒ ｅ ｒｉ ａ ｆ ｅ ｂ ｅ ｏ ｒ ｏ ｙ ｙｎ ｈ ｅ ａ ｅｓ ｔｓ ｈ ｔｑｅｒ ｕｎ ｃｒ ｏｔ ｍｔ ａｄ ｏ ｐ ｔｓｔａ ｆｗ ｒｏｆｑｅｃ－ｓｇ ｆｑｅｃ－ ｉ ｏｔ ｏ ｕ－ｅ ｅｃ ｕ ｅ ｈ ｏ ｒ ａ ｌｅ ｗｒ ｌ ｃａ ｒ ｕｎｙｉｎ ａｄ ｕｎｙ ｃ ｆ ｒ ｆｑ ｙ ｖ ｆ ｏ ｎ ｃ ｅ ｏ ｅ ｈｔ ｆ ｅ ｅ ｍ ｆ ｏ ｅ ｒｉ ｎ ｒ ｅ ｆｌｇ ｒ ｅｔ ． ｅ ｌ ｓ ｐｅ－ｇｌｉ ｍ ｔ ｄ ｈｖ ｂｅ ｕ ｄ ｍ ｎ Ｃ Ｃ ｃｉ －ｏ ａｄ ａｉ ｉｐ ｓ ｅ Ｓｖ ａｋ ｄ ｏｓ ｄ ｅｕ ｔｇ ｈ ｓ ｅ ｎ ｉ ａｙ ｍ ｈ ｅｏ ｓ ｔ ｌ ｓ ｎ ｄ ｅ ｒ ｉ ｆ ｒ ａｎ ｅ ｏ ａ ｅ ｓ ｎ ｎ ｅ ｎ ｅ ｅ Ｎ ａ ｎ ｔｌ ｎ ｈ ｅ ｐｓｉ ｉ ａｃｒ ｙ ｈ ｓｐｅ ｍ ｔ ｉｒｓ ， ｒａｏ ｏｔ ｍ ｔ ｂｃ ｅ ｍ ｒ ｓｏ ｈ ｔ ｓ ｅ－ｓ ｏ ｔｎ ｇ ｕ ｃ ｏｔ ｔ ｐｒ ｏ ｓ ｅ ｔ ｏ ｔｎ ｈ ｏ ｒ ｏ ｓ ｅ ｏ ａｄ ｐ ｄ ｉ ｉ ｎ ｃ ａ ｆ ｅ ｏ ｅ ｏ ｒ ａ ｄ ｈ ｔｉ ｆ ｏ ｅ ｍ ｏ ｍ ｔ ｎ ｈ ｅ ｒ－ ｉ ｅ ｅ ｅ ｉ ａｄ ｅ－ｌ ｇ ｈ ｍ ｔ ａ ａ ｅ ｒｅ． ｎ ｎ ｓ ｄ ａｉ ｏｔ ｏ ｒ ｃ ｌａ ｄ ｇ ｐ ｆｌ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｔ ｅ ｎ ｅ ｅ
步进电机控制及高速脉冲指令
一脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继处在激磁状态， 则电机转轴将移动半个步距角，停在相邻两个整步位置的 中间。如此循环地对两相线圈进行单相然后双相激磁步进 电机将以每个脉冲0.90度的半步方式转动。所有 Leadshine公司的整/半步驱动器都可以执行整步和半步驱 动，由驱动器拨码开关的拨位进行选择。和整步方式相比， 半步方式具有精度高一倍和低速运行时振动较小的优点， 所以实际使用整/半步驱动器时一般选用半步模式。
在没有设置细分时步距角是1.8°，即 200个脉冲/转。设置成4细分后，则是 800脉冲/转。相当一个导程需要800个 脉冲。
高速脉冲输出
高速脉冲输出有脉冲串输出PTO和脉宽调制输出PWM 两种形式。 每个CPU有两个PTO/PWM发生器，一个发生器分配给
输出端Q0.0，另一个分配给Q0.1。当Q0.0或Q0.1设定
细分驱动
细分驱动模式具有低速振动极小和定位精度高两大优点。 对于有时需要低速运行（即电机转轴有时工作在60rpm以 下）或定位精度要求小于0.90度的步进应用中，细分驱动 器获得广泛应用。其基本原理是对电机的两个线圈分别按 正弦和余弦形的台阶进行精密电流控制，从而使得一个步 距角的距离分成若干个细分步完成。如上图所示。例如十 六细分的驱动方式可使每圈200标准步的步进电机达到每 圈200*16=3200步的运行精度（即0.1125°）。Leadshine 公司可提供规格齐全、性能优越、品质可靠、价格优惠的 十余款细分驱动器。
式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依此类推。
步进驱动器原理
从步进电机的转动原理可以看出，要使步进电机
正常运行，必须按规律控制步进电机的每一相绕
组得电。步进驱动器接收外部的信号是方向信号
第3章 步进电动机的控制
步进电动机特点
电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比； 转向与通电相序有关。当它转一周后，没有累积误差，具有良好的跟 随性。 由步进电动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。 步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 步进电动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。 步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。
小步距角步进电动机
若步进电动机通电的脉冲频率为ƒ(脉冲数/秒)，步距角用弧度表示，则 步进电动机的转速
2π f 60 θb 60 f Kmz = n= f 60 = 2π 2π Kmz
(r/min)
由上式可知，步进电动机在一定脉冲频率下，电动机的相数和转子齿数 越多，转速就越低。而且相数越多，驱动电源也越复杂，成本也就越高。
• 转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进电动机 • 用永久磁铁做转子的称为“永磁式”步进电动机。
目前以反应式步进电动机用得较多。
单段式三相反应式步进电动机的结构
磁极按照定子径向排列，径向分相式； 磁极按照定子径向排列，径向分相式； 电机的定子上有六个均布的磁极， 电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角 是60º。 60 。 定子磁极数为相数的两倍，即2p=2m； 定子磁极数为相数的两倍， 2p=2m； 每个磁极上都装有控制绕组，并接成m 每个磁极上都装有控制绕组，并接成m相； 转子上均布40个小齿。 转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距 40个小齿 为360º/40=9 360 /40=9º /40=9 定子每个磁极的极弧上也有5个小齿， 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
第3章步进电动机的控制
ƒ
升速 恒速 减速 低速
起点
终点
（时间） t
图3-24
点、位控制中的加减速控制
15
变速控制的方法有：
改变控制方式的变速控制：最简单的变速控制可利用改变步进电 机的控制方式实现。例如：对于三相步进电机系统，启动或停止时 用三相六拍，大约0.1s以后，改用三相三拍，快到达终点时再采用 三相六拍，以达到减速控制的目的。 均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制：步进电机的加速（或减速） 控制，可以用均匀地改变脉冲时间间隔来实现。 采用定时器的变速控制：单片机控制系统中，用单片机内部的定 时器来提供延时时间。方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间， 由定时器向CPU申请一次中断，CPU响应中断后，便发出一次控制脉 冲。此时只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加速（或 减速）的目的。这种方法可以提高控制系统的效率。
脉冲 方向控制
步进控制器
功率放大器
步进电机
负载
图3-19 步进电机控制系统的组成
2
随着电子技术的发展，除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软 件实现。采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器，不仅简化了 线路，降低了成本而且可靠性也大为提高，同时，根据系统的需要可 灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。典型的微型机控制 步进电机系统原理图如图3-20所示。 使用微型机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。 步 进 电 机
6
二、步进电动机的闭环控制
在开环步进电动机系统中，电动机的输出转矩在很大程度上取决于驱 动电源和控制方式。对于不同的步进电动机或同一种步进电动机而不 同负载，励磁电流和失调角发生改变，输出转矩都会随之发生改变， 很难找到通用的控速规律，因此，也很难提高步进电机的技术指标。 闭环系统是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适 当处理自动给出驱动脉冲串。因此采用闭环控制可以获得更精确的位 置控制和更高、更平稳的转速，从而提高步进电动机的性能指标。 步进电动机的输出转矩是励磁电流和失调角的函数。为了获得较高的 输出转矩，必须考虑到电流的变化和失调角的大小，这对于开环控制 来说是很难实现的。
升速 恒速 减速 低速
起点
终点
（时间） t
图3-24
点、位控制中的加减速控制
15
变速控制的方法有：
改变控制方式的变速控制：最简单的变速控制可利用改变步进电 机的控制方式实现。例如：对于三相步进电机系统，启动或停止时 用三相六拍，大约0.1s以后，改用三相三拍，快到达终点时再采用 三相六拍，以达到减速控制的目的。 均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制：步进电机的加速（或减速） 控制，可以用均匀地改变脉冲时间间隔来实现。 采用定时器的变速控制：单片机控制系统中，用单片机内部的定 时器来提供延时时间。方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间， 由定时器向CPU申请一次中断，CPU响应中断后，便发出一次控制脉 冲。此时只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加速（或 减速）的目的。这种方法可以提高控制系统的效率。
脉冲 方向控制
步进控制器
功率放大器
步进电机
负载
图3-19 步进电机控制系统的组成
2
随着电子技术的发展，除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软 件实现。采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器，不仅简化了 线路，降低了成本而且可靠性也大为提高，同时，根据系统的需要可 灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。典型的微型机控制 步进电机系统原理图如图3-20所示。 使用微型机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。 步 进 电 机
6
二、步进电动机的闭环控制
在开环步进电动机系统中，电动机的输出转矩在很大程度上取决于驱 动电源和控制方式。对于不同的步进电动机或同一种步进电动机而不 同负载，励磁电流和失调角发生改变，输出转矩都会随之发生改变， 很难找到通用的控速规律，因此，也很难提高步进电机的技术指标。 闭环系统是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适 当处理自动给出驱动脉冲串。因此采用闭环控制可以获得更精确的位 置控制和更高、更平稳的转速，从而提高步进电动机的性能指标。 步进电动机的输出转矩是励磁电流和失调角的函数。为了获得较高的 输出转矩，必须考虑到电流的变化和失调角的大小，这对于开环控制 来说是很难实现的。
如何控制步进电机速度(即如何计算脉冲频率)
如何控制步进电机速度（即如何计算脉冲频率）步进电机是一种常用的控制器件，它通过接收脉冲信号来进行精确的位置控制。
控制步进电机的速度就是控制脉冲的频率，也就是发送给电机的脉冲数目和时间的关系。
下面将介绍几种常见的方法来控制步进电机的速度。
1.简单定频控制方法：这种方法通过固定每秒脉冲数（也称为频率）来控制步进电机的速度。
通常，在开发步进电机控制系统时，我们会选择一个合适的频率，然后通过改变脉冲的间隔时间来调整步进电机的速度。
脉冲频率可以通过以下公式计算：频率=目标速度（转/秒）×每转需要的脉冲数。
2.脉冲宽度调制（PWM）控制方法：使用PWM调制技术可以在不改变脉冲频率的情况下改变脉冲的时间宽度，从而控制步进电机的速度。
通过改变每个脉冲的高电平时间和低电平时间的比例，可以实现步进电机的速度控制。
较长的高电平时间会导致步进电机转动较快，而较短的高电平时间会导致步进电机转动较慢。
3.脉冲加速与减速控制方法：步进电机的加速和减速是通过改变脉冲信号的频率和间隔时间来实现的。
在加速时，脉冲的频率逐渐增加，间隔时间逐渐减小，从而使步进电机从静止状态加速到目标速度。
在减速时，脉冲的频率逐渐减小，间隔时间逐渐增加，从而使步进电机从目标速度减速到静止状态。
在实际应用中，可以通过编程控制脉冲信号的频率来控制步进电机的速度。
根据不同的需求，可以选择适合的控制方法来实现步进电机的精准控制。
除了控制脉冲频率，步进电机的速度还受到其他因素的影响，如驱动器的最大输出速度、电机的最大速度等。
因此，在进行步进电机速度控制时，还需要考虑这些因素，并做好相应的调整以确保步进电机的正常运行。
步进电机控制方法
步进电机控制方法步进电机是一种常见的电动执行器，广泛应用于各个领域的控制系统中。
它具有结构简单、控制方便、定位精度高等优点，是现代自动化控制系统中必不可少的重要组成部分。
本文将从基本原理、控制方法、应用案例等方面对步进电机进行详细介绍。
1. 基本原理步进电机是一种通过输入控制信号使电机转动一个固定角度的电机。
其基本原理是借助于电磁原理，通过交替激励电机的不同线圈，使电机以一个固定的步距旋转。
步进电机通常由定子和转子两部分组成，定子上布置有若干个线圈，而转子则包含若干个极对磁体。
2. 控制方法步进电机的控制方法主要包括开环控制和闭环控制两种。
开环控制是指根据既定的输入信号频率和相位来驱动电机，控制电机旋转到所需位置。
这种方法简单直接，但存在定位误差和系统响应不稳定的问题。
闭环控制则是在开环控制的基础上，增加了位置反馈系统，通过不断校正电机的实际位置来实现更精确的控制。
闭环控制方法相对复杂，但可以提高系统的定位精度和响应速度。
3. 控制算法控制步进电机的常用算法有两种，一种是全步进算法，另一种是半步进算法。
全步进算法是指将电流逐个向电机的不同线圈通入，使其按照固定的步长旋转。
而半步进算法则是将电流逐渐增加或减小，使电机能够以更小的步长进行旋转。
半步进算法相对全步进算法而言，可以实现更高的旋转精度和更平滑的运动。
4. 应用案例步进电机广泛应用于各个领域的控制系统中。
例如，在机械领域中，步进电机被用于驱动数控机床、3D打印机等设备，实现精确的定位和运动控制。
在医疗设备领域，步进电机被应用于手术机器人、影像设备等，为医疗操作提供准确定位和精确运动。
此外，步进电机还广泛应用于家用电器、汽车控制、航空航天等领域。
总结：步进电机作为一种常见的电动执行器，具有结构简单、控制方便、定位精度高等优点，在自动化控制系统中扮演着重要的角色。
通过本文的介绍，我们了解到步进电机的基本原理、控制方法、算法以及应用案例等方面的知识。
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步进电机运动规律及速度控制方法姓名：吴良辰班级：10机设（2）学号：201010310206学期我们专业开设了机电传动控制这么课，它是机电一体化人才所需要知识结构的躯体，由于电力传动控制装置和机械设备是一个不可分割的整体，所以我么能从中了解到机电传动控制的一般知识，要掌握电机、电器、晶闸管等工作原理、特性、应用和选用的方法。
了解最新控制技术在机械设备中的应用。
在现代工业中，机电传动不仅包括拖动生产机械的电动机，而且还包括控制电动机的一整套控制，以满足生产过程自动化的要求。
也就是说，现代机电传动是和各种控制元件组成的自动控制系统联系在一起。
机电系统一般可分为图一所示的三个部分。
图1 机电传动控制在没上这门课之前，在我自己认为，电机就是那些就是高中学的那些直流电动机，就是通电线圈在磁场转动。
那是直流电动机了，慢慢的我接触了交流电动机，刚开始知道220V市电。
记得大一下学期，我们金工实习了，看到工训下面那么多的车床，铣床，钻床……由于要提供大的功率，所以主电机都是选用380V。
上完这门让我更详细了解他们内部的结构和工作原理。
还说明知识是慢慢积累的过程。
见的多学的多。
我明白了很多以前的疑惑。
看到电视机上那些智能机器人，他们的活动很自如，就像仿生肌肉一样。
尤其是日本的机器人。
它的机械臂很有可能是步进电机控制的，还有一种说法是液压与气压控制的。
我觉的两者都有。
很有幸大一时候进入了第二课堂，在里面学到东西，也接触了步进电机，我是在学51单片机那时候也买了一个，就觉得很神奇。
在加上前几天参加了江西省电子设计大赛，我就感觉到要是要选控制类的题目做，步进电机是不能少的。
所以步进电机是个好东西。
我在网上查了一下资料，上个世纪就出现了步进电机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。
很遗憾的是它是国外人发明的。
开始写正题了，上完这门课，那个步进电机是让我很痴迷的。
步进电机在位置控制，速度，控制方面有着卓越的作用，是其他电机无法比拟的。
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步进电机件。
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。
步进电动机的主要特点有如下几点：(1)转速和步距值不受电压波动、负载变化和温度变化的影响，只与脉冲频率同步，转子运动的总位移量只取决于总的脉冲信号数。
(2)开环控制，无需反馈，系统结构大为简化，工作更加可靠，维护更加方便，在一般定位驱动装置中具有足够高的精度。
(3)控制性能好，可以在很宽的范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速，起动制动、反向及其他任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成。
(4)误差不积累。
步进电动机每走一步所转过的角度与理论值之间总有一定的误差但它每转一圈都有固定的步数，所以在不失步的情况下，其步距误差是不会积累的。
步进电机区别于其他控制用途电机的最大特点是，它可接受数字控制信号(电脉冲信号)并转化成与之相对应的角位移或直线位移，因而本身就是一个完成数字模拟转化的执行元件。
而且它能进行开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量。
这样的增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。
因此，步进电机广泛应用于数控机床、机器人、遥控、航天等领域，特别是微型计算机和微电子技术的发展，使步进电机获得更为广泛的应用。
步进电机的速度特性步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。
其角速度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步。
因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只要控制脉冲频率即可获得所需速度。
由于步进电机是借助它的同步转矩而启动的，为了不发生失步，启动频率是不高的。
特别是随着功率的增加，转子直径增大，惯量增大，启动频率和最高运行频率可能相差10倍之多。
为了充分发挥电机的快速性能，通常使电机在低于启动频率下启动，然后逐步增加脉冲频率直到所希望的速度，所选择的变化速率要保证电机不发生失步，并尽量缩短启动加速时间。
为了保证电机的定位精度，在停止以前必须使电机从最高速度逐步减小脉冲率降到能够停止的速度(等于或稍大于启动速度)。
因此，步进电机拖动负载高速移动一定距离并精确定位时，一般来说都应包括“启动-加速-高速运行(匀速)-减速-停止”五个阶段，速度特性通常为梯形，如果移动的距离很短则为三角形速度特性，如图2所示。
图2 步进电机的速度曲线步进电机控制系统结构PC机在适当的时刻通过对硬件控制电路上的8253计数器0赋初值，设置好加减速过程的频率变化(即速度、加速度变化)，以防止失步。
例如，在点位控制中设置好速度曲线图，在起动和升速时，使步进电机产生足够的转矩驱动负载，跟上规定的速度和加速度;在减速时，下降特性使负载不产生过冲，停止在规定的位置。
硬件控制电路板上的8253产生脉冲方波作为中断信号源，启动细分驱动电路中的固化程序以产生一定频率的脉冲，经功率放大后驱动步进电机运动。
步进电机运动方向的改变及启动和停止均由计算机控制硬件控制电路实现。
图3步进电机控制系统软件和硬件结合起来一起进行控制，具有电路简单、控制方便等优点。
在这种控制中，微机软件占用的存储单元少，程序开发不受定时限制。
只要外部中断允许，微机就能在电机的每一步之间自由地执行其他任务，以实现多台步进电机的运动控制。
定时器初值的确定步进电机的实时控制运用PC机，脉冲方波的产生采用8253定时器，其计数器0工作于方式0以产生脉冲方波，计数器1工作于方式1起记数作用，8253计数器0的钟频由2MHz晶振提供。
设计算机赋给8253计数器0的初值为D1，则产生的脉冲方波频率为f1=f0/D1，周期为T1=1/f1=D1/f0，D1=f0T1=f0/f1。
其中，f1为启动频率，f0为晶振频率。
步进电机升降速数学模型为使步进电机在运行中不出现失步现象，一般要求其最高运行频率应小于(或等于)步进响应频率fs。
在该频率下，步进电机可以任意启动、停止或反转而不发生失步现象。
步进电机升降速有两种驱动方式，即三角形与梯形驱动方式(见图1)，而三角形驱动方式是梯形驱动的特例，因而我们只要研究梯形方式。
电机的加速和减速是通过计算机不断地修改定时器初值来实现的。
在电机加速阶段，从启动瞬时开始，每产生一个脉冲，定时器初值减小某一定值，则相应的脉冲周期减小，即脉冲频率增加;在减速阶段，定时器初值不断增加，则相应的脉冲周期增大，脉冲频率减小，对应梯形脉冲频率特性的减速阶段。
该设计的关键是确定脉冲定时tn，脉冲时间间隔即脉冲周期Tn和脉冲频率fn。
假设从启动瞬时开始计算脉冲数，加速阶段的脉冲数为n，并设启动瞬时为计时起点，定时器初值为D1，定时器初值的减量为△。
从加速阶段的物理过程可知，第一个脉冲周期，即启动时的脉冲周期T1=D1/f0，t1=0。
由于定时器初值的修改，第2个脉冲周期T2=(D1-△)/f0=T1-△/f0，脉冲定时t2=T1，则第n个脉冲的周期为：Tn=T1-(n-1)△/f0 (1)脉冲定时为：(2)脉冲频率为：1/fn=Tn=T1-(n-1)△/f0 (3)上式分别显示了脉冲数n与脉冲频率fn和时间tn的关系。
令△/f0=δ，即加速阶段相邻两脉冲周期的减量，则上述公式简化为：tn=(n-1)T1-(n-2)(n-1)δ/2 (4)1/fn=T1-(n-1)δ (5)联立(4)、(5)，并简化fn与tn的关系，得出加速阶段的数学模型为：(6)其中，是常数，其值与定时器初值及定时器变化量有关，A=-δ, B=(2T1+δ)2,C=8δ。
加速阶段脉冲频率的变化为：(7)从(6)、(7)式可以看出，在加速阶段，脉冲频率不断升高，且加速度以二次函数增加。
这种加速方法对步进电机运行十分有利，因为启动时，加速度平缓，一旦步进电机具有一定的速度，加速度增加很快。
这样一方面使加速度平稳过渡，有利于提高机器的定位精度，另一方面可以缩短加速过程，提高快速性能。
对于减速阶段，按照与上述类似的分析方法，可以得出脉冲频率特性的表达方式为：(8)(9)其中，A=-δ, B=(2T1-δ)2,C=8δ，T1为减速开始时脉冲周期，δ为减速阶段相邻两个脉冲周期的增量。
由于T1>>δ，则B=4T12，由(8)、(9)式可以看出，脉冲频率在减速阶段不断下降，且加速度为负，绝对值以二次函数减小。
这种减速性能对步进电机同样有利，它使步进电机在减速时能够平稳地停止而没有冲击，提高了机器的定位精度。
综上所述，可以得出本设计的脉冲频率特性(见图4)。
图4 脉冲频率特性实验及总结通过开发Windows环境下的控制软件，利用VC++设计良好的控制接口界面，方便地实现了运动方式、速度、加减速的选择和位置控制，具有一定程度的智能。
该控制单元减少了PC机被占用时间，以便于在电机运行的同时去完成别的工作，从而实现了三台步进电机的加减速和速度及位置控制。
并且利用了细分驱动电源，提高了步进精度和定位精度。