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基于PID控制的步进电机位置闭环控制系统设计一、引言在现代自动化控制系统中，步进电机广泛应用于各种精密定位和定量控制需求的场景。
步进电机的控制涉及到位置的精确定位和稳定性的维持，这就需要一个有效的闭环控制系统来实现。
PID控制器被广泛应用于步进电机的闭环控制系统设计中，本文将探讨基于PID控制的步进电机位置闭环控制系统的设计原理和实现方法。
二、步进电机简介步进电机是一种特殊的直流电动机，通过控制脉冲信号的频率和顺序来实现精确控制。
步进电机的圆周分为若干等角度的步进角，每个步进角对应一个旋转角度，这使得步进电机在控制方面更加便捷和精确。
由于步进电机无需传感器反馈，因此常用于定量控制和精确位置控制的场合。
三、PID控制器原理PID控制器是一种经典的闭环控制器，其由比例（P）、积分（I）、微分（D）三个部分组成。
比例控制决定输出与偏差的比例关系，积分控制消除系统稳态误差和提高系统的响应速度，微分控制用于抑制系统对于负荷变化的敏感性。
PID控制器采用反馈控制策略，利用实际输出和期望输出之间的偏差来调整控制量。
四、步进电机位置闭环控制系统设计步进电机的位置闭环控制系统设计基于PID控制器。
首先，需要传感器来获得实际位置信息，然后与期望位置进行比较以获取偏差。
接下来，将偏差作为输入，经过PID控制器计算出控制量，并输出给步进电机驱动器。
步进电机驱动器根据控制量控制步进电机的旋转，从而实现位置的精确控制。
五、传感器选择为了获取步进电机的实际位置信息，需要选择合适的传感器。
常用的传感器包括光电编码器和霍尔传感器。
光电编码器具有高精度和高分辨率的特点，但价格较高；霍尔传感器则具有较低的价格和较高的可靠性，但分辨率较低。
根据具体需求和预算可选择合适的传感器。
六、PID参数调整PID控制器的性能很大程度上取决于参数的选择。
比例参数决定了响应的速度和稳定性，过大的比例参数会导致系统震荡，过小则导致响应速度慢；积分参数消除稳态误差，过大的积分参数会导致系统震荡，过小则无法消除稳态误差；微分参数能够抑制系统对负荷变化的敏感性，过大的微分参数会导致系统噪声，过小则无法起到抑制作用。
基于PLC的步进电机控制系统设计机械电子专业 XXX指导教师 XXX摘要：以德国西门子公司小型可编程逻辑控制器S7—200为中央处理单元，以步进电机作为控制对象。
介绍了PLC的概念原理以与控制的优点，步进电机的概念与工作原理，现状以与发展方向。
PLC 与步进电动机一起结合起来有很高的研究价值与意义。
本文在介绍步进电机控制特点的基础上,重点研究了步进电机的控制策略。
设计了控制系统的硬件方案，并编写了相应的控制流程，测试了实际控制效果，并提出相应的整改措施，达到更加合理高效的目标。
对于使用步进驱动器的步进控制系统，控制器对步进电机的控制关键在于控制脉冲信号的产生。
介绍了使用该控制器产生控制脉冲信号的多种不同实现方法，进而实现对步进电机不同控制方法。
关键词：可编程逻辑控制器；步进电机；控制策略；控制流程The Research Of Stepper Control Method Motor Based OnPLC Student majoring inMachinery and electronics specialtyXXXTutorXXXAbstract：With small Germany Siemens S7-200 programmable logic controller of the central processing unit, with stepping motor as control object. This paper introduces the concept of PLC principle and advantage of the control, the concept and working principle of stepper motor, the current situation and development direction. PLC combined with stepper motor has a high research value and significance. In this paper, based on the introduction to the characteristics of the stepper motor control, step motor control strategies are researched. Design the hardware of the control system scheme, and write the corresponding control process, test the actual control effect, and puts forward the corresponding rectification measures, achieve more reasonable and efficient. For using stepper drive stepper control system, the controller of stepper motor control is the key to control the generation of pulse signal. This paper introduces the control using the controller a variety of different implementation methods of the pulse signal, then the method to realize different control the stepper motor.1 / 23Keywords:Programmable logic controller; Stepping motor; The control strategy; Control the process引言伴随着经济的快速发展，科技的日新月异，产品更新换代周期缩短，生产效率有了更高的要求，特别是计算机技术的广泛的推广和普与，信息产业发挥了它无与伦比的优越性和高效性，其中可编程逻辑器件就有了更多的用武之地。
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频 率 （HZ ） 脉冲数（PLS ） f 1S 2 S 3S 1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。
基于stm32的步进电机控制系统设计与实现基于STM32的步进电机控制系统设计与实现1. 概述步进电机是一种非常常见的电动机，在许多自动化系统和工控设备中得到广泛应用。
它们具有精准的定位能力和高效的控制性能。
本文将介绍如何使用STM32微控制器来设计和实现步进电机控制系统。
2. 硬件设计首先需要确定步进电机的规格和要求，包括步距角、相数、电流和电压等。
根据步进电机的规格，选择合适的驱动器芯片，常见的有L298N、DRV8825等。
接下来，将选定的驱动器芯片与STM32微控制器相连。
通常，步进电机的控制信号需要使用到微控制器的GPIO引脚，同时由于步进电机的工作电流比较大，需要使用到微控制器的PWM输出信号来调节驱动器芯片的电流限制。
除此之外，还需要一个电源电路来提供驱动器和步进电机所需的电源。
可以选择使用一个电源模块，也可以自行设计电源电路。
3. 软件设计软件设计是步进电机控制系统的核心部分，主要包括步进电机驱动代码的编写和控制算法的实现。
首先，需要在STM32的开发环境中编写步进电机驱动代码。
根据所选的驱动器芯片和步进电机规格，编写相应的GPIO控制代码和PWM输出代码。
同时，可以添加一些保护性的代码，例如过流保护和过热保护等。
接下来，需要设计和实现步进电机的控制算法。
步进电机的控制算法通常是基于位置控制或速度控制的。
对于位置控制，可以使用开环控制或闭环控制，闭环控制通常需要使用到步进电机的编码器。
对于开环控制，可以通过控制步进电机的脉冲数来控制位置。
通过控制脉冲的频率和方向，可以实现步进电机的转动和停止。
这种方法简单直接，但是定位精度有限。
对于闭环控制，可以使用PID控制算法或者更高级的控制算法来实现位置控制。
通过读取步进电机的编码器反馈信号，可以实时调整控制输出。
这种方法可以提高定位精度和抗干扰能力，但是算法实现相对复杂。
4. 系统实现在完成硬件设计和软件设计后，可以进行系统的调试和实现。
基于51单片机的步进电机控制系统设计步进电机是一种特殊的直流电动机，具有定角度、定位置、高精度等特点，在许多领域得到广泛应用，如机械装置、仪器设备、医疗设备等。
本文将基于51单片机设计一个步进电机控制系统，主要包括硬件设计和软件设计两部分。
一、硬件设计步进电机控制系统的硬件设计主要包括51单片机、外部电源、步进电机驱动模块、以及其他辅助电路。
1.51单片机选择由于步进电机控制需要执行复杂的算法和时序控制，所以需要一个性能较高的单片机。
本设计选择51单片机作为主控芯片，因为51单片机具有丰富的外设接口、强大的计算能力和丰富的资源。
2.外部电源步进电机需要较高的电流供给，因此外部电源选择稳定的直流电源，能够提供足够的电流供电。
电源电压和电流的大小需要根据具体的步进电机来确定。
3.步进电机驱动模块步进电机驱动模块是连接步进电机和51单片机的关键部分，它负责将51单片机输出的脉冲信号转化为对步进电机的驱动信号，控制步进电机准确转动。
常用的步进电机驱动芯片有L297、ULN2003等。
4.其他辅助电路为了保证步进电机控制系统的稳定运行，还需要一些辅助电路，如限流电路、电源滤波电路、保护电路等。
这些电路的设计需要根据具体的应用来确定。
二、软件设计1.系统初始化系统初始化主要包括对51单片机进行外部中断、定时器、串口和IO 口等初始化设置。
根据实际需求还可以进行其他模块的初始化设置。
2.步进电机驱动程序步进电机的驱动程序主要通过脉冲信号来控制电机的转动。
脉冲信号的频率和脉冲宽度决定了电机的转速和运行方向。
脉冲信号可以通过定时器产生，也可以通过外部中断产生。
3.运动控制算法步进电机的运动控制可以采用开环控制或闭环控制。
开环控制简单，但无法保证运动的准确性和稳定性；闭环控制通过对电机转动的反馈信号进行处理来调整脉冲信号的生成，从而实现精确的运动控制。
4.其他功能设计根据具体的应用需求，可以加入其他功能设计，如速度控制、位置控制、加速度控制等。
步进电机定位控制系统的设计作者：王雁平来源：《现代电子技术》2010年第18期摘要: 系统基于51单片机控制,以FPGA芯片来实现驱动,步进电机的脉冲分配作为核心电路加以必要的数字模拟辅助电路,形成一个4相8拍步进电机定位控制系统。
该系统完成了步进电机的正确脉冲分配并实现了步进电机的方向调节、速度调节及定位控制等功能,由于单片机控制模块的使用使得FPGA驱动模块对步进电机的定位控制更加方便,对步进电机的速度控制精度很高,并且更加准确。
关键词:步进电机; 定位控制; FPGA;脉冲分配中图分类号:TN919-34文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)18-0205-03Design of Stepper Motor Positioning Control SystemWANG Yan-ping(Automation Institute, Xi’an University of Posts and Telecommunication, Xi’an 710061, China)Abstract: A 4-phase 8-step stepper motor positioning control system is established based on 51 MCU, whose driver is achieved by adopting FPGA, and pulse allocating of stepper motor is used as kernel circuit supported with necessary digital analog circuit. This system can implement smoothly correct pulse allocating and can adjust the direction of stepper motor, speed and position, etc. Using the MCU control, the FPGA driven module can advance speed control accuracy.Keywords: stepper motor; positioning control; FPGA; pulse allocating0 引言步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
学生学号课程设计题目步进电机定位控制系统设计学院信息工程学院专业班级姓名指导老师2013~2014学年6月20日课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目:步进电机定位控制系统设计初始条件：1. 具备电子电路的基础知识及查阅资料和手册的能力；2. 熟悉ISE 仿真软件的操作与运用；3. 掌握步进电机的工作原理。
要求完成的主要任务:1. 设计一个基于FPGA 的4 相步进电机定位控制系统，包括步进电机方向设定电路模块、步进电机步进移动与定位控制模块和编码输出模块。
2.撰写符合学校要求的课程设计说明书。
时间安排：1、2014 年06月11日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、2014 年06月12日至2014年06月17日，设计说明书撰写。
3、2014年06月18日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (I)Abstract (II)1 设计目标及简介 (1)1.1设计目标 (1)1.2 步进电机简介 (1)2 VHDL语言介绍 (2)3 Quartus Ⅱ介绍 (3)4 系统组成 (4)4.1 四相步进电机工作原理 (4)4.2 系统组成 (6)5 模块设计 (7)5.1 FPGA模块图及信号说明 (7)5.2 系统模块构成 (7)5.3 各模块间整体共享的电路内部传递信号 (7)5.4 电机方向设定电路模块 (8)5.5 步进电机步进移动与定位控制模块 (9)5.6 编码输出模块 (9)6 程序设计与仿真 (10)7 仿真结果 (16)8 实验总结 (18)参考文献 (19)摘要在分析了步进电机工作原理的基础上，提出了步进电机定位控制系统的模块划分和实现方法。
以步进电机四相四拍工作方式为例，用Verilog编程在Altera 公司的FPGA开发系统中实现了各功能模块和显示程序。
在系统仿真的基础上，进行了功能模块的控制实验，实验结果和仿真一致，实现了对步进电机模组的预定控制。
关键词：步进电机定位控制Verilog硬件描述语言FPGAAbstractOn the basis of analysing stepping motor’s operational principle，we put forward modules division and realizing method of positioning control system which using stepping motor.Giving an example such as stepping motors which work in Four-phase-four-step mode，we use Verilog programming realized every foundational module and display routine in Altera’s FPGA development system.On the basis of system simulation，we conduct a controlling experiment about foundational modules，the results are the same as simulation’s results.We carried out the expected control about stepping motor.Keyword: stepping motor positioning control VHDL FPGA1 设计目标及简介1.1设计目标设计一个基于FPGA的4相步进电机定位控制系统。
1.2 步进电机简介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。
2 VHDL语言介绍VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，诞生于1982年。
1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。
VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。
除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。
VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。
在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。
这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。
VHDL 语言能够成为标准化的硬件描述语言并获得广泛应用，它自身必然具有很多其他硬件描述语言所不具备的优点。
归纳起来，VHDL 语言主要具有功能强大，设计方式多样；硬件描述能力强大；具有很强的移植能力；设计描述与器件无关程序易于共享和复用等优点。
3 Quartus Ⅱ介绍Quartus II 是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。
Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。
具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。
Quartus II提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑设计的全部特性，包括：可利用原理图、结构框图、VerilogHDL、AHDL和VHDL 完成电路描述，并将其保存为设计实体文件；芯片（电路）平面布局连线编辑；LogicLock增量设计方法，用户可建立并优化系统，然后添加对原始系统的性能影响较小或无影响的后续模块；功能强大的逻辑综合工具；完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具；定时/时序分析与关键路径延时分析；可使用SignalTap II 逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析；支持软件源文件的添加和创建，并将它们链接起来生成编程文件；使用组合编译方式可一次完成整体设计流程；自动定位编译错误；高效的期间编程与验证工具；可读入标准的EDIF网表文件、VHDL 网表文件和Verilog网表文件；能生成第三方EDA软件使用的VHDL网表文件和Verilog网表文件。
4 系统组成4.1 四相步进电机工作原理步进电机是利用数字信号控制的电机装置，步进电机每次接收到一组脉冲数字信号，便旋转一个角度，称为步进角。
不同规格的步进电机的步进角不同，与电动机内部的线圈数量有关。
线圈中的供应电流决定线圈所产生的磁场方向。
4相步进电机有两组线圈A和B，如图4.1所示，A、B两组垂直摆放线圈的电流方向的排列组合，最多可以产生8种磁场方向，分别是0º、45º、90º、135º、180º、225º、270º、315º。
图4.1 四相步进电机由表4.1可以知，假设电动机转子刻度在0º的位置，想让其转180º，可以使端口信号依次按0001，0011，0010，0110到0100变化。
注意：四相电动机有1相激磁法、2相激磁法和1-2相混合激磁法3种激磁方式。
不同的激磁方式，端口信号的顺序是不同的。
表4.1 四相步进电机的8个方向和电流以及电压信号的关系该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。
图4.2是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图4.2四相步进电机步进示意图开始时，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，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图4.3的a、b、c所示。
图4.3a 单四拍图4.3b 双四拍图4.3c 八拍4.2 系统组成图4.4 系统组成5 模块设计5.1 FPGA模块图及信号说明图5.1 FPGA模块图reset:系统内部复位信号，’1’时有效；dir:步进电机正反转的方向控制开关，0:逆时针，1:顺时针；clk:由FPGA内部提供的4MHz的时钟信号；ini:赋初值的使能开关，’0’时有效；manner:激磁方式的选择开关(两位)，00:自动检测角度输入，决定激磁方式01:1-相激磁;10:2.相激磁;11:1-2.相激磁.angle:步进角的倍数设定输入键.baba:将内部计数器的count[3 downto 0]的数值编码输出5.2 系统模块构成系统主要由步进电机方向设定电路模块、步进电机步进移动与定位控制模块和编码输出模块构成。
前两个模块完成电机旋转方向设定，激磁方式设定和定位角度的换算等工作，后一个模块用于对换算后的角度量编码输出。
5.3 各模块间整体共享的电路内部传递信号count：内部电路计数累加器，用来产生输出所需对应的状态；cntinc：设定累加器所需的累加/减计数值；sntini：设定累加器所需的计数初值；angledncount：设定步进角所需处理的次数；Angledncntdec：设定步进角所需累减计数值；5.4 电机方向设定电路模块该模块设定了步进电机的旋转方向以及电机在任一方向上所需的初值与累加/减值。
