步进电机梯形加减速实验实验原理

步进电机调速实验1.实验目的（1）掌握步进电动机控制系统的硬件设计方法。

（2）进一步学习编制步进电动机驱动程序的软件设计方法。

（3）编制程序，控制步进电动机的运转速度。

（4）编制程序，控制步进电动机的旋转方向。

2.实验原理及说明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。

其功用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，当某一相绕组通电时，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，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、四相八拍方式工作时的脉冲分配见表3-3、3-4。

表3-3 四相单四拍脉冲分配表如步进电动机每一相均停止通电，则电机处于自由状态；若某一相一直通直流电时，则电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上，这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。

这就是步进电动机的自锁功能。

当步进电机处于自锁时，若用手旋转它，感觉很难转动。

步进电机四相长时间通电流会引起电机发热，用户在电机空闲时注意将各相电流断开，即对74LS273（8为D触发器）的低4位送“0”。

步进电动机是用电脉冲进行控制的电机，改变脉冲输入频率，就可以改变电机的速度；改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可以达到控制步进电动机正反转目的。

本实验采用35BY48步进电机，其参数如表3-5所示。

表3-5 35BY48步进电机参数（1）运行速度的控制。

图3-17是四相单四拍方式的脉冲时序图，从图3-17可以看出，当改变电脉冲的周期，ABCD四相绕组高低电平的宽度将发生变化，这就导致通电和断电的变化率发生变化，使电机转速改变，所以调节电脉冲的周期就可以控制步进电机的运转速度。

梯形加减速算法在MCU控制步进电机中的应用研究作者：***来源：《机电信息》2020年第18期摘要：为了实现单片机对步进电机的精准控制，通过研究梯形加减速运动数学模型分析电机机械运动特性，建立了速度与脉冲、加减速度的数学关系，在STM32单片机中实现了梯形加减速算法的转换。

经调试，步进电机在MCU控制下运行平滑稳定，响应灵敏，不存在失步、过冲现象。

关键词：梯形算法;数学模型;步进电机;MCU0 引言随着企业的转型升级，智能化设备备受企业青睞，由于步进电机无需反馈就能对位置和速度进行精准控制，故其在工业自动化设备中应用极为广泛。

但在一些速度变化较大、加减速频繁的设备中，步进电机时常发生失步、过冲等现象，导致控制失灵、精度不高等问题。

本文对上述问题进行研究，发现通过梯形加减速算法控制步进电机，具有运行稳定、响应灵敏的优点，不存在失步、过冲等现象。

1 MCU控制步进电机硬件系统如图1所示，MCU控制步进电机硬件系统以STM32F103单片机为核心，硬件系统包含了四大部分：一是串口触摸屏，主要用于用户输入步进电机运行步数、加速度、减速度、最高运行速度等数据，并提供控制步进电机前进、后退和急停的按钮;二是步进电机驱动部分，该部分主要由四线制57H2P7842A4步进电机和DM542驱动器组成，用于驱动负载的滚珠丝杆滑台在直线导轨上按规定的速度稳定、平滑地往返运动;三是复位检测传感器，系统启动时根据传感器位置信号使滚珠丝杆滑台复位;四是电源部分，该电源主要为负载提供3.3 V、5 V、24 V 直流电压。

2 梯形加减速运动数学模型步进电机梯形加减速运动数学模型如图2所示，模型曲线以角速度ω、时间t分别为纵轴和横轴，曲线有恒加速、匀速和恒减速三个阶段，涉及最高速度SPD、电机运行步数L、加速度A和减速度D四个参数。

通过研究模型曲线分析电机角速度ω、加减速度？覣、脉冲信号周期δt、脉冲数n等参数的数学关系，使步进电机在MCU控制下按照梯形曲线做平滑稳定的机械运动，避免发生失步和过冲现象。

步进电机梯形加减速算法
步进电机梯形加减速算法，是指在步进电机控制中，通过梯形加减速算法实现步进电机从静止到达目标位置，并且达到平稳加速和减速的目的。

具体的算法步骤如下：
1. 设置加速度值、减速度值、最大速度值以及目标位置。

2. 初始化步进电机的速度为0。

3. 计算步进电机加速度的时间常数，即在单位时间内速度增加的大小。

4. 根据加速度时间常数计算加速步数，即从0速度加速到最大速度所需要的步数。

5. 根据加速步数和加速度值计算出加速段每一步的速度值。

6. 将电机速度从0开始逐步增加，直至达到最大速度。

7. 当电机速度达到最大速度后，继续保持最大速度运动到距离目标位置一定的距离。

8. 计算减速度的时间常数，即在单位时间内速度减小的大小。

9. 根据减速度时间常数计算减速步数，即从最大速度减速到0速度所需要的步数。

10. 根据减速步数和减速度值计算出减速段每一步的速度值。

11. 逐步减小电机速度，直至达到0速度。

12. 完成以上步骤后，步进电机达到目标位置。

这样通过梯形加减速算法，可以保证步进电机在加速和减速过程中平稳运动，避免了突变或者震动，提高了步进电机的运动精度和稳定性。

1.1 步进电机加减速控制原理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fb>fa（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，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。

步进电机常用的升降频控制方法有2种：直线升降频（图1）和指数曲线升降频（图2）。

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，本文即采用此方法。

1.2 定位方案要保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角所移动的距离不能太大，而且步进电机的升降速要缓慢，以防止产生失步或过冲现象。

但这两个因素合在一起带来了一个突出问题：定位时间太长，影响执行机构的工作效率。

因此要获得高的定位速度，同时又要保证定位精度，可以把整个定位过程划分为两个阶段：粗定位阶段和精定位阶段。

粗定位阶段，采用较大的脉冲当量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。

精定位阶段，为了保证定位精度，换用较小的脉冲当量，如0.01mm/步。

虽然脉冲当量变小，但由于精定位行程很短（可定为全行程的五十分之一左右），并不会影响到定位速度。

为了实现此目的，机械方面可通过采用不同变速机构实现。

工业机床控制在工业自动化控制中占有重要位置，定位钻孔是常用工步。

设刀具或工作台欲从A点移至C点，已知AC=200mm，把AC划分为AB与BC 两段，AB=196mm，BC=4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量依据直线升降频规律快速移动，BC段为精定位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量，以B点的低频恒速运动完成精确定位。