步进电机环形分配器
（1）工作原理
步进电机控制主要有三个重要参数即转速、转过的角度和转向。由于步进电机的转动是由输入脉冲信号控制，所以转速是由输入脉冲信号的频率决定，而转过的角度由输入脉冲信号的脉冲个数决定。转向由环形分配器的输出通过步进电机A、B、C相绕组来控制，环形分配器通过控制各相绕组通电的相序来控制步电机转向。
如图1给出了一个双向三相六拍环形分配器的逻辑电路。电路的输出除决定于复位信号RESET外，还决定于输出端Q A、Q B、Q C的历史状态及控制信号－EN使能信号、CON正反转控制信号和输入脉冲信号。其真值表如表1所示。
图1 步进电机环形分配器
表1 真值表
（2）程序设计
程序设计采用组合逻辑设计法，由真值表可知：
当CON＝0时，输出Q A、Q B、Q C的逻辑关系为：
当CON＝1时，输出Q A、Q B、Q C的逻辑关系为：
当CON＝0，正转时步进机A、B、C相线圈的通电相序为：
当CON＝1，反转时各相线圈通电相序为：
Q A、Q B、Q C的状态转换条件为输入脉冲信号上升沿到来，状态由前一状态转为后一状态，所以在梯形图中引入了上升沿微分指令。
PLC输入/输出元件地址分配见表2。
表2 PLC输入/输出元件地址分配表
根据逻辑关系画出步进电机机环形分配器的PLC梯形图，如图2所示。
CON10
Z EN CLK A B C A B C
1ΦΦ100100
01↑101110
01↑001010
01↑011011
01↑010001
01↑110101
01↑100100
PLC IN代号PLC OUT代号
X0CLK Y0Q A
X1EN Y1Q B
X2RESET Y2Qc
X3CON
图2 环形分配器的梯形图
梯形图工作原理简单分析如下：设初始状态为RESET有效。X2常开触点闭合，Y0输出为“1”状态，Y1、Y2为“0”状态，RESET无效后，上述三输出状态各自保持原状态。CON＝0（X3=0），当EN（X1=1）有效，且有输入脉冲信号CLK（X0）输入，CLK（X0）上升沿到来，M0辅助继电器常开触点闭合一个扫描周期。在此期间，各输出继电器状态自保持失效，Y0输出保持为“1”状态，Y1输出由“0”变“1”，Y2输出状态为“0”。一个扫描周期过后，M0常开触点断开，常闭触点闭合，各输出继电器状态恢复自保持，等待下一个输入脉冲信号上升沿的到来。其它部分请读者自己分析。
4
步进电机环形分配器 （1）工作原理 步进电机控制主要有三个重要参数即转速、转过的角度和转向。由于步进电机的转动是由输入脉冲信号控制，所以转速是由输入脉冲信号的频率决定，而转过的角度由输入脉冲信号的脉冲个数决定。转向由环形分配器的输出通过步进电机A、B、C相绕组来控制，环形分配器通过控制各相绕组通电的相序来控制步电机转向。 如图1给出了一个双向三相六拍环形分配器的逻辑电路。电路的输出除决定于复位信号RESET外，还决定于输出端Q A、Q B、Q C的历史状态及控制信号－EN使能信号、CON正反转控制信号和输入脉冲信号。其真值表如表1所示。 图1 步进电机环形分配器 表1 真值表
（2）程序设计 程序设计采用组合逻辑设计法，由真值表可知： 当CON＝0时，输出Q A、Q B、Q C的逻辑关系为： 当CON＝1时，输出Q A、Q B、Q C的逻辑关系为： 当CON＝0，正转时步进机A、B、C相线圈的通电相序为： 当CON＝1，反转时各相线圈通电相序为： Q A、Q B、Q C的状态转换条件为输入脉冲信号上升沿到来，状态由前一状态转为后一状态，所以在梯形图中引入了上升沿微分指令。 PLC输入/输出元件地址分配见表2。 表2 PLC输入/输出元件地址分配表 根据逻辑关系画出步进电机机环形分配器的PLC梯形图，如图2所示。 CON10 Z EN CLK A B C A B C 1ΦΦ100100 01↑101110 01↑001010 01↑011011 01↑010001 01↑110101 01↑100100 PLC IN代号PLC OUT代号 X0CLK Y0Q A X1EN Y1Q B X2RESET Y2Qc X3CON
几种典型的步进电机闭环控制系统 工业大学 【摘要】系统阐述了步进电动机闭环控制系统的优点，给出了几种典型的闭环控制系统，并提出了步进电动机高精度定位系统的设计思想。 【叙词】步进电机闭环系统／高精度定位 l概述 步进电机是机电一体化产品中的关键元件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。它能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移，是一种离散型自动化执行元件。随着计算机控制系统的发展，步进电动机广泛应用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其它自动化系统中，是高科技发展的一个重要环节。 2步进电动机闭环系统与开环系统比较[1- 步进电机的主要优点之一是适于开环控制。在开环控制下，步进电动机受具有予定时间间隔的脉冲序列所控制，控制系统中无需反馈传感器和相应的电子线路。这种线路具有简单、费用低的特点，使步进电动机的开环控制系统得以广泛的应用。 但是，步进电机的开环控制无法避免步进电动机本身所固有的缺点，即共振、振荡、失步和难以实现高速。另一方面，开环控制的步进电动机系统的精度要高于分级是很困难的，其定位精度比较低。因此，在精度和稳定性标准要求比较高的系统中，就必须果用闭环控制系统。 步进电动机的闭环控制是采用位置反馈和（或）速度反馈来确定与转子位置相适应的相位转换，可大大改进步进电动机的性能。 在闭环控制的步进电机系统中，或可在具有给定精确度下跟踪和反馈时，扩大工作速度围，或可在给定速度下提高跟踪和定位精度，或可得到极限速度指标和极限精度指标。步进电动机的闭环控制性能与开环控制性能相比，具有如下优点： a．随着输出转矩的增加，二者的速度均以非线性形式下降，但是，闭环控制提高了矩频特性。 b．闭环控制下，输出功率／转矩曲线得以提高，原因是，闭环下，电机励磁转换是以转子位置信息为基础的，电流值决定于电机负载，因此，即使在低速度围，电流也能够充分转换成转矩。 c．闭环控制下，效率一转矩曲线提高。 d．采用闭环控制，可得到比开环控制更高的运行速度，更稳定、更光滑的转速。 e.利用闭环控制，步进电动机可自动地、有效地被加速和减速。 f．闭环控制相对开环控制在快速性方面提高的定量评价，可借助比较Ⅳ步通过某个路径间隔的时间得出： 式中n-步进电动机转换拍数(N>n) g．应用闭环驱动，效率可增到7.8倍，输出功率可增到3.3倍，速度可增到3.6倍。 闭环驱动的步进电机的性能在所有方面均优于开环驱动的步进电动机。步进电机闭环驱动具有步进电动机开环驱动和直流无刷伺服电机的优点。因此，在可靠性要求很高的位置控
步进电机控制实验 一、实验目的： 了解步进电机工作原理，掌握用单片机的步进电机控制系统的硬件设计方法，熟悉步进电机驱动程序的设计与调试，提高单片机应用系统设计和调试水平。 二、实验容： 编写并调试出一个实验程序按下图所示控制步进电机旋转： 三、工作原理： 步进电机是工业过程控制及仪表中常用的控制元件之一，例如在机械装置中可以用丝杠把角度变为直线位移，也可以用步进电机带螺旋电位器，调节电压或电流，从而实现对执行机构的控制。步进电机可以直接接收数字信号，不必进行数模转换，用起来非常方便。步进电机还具有快速启停、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。 步进电机实际上是一个数字/角度转换器，三相步进电机的结构原理如图所示。从图中可以看出，电机的定子上有六个等分磁极，A、A′、B、B′、C、C ′，相邻的两个磁极之间夹角为60o，相对的两个磁极组成一相（A-A′，B-B′，C-C′），当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极形成N极和S极，每个磁极上各有五个均匀分布矩形小齿，电机的转子上有40个矩形小齿均匀地分布的圆周上，相邻两个齿之间夹角为9°。 当某一相绕组通电时，对应的磁极就产生磁场，并与转子形成磁路，如果这时定子的小齿和转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子和定子的齿相互对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的原因。 三相步进电机结构示意图 例如在三相三拍控制方式中，若A相通电，B、C相都不通电，在磁场作用下使转子齿和A相的定子齿对齐，我们以此作为初始状态。设与A相磁极中心线对齐的转子的齿为0
什么是步进电机 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。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 二、感应子式步进电机工作原理 （一）反应式步 进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、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,（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： 2、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）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。
基于单片机的步进电机开环控制 《计算机测控系统》课程设计信息工程课程设计报告书课程名称计算机测控系统课程设计课程设计总评成绩学生姓名、学号学生专业班级指导教师姓名课程设计起止日期课程设计基本要求课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析《计算机测控系统》课程设计能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。为了加强课程设计教学管理，
提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。 1. 课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。 2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。 3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。 4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制
作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。 5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。 6. 答辩是课程设计中十分重要的环节，课程设计指导教师向答辩学生提出2～3个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。答辩考核成绩占25%左右。7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出
实验三 PLC步进电机控制实验 一、实验目的 1、掌握步进电机工作原理； 2、用PLC构成五相步进电机控制系统。 二、实验要求 1、通过实验，加深并验证学过的理论知识，掌握实验的基本方法和实验原理； 2、正确使用仪器设备； 3、认真观察仪器设备的运动方式，独立编写控制程序并进行操作。 4、学生在实验过程中，应学会独立思考，应用所学专业理论知识分析和解决实验中遇到的具体问题； 三、实验原理 步进电机工作原理 步进电机按工作原理可分为电磁式、磁阻式、永磁式、混合式四类。其中混合式步进电机从定子或转子的导磁体来看，它如反应式步进电机，所不同的是它的转子上置有磁钢，反应式转子则无磁钢。从它的磁路内含有永久磁钢这一点来说，又可以说它是永磁式，但因其结构不同，使其作用原理及性能方面，都与永磁式步进电机有明显区别。它好像是反应式和永磁式的结合，所以常称为混合式。混合式步进电机具有驱动电流小，效率高，过载能力强、控制精度高等特点，是目前市面上应用最为广泛的一种步进电机。 四、实验所用仪器 1、三菱FX1N-60MR一台； 2、计算机一台； 五、实验步骤和方法 1、熟悉编程环境，输入所编制的程序； 2、接通实验箱电源、串口通讯线； 3、将程序下载至PLC并运行。 六、实验注意事项 经指导教师检查同意后，方可接通电源进行实验操作。 七、实验预习要求 1、预习PLC编程环境，上机前预先将控制程序编制完成； 2、预习步进电机工作原理。 八、实验报告要求 实验报告的主要内容 1、实验目的 2、实验所用仪器 3、实验原理方法简要说明 4、程序清单。
实验报告册样式
实验步骤： 1、熟悉编程环境，编制程序；
数控 数显 硬件脉冲环形分配器的设计 河北省农业工程学校 孙继山 在对一台数控机床维修中,发现其步进电动机 的环形分配器损坏,在原配件买不到的情况下,我用 D触发器和与非门电路进行代换,取得了成功。下 面将电路设计过程作一介绍。 1.根据电机的相数,选择D触发器的数量。一 个触发器控制步进电动机的一相。我们所用的步进 电动机是三相电动机,需用三个D触发器,分别用 F A、F B、F C表示。其状态分别用Q A、Q B、Q C表示。 2.根据步进电动机的通电方式,列出带方向控 制的真值表。三相步进电动机的通电方式有三相单 三拍、三相双三拍和三相单双六拍。由原电路集成 块YB013的3、4接高电平说明其工作在单双六拍。 用D作为方向控制,D=1电机正转、D=0电机反 转。列出的真值表如表1。 表1 真值表 D Q A N Q B N Q C N Q A N+1Q B N+1Q C N+1 1100110 1110010 1010011 1011011 1001101 1101100 0100101 0101001 0001011 0011010 0010110 0110100 3.根据真值表,利用卡诺图得每个触发器的次 态方程。以F A为例,画出卡诺图,由真值表添入数 值后结果如图1。 D Q A n Q B n Q C n000111 10 00x0 01 0110x1 1111x0 10x100 图1 卡诺图 经化简得: Q A n+1=D Q C n+DQ B n=D Q C n D Q B n Q B n+1和Q C n+1可用同样方法得出。也可根据三相电路的对称性,由Q A n+1的表达式推出: Q B n+1=D Q C n D Q B n Q C n+1=D Q B n DQ A n 4.对照D触发器的特性方程:Q n+1=D,得到每个触发器的驱动方程: D A=D Q C n D Q B n D B=D Q A n D Q C n D C=D Q B n D Q A n 5.由驱动方程画出脉冲分配器电路如图2。 图2 脉冲分配器电路 图3 原电路接线图 6.应用:原电路接线如图3所示。图中8031单片机用P1口的三根口线P1 0、P1 1、P1 2实现对环分电路的控制,其中: P1 0:方向控制输出端,接至代换电路的D端。 P1 1:输出控制信号,可用其封锁代换电路的CP 脉冲。 P1 2:环分电路复位控制,接至代换电路的R。代换电路的CP脉冲直接接8155定时器的定时输出。 (收稿日期:2000-12-15) ! 11 ! 数控 数显 机床电器2001No.6
步进电机闭环控制系统
几种典型的步进电机闭环控制系统 哈尔滨工业大学 【摘要】系统阐述了步进电动机闭环控制系统的优点，给出了几种典型的闭环控制系统，并提出了步进电动机高精度定位系统的设计思想。【叙词】步进电机闭环系统／高精度定位 l概述 步进电机是机电一体化产品中的关键元件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。它能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移，是一种离散型自动化执行元件。随着计算机控制系统的发展，步进电动机广泛应用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其它自动化系统中，是高科技发展的一个重要环节。 2步进电动机闭环系统与开环系统比较[1- 步进电机的主要优点之一是适于开环控制。在开环控制下，步进电动机受具有予定时间间隔的脉冲序列所控制，控制系统中无需反馈传感器和相应的电子线路。这种线路具有简单、费用低的特点，使步进电动机的开环控制系统得以广泛的应用。
c．闭环控制下，效率一转矩曲线提高。 d．采用闭环控制，可得到比开环控制更高的运行速度，更稳定、更光滑的转速。 e.利用闭环控制，步进电动机可自动地、有效地被加速和减速。 f．闭环控制相对开环控制在快速性方面提高的定量评价，可借助比较Ⅳ步内通过某个路径间隔的时间得出： 式中n-步进电动机转换拍数(N>n) g．应用闭环驱动，效率可增到7.8倍，输出功率可增到3.3倍，速度可增到3.6倍。 闭环驱动的步进电机的性能在所有方面均优于开环驱动的步进电动机。步进电机闭环驱动具有步进电动机开环驱动和直流无刷伺服电机的优点。因此，在可靠性要求很高的位置控制系统中，闭环控制的步进电动机将获得广泛应用。3编码器形式的步进电动机阕环控制系统步进电机的闭环控制最早是采用编码器的形式，图1是其原理示意图。初始状态，系统受一相或几相激磁而静止。开始工作后，先把目标位置送入减法计数器；然后，“起动”脉冲信号加到
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。
哈尔滨理工大学毕业设计 2013 年06月14 日
步进电机开环控制系统设计 摘要 详细讨论步进电机的工作原理及其特性，论述了步进电机控制系统的设计方案及其控制原理，简单易学,可靠性高。步进电机是一种常用的机电执行元件,可靠性高,成本低,实用性强,具有较高的通用性和应用推广价值。步进电动机突出的优点是它可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可靠，因此在众多领域有着极其广泛的应用。开环系统的优点是系统简单、成本低。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。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。 关键词步进电机；开环控制；调速
目录 摘要...................................................................................................................... I 第1章绪论................................................................................................... - 1 -1.1 课题背景.............................................................................................. - 1 -1.2 步进电机工作原理.............................................................................. - 3 -1.3 系统设计的目标.................................................................................. - 3 -第2章步进电机的分类、基本结构........................................................... - 5 -2.1步进电机的分类.................................................................................. - 5 -2.2 步进电机的基本结构.......................................................................... - 5 - 2.2.1电机固有步距角........................................................................... - 5 - 2.2.2步进电机的相数........................................................................... - 6 - 2.2.3保持转矩(HOLDING TORQUE)....................................................... - 6 - 2.2.4钳制转矩(DETENT TORQUE)......................................................... - 6 -2.3 步进电机主要特点.............................................................................. - 6 -2.4 步进电机在工业控制领域的主要应用情况介绍.............................. - 7 -2.5本章小结.............................................................................................. - 7 -第3章步进电机开环系统硬件电路的设计............................................... - 8 -3.1 单片机的选择...................................................................................... - 8 -3.2 步进电机的选择.................................................................................. - 9 -3.3 驱动电路的选择................................................................................ - 10 -3.4 反馈电路的选择................................................................................ - 12 -3.5 电源电路设计.................................................................................... - 13 -3.6 抗干扰设计........................................................................................ - 13 -3.7 看门狗电路........................................................................................ - 14 -3.8 本章小结............................................................................................ - 14 -结论.. (15) 致谢 (16) 参考文献 (17)
步进电机升降速曲线控制方法 技术分类:电机与运动控制发表时间：2007-07-09 在一些控制简单或要求低成本的运动控制系统中，经常用步进电机做执行元件。步进电机在这种应用场合下最大的优势是：可以开环方式控制而无需反馈就能对位置和速度进行控制。但也正是因为负载位置对控制电路没有反馈，步进电机就必须正确响应每次励磁变化。如果励磁频率选择不当，电机不能够移到新的位置，那么实际的负载位置相对控制器所期待的位置出现永久误差，即发生失步现象或过冲现象。因此步进电机开环控制系统中，如何防止失步和过冲是开环控制系统能否正常运行的关键。 失步和过冲现象分别出现在步进电机启动和停止的时候。一般情况下，系统的极限启动频率比较低，而要求的运行速度往往比较高。如果系统以要求的运行速度直接启动，因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动，轻则可能发生丢步，重则根本不能启动，产生堵转。系统运行起来以后，如果达到终点时立即停止发送脉冲串，令其立即停止，则由于系统惯性作用，电机转子会转过平衡位置，如果负载的惯性很大，会使步进电机转子转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置，并在该位置停下。 &nbs p; 为了克服失步和过冲现象，应在步进电机启停时进行如图1所示的升降速控制。 从图 1 可以看出，L2段为恒速运行，L1 段为升频，L3段为降频，按照“失步”的定义，如果在 L1 及 L3 段上升及下降的控制频率变化大于步进电机的响应频率变化，步进电机就会失步，失步会导致步进电机停转，经常会影响系统的正常工作，因此，在步进电机变速运行中，必须进行正确的升降速控制。
以下按不同的控制单元，介绍几种常用的步进电机升降速控制方法。 1、运动控制卡作上位控制单元——以MPC01系列运动卡为例 MPC01系列运动控制卡可以作为PC机运动控制系统的核心控制单元。卡上的专用运动控制芯片可自动进行升降速计算。其运动控制函数库中也有专门进行梯形升降速运动参数设置的函数——set_profile(int ch, double ls, double hs, double accel)。其参数定义如下： ch: 设定的轴号。 ls:?设定低速（起始速度）的值。单位为pps（脉冲/秒） hs: 设定高速（恒速段）的值。单位为pps（脉冲/秒） accel：设定加速度大小。单位为ppss（脉冲/秒/秒） 用户在调用运动指令函数时，只需指定总的脉冲数，运动控制卡上的专用运动控制芯片便按照set_profile函数设置的运动参数自动进行升降速计算，而不会占用PC机的CPU 资源。 2、用具有运动控制功能的PLC做上位控制单元——以松下FP0系列PLC为例 松下FP0系列PLC具有专用的运动控制指令，其CPU单元可自动进行图1所示的升降速计算。和MPC01系列运动控制卡相似，用户只需设置梯形速度的初速度ls、恒速hs、加速时间t和所需发的脉冲数P。运行此程序段，当PLC检测到输入端X2的一个上跳变时，便自动执行如图1所示的升降速脉冲输出功能。
步进电机论文：五相混合式步进电动机环形分配器的设计 2012年1月21日 五相混合式步进电机环形分配器的设计 徐殿国王宗培（哈尔滨工业大学） l引言 五相混合式步进电机具有许多优良的性能，因此在国内外都得到了较大发展，其驱动技术也取得了很大进步[1]。由于五相混合式步进电动机系统的研制和开发历史不长，电机驱动电源中的环形脉冲分配器专用芯片目前尚未见到，国内外厂家生产的五相混合式步进电动机驱动电源中的环形脉冲分配器大都是由数字逻辑集成电路或EPROM存贮器构成的[2．3]。由于电机的运行节拍和运行方式较多，采用这些方式设计的环形脉冲分配器结构复杂、功能较少、可靠性不高。近年来随着逻辑可编程器件的出现，为逻辑电路的设计提供了极大的灵活性，因此完全可以用逻辑可编程器件（例如PAL、GAL等）设计步进电动机的环形脉冲分配器。本文给出由两片GAL16V8构成的五相混合式步进电动机环形脉冲分配器的设计方法。 2五相混合式步进电机的励磁方式及环形脉冲分配逻辑 根据五相混合式步进电机韵工作原理，可以得到如表1所示的励磁方式。可见五相混合式步进电机的励磁方式很多，但是运行节拍只有两种即整步10拍和半步20拍。尽管该电机的励磁方式很多，但从电机运行的平稳陛和获得最大合成转矩的角庋出发，表1五相混合式步进电动
机的励磁方式常采用4-4相通电方式作为整步运行方式，4-5相通电方式作为半步运行方式。整步运行方式中的5-5相通电方式虽较4-4相通电方式的合成转矩大，但由于驱动电源中采用桥式电路时存在上下桥臂换向容易引起短路而较少采用。本文给出的是4-4相通电方式和5-5相通电方式的环形脉冲分配器设计方法。 根据五相混合式步进电机的合成转矩矢量图[4]，可以得到4-5相励磁方式和4-4相励磁方式下的逻辑通电状态变化顺序，如表2所示。与之对应的功放电路形式如图1所示。表2中的“1”代表功率管导通，“0”代表功率管关断。其中正转的逻辑通电状态变化顺序 为。 表2中序号为奇数的逻辑通电状态即为4-4相励磁方式。
开环系统进给运动的控制
目录 1 设计任务 2 硬件电路的设计 2.1 元件清单 2.2 晶振电路 2.3复位电路 2.4 进给驱动电路原理图 3 软件设计 3.1程序流程图 3.2控制程序 4 报告总结 5 参考文献 1设计任务
根据所学理论知识设计完成开环系统进给运动的控制，该系统以8051单片机为核心，进给系统采用三相步进电动机驱动，设计出步进电机驱动电路，编写调试出步进电机脉冲分配，速度控制程序，写出设计报告。 2硬件电路设计 2.1元件清单 2.2晶振电路 要给CPU提供其工作时的时序要求就要有相关的硬件电路—晶振电路，即振荡器和时钟电路。利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自己振荡器，其发出的脉冲直接送
入内部时钟电路，见图 2.2 晶振电路。 1 2 3 4 5 6 A B C D 6 5 4 3 2 1 D C B A Title Num ber Rev ision Size B Date:7-D ec-2011 She et of File C:\Doc umen ts and Settin gs\Adm inistr ator\桌面新建文件夹\PR80EC~11.DD B Dra wn By Y? CRY STA L C?30p F C?30p F GN D XT AL2 XT AL1 80C51 图 2 .2 晶振电路 2.3复位电路 复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机本身一般是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。
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
步进电机驱动电路设计 摘要 随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件, 具有快速起动和停止的特点。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。直流电机广泛应用于计算机外围设备( 如硬盘、软盘和光盘存储器) 、家电产品、医疗器械和电动车上, 无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢, 并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。他们都是利用电和磁的相互作用来实现向机械能能的转换。 介绍了步进电机和直流电机原理及其驱动程序控制控制模块，通过AT89S52单片机及脉冲分配器(又称逻辑转换器)L298完成步进电机和直流电机各种运行方式的控制。实现步进电机的正反转速度控制并且显示数据。整个系统采用模块化设计,结构简单、可
课程数控实验 题目基于LPC2114的直流电机控制系统学院信息工程学院 专业13计算机测控 学号3113002316、3113002317、 3113002318、3113002319 姓名谢志鹏、杨光、叶国康、曾晖
基于LPC2114的步进电机控制器 一．实验要求 1.用一片LPC2000处理器或单片机设计步进电机驱动器，实现脉冲环形分配器和放大驱动电路功能，驱动步进电机运行。 2.用另外一片LPC2000处理器设计数控系统，设置步进电机步进运动方向选择开关、电位器输入步进运动速度、键盘输入步进运动步数，设置运动脉冲和方向信号输出给步进电机驱动器，实现对步进电机的运动控制信号给定。 二．实验原理 1.LPC2103部分（步进电机驱动部分）： （1）脉冲输入：利用LPC2103芯片的脉宽调制器（PWM）产生占空比为50%的方波信号。 （2）正反转：把L297的CW/CCW接到LPC2103的一个引脚，通过控制该引脚电平的高低即可实现控制电机正反转。 （3）步进步数控制：把步进电机控制器的定时器0设置成捕获计数模式，当捕获到一个脉冲时，TC 加1，直到TC等于给定步数时，停止方波输出。 2.LPC2114（信号输入部分） （1）步进运动速度输入：通过调节电位器，再经过LPC2114的AD转换，得到电位器触点的电压值。将电压值按照一定的比例换算成速度值，通过串口发送到LPC2103（步进电机控制器），以改变方波的频率。 （2）步进步数输入：通过键盘输入步进步数，将结果通过串口发送到LPC2103（步进电机控制器）。
三．硬件电路 图3.1 电路图 L297是步进电机控制器，适用于双极性两相步进电机或单极性四相步进电机的控制，可有半步、整步和波状三种驱动模式。片内斩波电路允许开关式控制绕组电流。该器件的一个显著特点是仅需时钟、方向和模式输入信号。步进电机所需相位由电路内部产生，大大减轻了的负担。 L297的引脚端功能如下： ◆引脚端10（使能端EN）为芯片的片选信号，高电平有效； ◆引脚端20（复位RST），低电平有效； ◆引脚端19（HALF/FULL）和引脚端17（CW/CCW）都通过上拉电阻链接到高电平； ◆引脚端18（时钟输入CLK）的最大输入时钟频率不能超过5KHz，控制时钟的频率，即可控制电机转 动速率； ◆引脚端19（HALF/FULL）决定电机的转动方式，HALF/FULL=0，电机按整步方式运转，HALF/FULL=1，
步进电机全闭环控制系统实现技巧 步进电机因体积精巧、价格低廉、运行稳定等优点在各大行业中得到广泛应用。虽然步进电机已被广泛地应用，但是步进电机运动控制实现全闭环控制仍是工控行业的一大难题。 问题主要体现是原点的不确定性和失步现象。目前，采用高速光电开关作为步进系统的原点，这个误差在毫米级，所以在精确控制领域，是不能接受的。另外，为了提高运行精度，步进电机系统的驱动采用多细分，有的大于16，假如用在往复运动过程中，误差大的惊人。已经不能适应加工领域。 为此，提出步进电机全闭环控制系统，以适应目前运动控制领域的需求。 1、硬件连接 硬件连接加装编码器，根据细分要求，采用不同等级的解析度编码器进行实时反馈。 2、原点控制 根据编码器的Z信号，识别、计算坐标原点，同数控系统相同，精度可以达到2/编码器解析度×4。 3、失步控制
根据编码器的反馈数据，实时调整输出脉冲，根据失步调整程度，采取相应办法。 4、电路原理描述 电路采用超大规模电路FPGA,输入、输出可以达到兆级的相应频率，电源3.3V,利用2596开关电源，将24V转为3.3V,方便实用。输入脉冲与反馈脉冲进行4倍频正交解码后计算，及时修正输出脉冲量和频率。 5、应用描述 本电路有两种模式，返回原点模式和运行模式。当原点使能开关置位时，进入原点模式，反之，进入运行模式。 在原点模式，以同步于输入脉冲的频率输出脉冲，当碰到原点开关后，降低输出脉冲频率，根据编码器的Z信号，识别、计算坐标原点。返回原点完成后，输出信号。此信号及其数据在不断电的情况下，永远保持。 在运行模式，以同步于输入脉冲的频率输出脉冲，同时计算反馈数据，假如出现误差，及时修正。另外，大惯量运行时，加减速设置不合理的情况下，可能会及时反向修正。 6、技术指标 (1)输入输出相应频率：≤1M; (2)脉冲同步时间误差：≤10ms;(主要延误在反向修正，不考虑反向修正，≤10us) (3)重定位电气精度：≥2/编码器解析度×4/马达解析度×