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开题报告
电子信息工程
基于FPGA的步进电机的控制
容易，价格较低，这种控制系统由于步进电机的独特性而更适合控制步进电机，也适合于我国的现在步进电机的发展应用。
二、课题研究的主要内容和预期目标
本课题研究的是基于FPGA步进电机，实现对步进电机的细分和速度、方向的控制。
毕业设计的预期目标如下：
1.了解驱动芯片ULN2003A的功能以及结构
2.实现基于FPGA的步进电机对细分、速度以及方向的控制。
3.基于FPGA的步进电机的开发可以直接在EDA软件上仿真，不需要硬件实现。
4.通过QuartusⅡ开发软件完成综合、布局布线以及仿真，最终实现控制器的设计。
三、课题研究的方法及措施
本系统硬件主要由五大模块组成：时钟分频模块、方向控制模块、细分控制模块、速度控制模块和驱动电路。
FPGA（Quartus Ⅱ）
图1步进电机FPGA控制系统框图
3.1速度控制模块
步进电机每接收一组脉冲数字信号,便旋转一个步进角,因此通过控制脉冲的频率可以控制步进电机的转速。根据不同的转速要求，对时钟信号进行不同分频，分频后的信号产生控制脉冲，就可以实现对电机的转速控制。调速模块的功能是利用接收来的控制字进行累加送出驱动步进电机的驱动脉冲。
3.2细分控制模块
细分是指步进电机通过细分驱动器的驱动（以为10细为例，细分后的步距角为‘电机固有步距角’的十分之一），使其步距角变小。细分功能是由精度控制相电流实现的，因此称为电流波形控制技术。同时，细分驱动技术具有能够减弱声、消除了低频振荡，提高了电机的输出转矩和分辨率等优点。
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
步进电机,伺服电机可编程控制器KH-01使用说明 一、系统特点 ●控制轴数：单轴； ●指令特点：任意可编程（可实现各种复杂运行：定位控制和非定位控制）； ●最高输出频率：40KHz(特别适合控制细分驱动器)； ●输出频率分辨率：1Hz； ●编程条数：99条； ●输入点：6个（光电隔离）； ●输出点：3个（光电隔离）； ●一次连续位移范围：—7999999~7999999； ●工作状态：自动运行状态，手动运行状态，程序编辑状态，参数设定状态； ●升降速曲线：2条（最优化）； ●显示功能位数：8位数码管显示、手动/自动状态显示、运行/停止状态显示、步数/计数值/程序显示、编辑程序，参数显示、输入/输出状态显示、CP脉冲和方向显示； ●自动运行功能：可编辑，通过面板按键和加在端子的电平可控制自动运行的启动和停止； ●手动运行功能：可调整位置（手动的点动速度和点动步数可设定）； ●参数设定功能：可设定起跳频率、升降速曲线、反向间隙、手动长度、手动速度、中断跳转行号和回零速度； ●程序编辑功能：可任意插入、删除可修改程序。具有跳转行号、数据判零、语句条数超长和超短的判断功能； ●回零点功能：可双向自动回到零点； ●编程指令：共14条指令； ●外操作功能：通过参数设定和编程，在(限位A)A操作和(限位B)B操作端子上加开关可执行外部中断操作； ●电源：AC220V（电源误差不大于±15%）。
一、前面板图 前面板图包括： 1、八位数码管显示 2、六路输入状态指示灯 3、三路输出状态指示灯 4、 CP脉冲信号指示灯
5、 CW方向电平指示灯 6、按键：共10个按键，且大部分按键为复合按键，他们在不同状态表示的功能不同，下面的说明中，我们只去取功能之一表示按键。 后面板图及信号说明： 后面板图为接线端子，包括： 1、方向、脉冲、+5V为步进电机驱动器控制线，此三端分别连至驱动器的相应端，其中： 脉冲————步进脉冲信号 方向————电机转向电平信号 +5V————前两路信号的公共阳端 CP、CW的状态分别对应面板上的指示灯 2、启动：启动程序自动运行，相当于面板上的启动键。 3、停止：暂停正在运行的程序，相当于面板上的停止键，再次启动后，程序继续运行。 4、 (限位A)A操作和(限位B)B操作是本控制器的一大特点：对于步进电机，我们一般进行定量定位控制，如控制电机以一定的速度运行一定的位移这种方式很容易解决，只需把速度量和位移量编程即可。但还有相当多的控制是不能事先定位的，例如控制步进电机从起始点开始朝一方向运行，直到碰到一行程开关后停止，当然再反向运行回到起始点。再例如要求步进电机在两个行程开关之间往复运行n次，等等。在这些操作中，我们事先并不知道步进电机的位移量的具体值，又应当如何编程呢？本控制器利用：“中断操作”，我们称之为“(限位A)A操作”和“(限位B)B操作”。以“(限位A)A操作”为例，工作流程为：当程序在运行时，如果“(限位A)A 操作”又信号输入，电机作降速停止，程序在此中断，程序记住了中断处的座标，程序跳转到“(限位A)A操作”入口地址所指定的程序处运行程序。 5、输入1和输入2通过开关量输入端。 6、输出1、输出2和输出3通过开关量输出端。 7、+24V、地—输入输出开关量外部电源，本电源为DC24V/0.2A,此电源由控制器内部隔离提供。 8、 ~220V控制器电源输入端。 输入信号和输出信号接口电路： 本控制器的“启动”、“停止”、“(限位A)A操作”、“(限位B)B操作”、“输入1”、“输入2”为输入信号，他们具有相同的输入接口电路。“输出1”、“输出2”、“输出3”称为输出信号。他们具有相同的输出接口电路。输入和输出电路都有光电隔离，以保证控制器的内部没有相互干扰，控制器内部工作电源(+5V)和外部工作电源（+24V）相互独立，并没有联系，这两组电源由控制器内部变压器的两个独立绕组提供。 开关量输入信号输出信号的状态，分别对应面板上的指示灯。对于输入量，输入低电平（开关闭合时）灯亮，反之灯灭；对于输出量，输出0时为低电平，指示灯灭，反之灯亮。 开关量输入电路：
1工程概况 步进电机是一种利用脉冲控制，将电脉冲信号转换成相应角位移的电机。而能够产 生相应的脉冲，所以本次设计就是通过PLC产生控制脉冲来控制步进电机的自 动化运行。其系统和驱动电源示意图如下 电流时（对应于时间t o ）,利用定时电路或者电流检测反馈等措施使V2基极上信号电 压消失。于是V2截止，而V i仍然导通。因此绕组电流立即转而由低压电源经过二极管 V3供给。低压电源的电压值应使绕组中的电流限制在额定稳态电流 出端信号电压U消失，要求绕组断电时，V1基极上的信号电压也消失了 PLC .脉冲￡■配器 电机 图22驱动电源方框图 2设计方案 万案一 步进电机选反应式步进电机，驱动电路选用高低压切换电源高低压切换型电源 的原理线路如图3-2所示。图中当分配器输出端出现控制信U,要求绕组通电时, 三极管V i, V2的基极都有信号输入, 使V i, V2导通，于是，在高压电源的作用下（这 时，二极管V3两端承受的是方向电压, 处于截止状态，可使低电压电源不对绕组作用） 绕组电流迅速上升, 电流迅速上升, 电流前沿很陡。当电流达到或稍微超过额定稳态 I wy值。当分配输 于是V i也截 脉冲信号 图2.1基于PLC的步进电机控制系统 脉冲助率 放大器
西南石油大学本科毕业设计（开题报告） 止，绕组中的电流经二极管V 4及电阻R 2向高压电源放电，电流迅速下降 万案二 驱动电路选择单一电压型电源。图 3-1是单一电压型电源的一相功放电路（m 相 电机有m 个这样的功放的电路）的原理图。来自分配器的信号经过几级电流放大后加 到三极管y 的基极，控制乂的导通和截止。y 是功放电路的末级功放管，它与步进电 机一相绕组串联，所以通过功放管y 的电流与通过步进电机的电流是相等的。 单一电 11 聲骗 图3-1单电压驱动电路原理图 Jtl 图3-2 高低电压驱动电路原理图 图3-3 不同串联电阻值对电流的影响 图3-4不同串联电阻对矩频特性的影响 图3-5绕组换接时电流和电压的变化
<<技能大赛自动线的安装与调试>>项目二等奖 心得二 心得二：步进电机的控制方法 我带队参加《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目，我院选手和其他院校的三位选手组成了天津代表队，我院选手所在队获得了《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目二等奖，为天津市代表队争得了荣誉，也为我院争得了荣誉。以下是我这个作为教练参加大赛的心得二：步进电机的控制方法 《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目的主要内容包括如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等。但其中最为重要的就是PLC方面的知识，而PLC中最重要就是组网和步进电机的位置控制。 一、 S7-200 PLC 的脉冲输出功能 1、概述 S7-200 有两个置PTO/PWM 发生器，用以建立高速脉冲串（PTO）或脉宽调节（PWM）信号波形。 当组态一个输出为PTO 操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进电机或伺服电 机的速度和位置的开环控制。置PTO 功能提供了脉冲串输出，脉冲周期和数量可由用户控制。但应用程序必须通过PLC内置I/O 提供方向和限位控制。 为了简化用户应用程序中位控功能的使用，STEP7--Micro/WIN 提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成PWM，PTO 或位控模块的组态。向导可以生成位置指令，用户可以用这些指令在其应用程序中为速度和位置提供动态控制。 2、开环位控用于步进电机或伺服电机的基本信息 借助位控向导组态PTO 输出时，需要用户提供一些基本信息，逐项介绍如下： ⑴最大速度（MAX_SPEED）和启动/停止速度（SS_SPEED） 图1是这2 个概念的示意图。 MAX_SPEED 是允许的操作速度的最大值，它应在电机力矩能力的范围。驱动负载所需的力矩由摩擦力、惯性以及加速/减速时间决定。
摘要 进步电机是几点数字控制系统中常用的控制元件之一。由于其精度高，体积小，控制方便灵活，因此在智能仪表和位置中得到广泛的应用。 步进电机是机电控制中一种常见的执行机构。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机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、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。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。他易于实现与计算机或其他数字元件接口，适用于数字控制系统。
1 课程设计任务和要求 课程设计任务 设计一个三相步进电机控制系统，设计一个计算机步进电机程序控制系统，可以对步进电机的转速、转向以及位置进行控制。通过设计，掌握步进电机的工作原理、掌握步进电机控制系统的设计原理、设计步骤，进一步提高综合运用知识的能力。 要求完成的主要任务: （1）设计接口电路和驱动电路，对步进电机进行控制。 （2）选择控制算法，编写控制程序，实现三相步进电机在双三拍工作方式下先正转90度，然后再反转60度，要求其速度可调，转向可控。 （3）写出设计说明书。 课程任务要求 （1）查阅资料，确定设计方案 （2）选择器件，设计硬件电路，并画出原理图和PCB图 （3）画出流程图，编写控制程序 （4）撰写课程设计说明书 2 步进电机的概述 2.1 步进电机的特点 1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2）步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的
正文字体大小：大中小 PＬＣ对步进电机的快速精确定位控制 (2012-０９-29 21：0１:４3) 转载▼ 标签: 分类:PLＣ plc编程 ｐlc培训 称重传感器 PＬC对步进电机的快速精确定位控制 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时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”）,其旋转以固定的角度运行。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量以达到准确定位的目的;同时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而达到
调速的目的。步进电机作为一种控制用的特种电机，因其没有积累误差（精度为１0０%）而广泛应用于各种开环控制。 ? 1 定位原理及方案 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,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
毕业设计（论文）开题报告 学生专业 学号姓名班级 指导教师及职称 题目步进电机控制设计结合毕业设计（论文）课题情况，根据所 查阅的文献资料，每人撰写500 字左右的文献综述： 一、选题的背景和意义： 步进电动机是数字控制系统中一种十分重要的自动化执行元件，在工业自动化装备，办公自 动化设备中有着广泛的运用，近年来，控制技术、计算机技术以及微电子技术的迅速发展，有力 地推动了步进电动机控制技术的进步，提高了步进电动机运动控制装置的应用水平。过去电动机 的控制多用模拟法，随着计算机应用技术的迅速发展，电动机的控制也发生了深刻的变化，步进 电机常常和计算机一起组成高精度的数字控制系统。模拟控制已经逐渐被使用单片机为主的混合 控制和全数字控制所取代。 步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的执行机构，其转子角位移与输入脉冲的频率成 正比，通过改变脉冲频率可以实现大范围的调速；同时，步进电机易于与计算机和其他数字元件 接口，因此被应用于各种数字控制系统中[2] ，本设计的步进电动机控制系统由单片机（控制电路），脉冲分配电路、功率放大电路（驱动电路）、步进电动机及电源系统组成组成。 步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动 机，它最突出的优点是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 转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自 动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展， 步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。
PLC控制步进电机的实例(图与程序) ·采用绝对位置控制指令(DRVA)，大致阐述FX1S控制步进电机的方法。由于水平有限，本实例采用非专业述语论述，请勿引用。 ·FX系列PLC单元能同时输出两组100KHZ脉冲，是低成本控制伺服与步进电机的较好选择！ ·PLS+，PLS-为步进驱动器的脉冲信号端子，DIR+，DIR-为步进驱动器的方向信号端子。 ·所谓绝对位置控制(DRVA),就是指定要走到距离原点的位置，原点位置数据存放于32位寄存器D8140里。当机械位于我们设定的原点位置时用程序把D8140的值清零，也就确定了原点的位置。 ·实例动作方式：X0闭合动作到A点停止，X1闭合动作到B点停止，接线图与动作位置示例如左图(距离用脉冲数表示)。 ·程序如下图：(此程序只为说明用，实用需改善。) ·说明： ·在原点时将D8140的值清零(本程序中没有做此功能) ·32位寄存器D8140是存放Y0的输出脉冲数，正转时增加，反转时减少。当正转动作到A点时，D8140的值是3000。此时闭合X1，机械反转动作到B点，也就是-3000的位置。D8140的值就是-3000。 ·当机械从A点向B点动作过程中，X1断开(如在C点断开)则D8140的值就是200，此时再闭合X0，机械正转动作到A点停止。 ·当机械停在A点时，再闭合X0，因为机械已经在距离原点3000的位置上，故而机械没有动作！
·把程序中的绝对位置指令(DRVA)换成相对位置指令(DRVI)： ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X0，则机械正转3000个脉冲停止，也就是停在了原点。D8140的值为0 ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X1，则机械反转3000个脉冲停止，也就是停在了左边距离B点3000的位置(图中未画出)，D8140的值为-6000。 ·一般两相步进电机驱动器端子示意图： ·FREE+，FREE-：脱机信号，步进电机的没有脉冲信号输入时具有自锁功能，也就是锁住转子不动。而当有脱机信号时解除自锁功能，转子处于自由状态并且不响应步进脉冲。 ·V+，GND：为驱动器直流电源端子，也有交流供电类型。 ·A+，A-，B+，B-分别接步进电机的两相线圈。
本模块由45BC340C型步进电机及其驱动电路组成。 (一步进电机: 一般电动机都是连续旋转,而步进电动却是一步一步转动的,故叫步进电动机。每输入一个脉冲信号,该电动机就转过一定的角度(有的步进电动机可以直接输出线位移,称为直线电动机。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移(或直线位移的执行元件。 步进电动机的转子为多极分布,定子上嵌有多相星形连接的控制绕组,由专门电源输入电脉冲信号,每输入一个脉冲信号,步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号,输出的角位移是断续的,所以又称为脉冲电动机。 随着数字控制系统的发展,步进电动机的应用将逐渐扩大。 步进电动机的种类很多,按结构可分为反应式和激励式两种;按相数分则可分为单相、两相和多相三种。 图1 反应式步进电动机的结构示意图 图1是反应式步进电动机结构示意图,它的定子具有均匀分布的六个磁极,磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组,联法如图所示。
模块中用到的45BC340型步进电机为三相反应式步进电机,下面介绍它单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。 1、单三拍通电方式的基本原理 设A相首先通电(B、C两相不通电,产生A-A′轴线方向的磁通,并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下,转子总是力图转到磁阻最小的位置,也就是要转到转子的齿对齐A、A′极的位置(图2a;接着B相通电(A、C 两相不通电,转了便顺时针方向转过30°,它的齿和C、C′极对齐(图2c。不难理解,当脉冲信号一个一个发来时,如果按A→C→B→A→…的顺序通电,则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。 图2 单三拍通电方式时转子的位置 2、六拍通电方式的基本原理 设A相首先通电,转子齿与定子A、A′对齐(图3a。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力,使转子顺时针方向转动,但是A、A′极继续拉住齿1、3,因此,转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3b所示,即转子从图(a位置顺时针转过了15°。接着A相断电,B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐(图c,转子从图(b的位置又转过了15°。
四相步进电机定位控制系统 四相步进电机定位控制系统功能概述 步进电机每接收到一组脉冲数字信号，便旋转一个角度，成为步进角。不同规格的步进电机的步进角不同，这决定于其内部的线圈数量。线圈中的供应电流可以决定线圈所产生的磁场方向。假设有两组线圈A 和B ，如图一所示。A 线圈如果提供A 点低电位而A ′点高电位，电流由A ′螺旋向上流到A ，形成向上的磁场方向；同理，提供B 点低电位而B ′点高电位，电流由B ′螺旋流到B ，形成向左的磁场方向。A 和B 这两组线圈形成的总磁场方向即为左上方。 如果将电动机的转子置于线圈所产生的磁场中，便会受到磁场的作用而产生与磁场方向一致的力，转子便开始转动，直到转子的磁场方向与线圈的磁场方向一致为止。如图二所示。由A 和B 两组线圈电流方向的排列组合，最多可以产生8种磁场方向，分别是0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。这些方向的电流方向列于表一。 图一 图二 由表一可知，假设电动机转子刻度原先在0°的位置，想让其转到180°，就必须让端口信号依次由0001、0011、0010、0110到0100变化。但是是否有更快的办法，是否一定要经过4个信号过程呢？其实有更快更省电的方式让电动机从0°达到180°的位置。这就是所谓的激磁方式的不同。四相电动机可以分为3种激磁方式。 表一：四相步进电机的8个方向和电流以及电压信号的关系 180°270°
1-相激磁法：当目标角度是90的整数倍时，采用这种方法。例如要从0转到270，只要让端口信号的顺序为0000，0001，0010，0100，1000即可。 2-相激磁法：当目标角度是45而非90的整数倍时，可采用这种方法。例如要从0转到225，只要让端口信号的顺序为0000，0011，0110，1100即可。 1-2-相混合激磁法：按照表二中所列的信号顺序。 四相步进电机定位控制系统的VHDL源码及注释 --四相步进电机示例程序 library IEEE; use IEEE.std_logic_1164.all; use IEEE.std_logic_arith.all; use IEEE.std_logic_unsigned.all; entity step_motor is
开题报告 一、个人信息 学号：姓名：毕业院校： 性别：男学院：自动化专业名称：自动化 民族：汉政治面貌：出生日期： 二、题目信息 题目编号：题目：PLC控制伺服电机变频调速控制系统设计 指导教师：题目类型：理论研究类题目来源：国家级项目 面向专业：自动化研究方向： 三、主要学习工作经历： 四、选题依据 选题背景与意义： 通过PLC控制伺服电机能够获得精准的定位，同时也有的通过步进电机来获取定位，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，是一种控制用的特种电机，利用其没有累积误差的特点，广泛应用开环控制。但是，想必伺服电机的闭环控制，控制精度不够。 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程，电气伺服系统根据所驱动电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统，交流伺服系统按其采用的驱动电机类型分为永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。由于直流伺服电动机存在机械结构复杂，维修工作量大包括电刷、换向器等则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。随着微处理技术、大功率电力电子技术的成熟和电机永磁材料的发展和成本降低，交流伺服系统得到长足发展并将逐步取代直流伺服系统。 随着电机理论、永磁材料、电力电子技术、控制理论和计算机技术的惊人发展。交流伺服系统的研究和应用，自20世纪20年代末以来，取得了举世瞩目的进展，
已具备有宽调速范围，高稳速精度、快动态响应及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性已完全可以与直流伺服系统相媲美。多年来，“交流取代直流伺服”这一愿望正逐渐变为现实，并不断有新的研究成果和新产品出现。 近十年来，国内外日益完善的永磁交流伺服系统不断涌现，性能指标不断提高，应用范围不断大。纵观日前国内市场现状，国外知名品牌的永磁交流伺服系统占据了国内绝大多数中高端应用领域，而国内成熟产品主要应用在中低端设备领域中，如简易数控机床、服装加工机械、包装机械等等、究其原因是国外知名品牌的产品具有较明显的技术优势。总之，伺服系统正朝着交流化、全数字化、采用新型电力电子半导体器件、高度密集化、智能化、模块化和网络化的方向发展。 选题的意义：（1）采用PLC的伺服控制是运动控制的一种方式，特别是在精确定位控制中大量应用。本课题结合实际应用，对PLC及伺服系统进行深入学习。 （2）通过本题进一步对PLC、触摸屏以及伺服系统接口设计的学习，加强理论知识在实践中的应用。
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
直流步进电机plc控制方法 系统功能概述： 本系统采用PLC通过步进电机驱动模块控制步进电机运动。当按下归零按键时，电机1和电机2回到零点（零点由传感器指示）。当按下第一个电机运行按键时，第一个电机开始运行，直到运行完固定步数或到遇到零点停止。当按下第二个电机运行按键时，第二个电机开始运行，运行完固定步数或遇到零点停止。两电机均设置为按一次按键后方向反向。电机运行时有升降速过程。 PLC输入点I0.0为归零按键，I0.1为第一个电机运行按键，I0.2为第二个电机运行按键，I0.3为第一个电机传感器信号反馈按键，I0.4为第二个电机传感器信号反馈按键。 PLC输出点Q0.0为第一个电机脉冲输出点，Q0.1为第二个电机脉冲输出点，Q0.2为第一个电机方向控制点，Q0.3为第二个电机方向控制点，Q0.4为电机使能控制点。 所用器材： PLC：西门子S7-224xpcn及USB下载电缆。编程及仿真用软件为V4.0 STEP 7 MicroWIN SP3。 直流步进电机2个，微步电机驱动模块2个。按键3个。24V开关电源一个。导线若干。 各模块连接方法： PLC与步进电机驱动模块的连接：
驱动模块中EN+、DIR+、CP+口均先接3k电阻，然后接24V 电源。 第一个驱动模块CP-接PLC的Q0.0，DIR-接PLC的Q0.2，EN-接PLC的Q0.4 第二个驱动模块CP-接PLC的Q0.1，DIR-接PLC的Q0.3，EN-接PLC的Q0.4 注意： 1、PLC输出时电压为24V，故和驱动器模块连接时，接了3k 电阻限流。 2、由于PLC处于PTO模式下只有在输出电流大于140mA时，才能正确的输出脉冲，故在输出端和地间接了200欧/2w下拉电阻，来产生此电流。（实验室用的电阻功率不足，用200欧电阻时功率至少在24*24/200=2.88w，即用3w的电阻） 3、PLC与驱动模块连接时，当PLC输出低电平时不能将驱动模块电平拉低，故在EN-和DIR-上接了200欧/2W下拉电阻 驱动模块与电机接法： 驱动模块的输出端分别与电机4根线连接 电机传感器与PLC连接： 传感器电源接24v，信号线经过240欧电阻（试验中两个470电阻并联得到）与24v电源上拉后，信号线接到PLC的I0.3和I0.4
二、学士学位论文（设计）开题报告 学生姓名所在 院系 所在 班级 指导 教师 学生学号专业 方向 开题 时间 导师 职称 论文 题目 基于单片机的步进电机控制系统设计 文献综述： 1.前言 在电气时代的今天，电动机一直在现代的生产和生活中起着十分重要的作用。据资料统计，现有的90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%用于电动机。电动机与人们的生活密切相关，而步进电机作为机电一体化的关键产品之一，是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电动机。步进电机最大的特点是“数字化”，它是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的控制微电机，其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例。通过改变电脉冲频率，可在大范围内进行调速。同时，该电机还能快速起动、制动、反转和自锁。此外，步进电机易于实现与计算机或其他数字元件接口，适用于数字控制系统。步进电机只需采用最简单的开环控制就可取得非常高的控制精度，且这种系统不需要反馈信号，系统硬件实施比较简单。 采用低价的单片机控制系统，可直接对步进电机进行控制，省去了昂贵的专用步进电机控制器，简化了硬件线路，降低了成本，提高了系统的可靠性。 2.主题 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机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、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。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 单片机是现代电子技术的新兴领域，它的出现极大的推动了电子工业的发展。已经它成为电子系统设计中组为普遍应用的手段。近年来单片机技术得到了突飞猛进的发展，各种的单片机开发工具层出不穷，比如虚拟仿真技术。这种新型的应用技术，在原理图设计阶段就可以对对单片机应用设计进行评估，检验所设计电路是否能够达到要求的技术指标，功能需求，还可以通过改变电子元器件的参数达到是电路设计最
第四节 步进电机的控制与驱动 步进电机的控制与驱动流程如图4-11所示。主要包括脉冲信号发生器、环形脉冲分配器和功率驱动电路三大部分。 步进脉冲 方向电平 图4-11 步进电机的控制驱动流程 二、步进电机的脉冲分配 环形分配器是步进电机驱动系统中的一个重要组成部分，环形分配器通常分为硬环分和软环分两种。硬环分由数字逻辑电路构成，一般放在驱动器的内部，硬环分的优点是分配脉冲速度快，不占用CPU的时间，缺点是不易实现变拍驱动，增加的硬件电路降低了驱动器的可靠性；软环分由控制系统用软件编程来实现，易于实现变拍驱动，节省了硬件电路，提高了系统的可靠性。 1．采用硬环分时的脉冲分配 采用硬环分时，步进电机的通电节拍由硬件电路来决定，编制软件时可以不考虑。控制器与硬环分电路的连接只需两根信号线：一根方向线，一根脉冲线（或者一根正转脉冲线，一根反转脉冲线）。假定控制器为AT89S52单片机，晶振频率为12MHz，如图4-18：P1.0输出方向信号，P1.1输出脉冲信号。 则控制电机走步的程序如下： （1）电机正转100步 MOV 0FH，#100D ；准备走100步 CONT1： SETB P1.0 ；正转时P1.0=1 CLR P1.1 ；发步进脉冲的下降沿（设驱动器对于脉冲的下降沿有效） NOP ；延时（延时的目的是让驱动电路的光耦充分导通） NOP ；延时（根据驱动器的需要，调整延时） SETB P1.1 ；发步进脉冲的上升沿 MOV 0EH，#4EH ；两脉冲之间延时20000μs（决定电机的转速） MOV 0DH，#20H ；20000的HEX码为4E20 CALL DELAY ；调用延时子程序 DJNZ 0FH，CONT1 ；循环次数减1后，若不为0则继续，循环100次 RET （2）电机反转100步 MOV 0FH，#100D ；准备走100步 CONT2： CLR P1.0 ；反转时P1.0=0 CLR P1.1 ；发步进脉冲的下降沿（设驱动器对于脉冲的下降沿有效） NOP ；延时（延时的目的是让驱动电路的光耦充分导通） NOP ；延时（根据驱动器的需要，调整延时） SETB P1.1 ；发步进脉冲的上升沿
中国民航大学 电气综合性课程设计报告 项目名称基于单片机的步进电机分布式控制系统 成员朱志聪121142440 蒋茅121142412 陈冠良121142403 李想成121142415 专业电气工程及其自动化 班级121142D 指导教师张长勇
1、课设题目： 基于单片机的步进电机分布式控制系统 2、课设目的与要求： （1）实现步进电机的速度控制和正反转控制。 （2）实现步进电机定位，须包括加速、匀速、减速三个阶段。 （3）计算机通过串口远程控制步进电机并设置定位值 3、课设背景： 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。 4、课设的目和意义： 步进电动机是用脉冲信号行控制，将转换成相应的角位移或线步进电动机是用脉冲信号行控制，将转换成相应的角位移或线的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广频率范围内通过改变脉冲来实现调速，快起停、正反转控制及动等并且用其组成的开环系统既简单廉价又可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的
邮电与信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 学生姓名：李XX 学号：0841020000 专业：机械设计制造及其自动化 设计(论文)题目：基于单片机的步进电机 控制系统的设计 指导教师: 章XX 2012 年 3 月 1 日
1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述 文献综述 一．步进电机控制系统研究背景 步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。因此非常适合单片机控制。步进电机作为控制执行元件，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和精密机械等领域。例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 以前的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。 二．国内外研究步进电机控制系统概况 我国数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电机控制系统，为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，我国改革开放初期研究步进电机细分驱动技术，细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动。另外还有基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现
浅谈步进电机定位不准问题 关键字：步进电机 导读：由于开环控制系统具有操作方便，价格低廉的优点，所以我国所采用基本是以开环控制反应式步进电机为主。虽然步进电机应用广泛，但其并不能如同普通的交直流电机在常规条件下使用，且从起点到终点的运行速度必须符合一定的要求，因此也经常会出现一些定位不准的故降。 由于开环控制系统具有操作方便，价格低廉的优点，所以我国所采用基本是以开环控制反应式步进电机为主。虽然步进电机应用广泛，但其并不能如同普通的交直流电机在常规条件下使用，且从起点到终点的运行速度必须符合一定的要求，因此也经常会出现一些定位不准的故降。 理论状况下：在电机的极限起动频率大于运行的速度时，电机可按要求运行，并可达到预期的运行速度。运行至行程结束时，也能立即发出可以实现停止功能的脉冲，并使电机停止运行。但实际情况是，步进电机能实现的极限起动预率较低，远不能满足较高的运行速度的要求。 在这种工作状况下，强行使电机以要求的速度(大于极限起动预率)直接起动，则会发生“丢步’或无响应。而当电机运行至终点时，虽然已经立即停止发脉冲.令其停止，但由于惯性作用，会发生冲过终点的现象，即产生过冲。 特别需要注意的是：为了既要保证系统的定位精度(电机的升降速缓慢.防止产生“失步”或“过冲”)又要获得高的定位速度，主流系统都将定位过程划分为粗定位阶段和精定位阶段进行。生产实践的经验告诉我们，“丢步”和“过冲”是步进电机在运行中最常出现的两种严重影响步进电机定位精度的“罪魁”。 出现定位不准的主要原因包括: 1、要求起动初速度过高，超过电机极限起动频率，或者加速度太大，造成“丢步; 2、电机马达的功率达不到系统的要求; 3、动器工作过程遭受千扰; 4、控制系统的控制器产生误动作; 5、换向时丢脉冲，单向运行定位准确，换向后定位出现偏差，并虽换向次数的增加其偏差积就越明显; 6、软件存在设计缺陷; 7、使用同步带的场合，软件补偿太多或太少。
步进电机只能够由数字信号控制运行的，当脉冲提供给驱动器时，在过于短的时间里，控制系统发出的脉冲数太多，也就是脉冲频率过高，将导致步进电机堵转。要解决这个问题，必须采用加减速的办法。就是说，在步进电机起步时，要给逐渐升高的脉冲频率，减速时的脉冲频率需要逐渐减低。这就是我们常说的“加减速”方法。 步进电机转速度是根据输入的脉冲信号的变化来改变的，从理论上讲，给驱动器一个脉冲，步进电机就旋转一个步距角(细分时为一个细分步距角)。实际上，如果脉冲信号变化太快，步进电机由于内部的反向电动势的阻尼作用，转子与定子之间的磁反应将跟随不上电信号的变化，将导致堵转和丢步。 所以步进电机在高速启动时，需要采用脉冲频率升速的方法，在停止时也要有降速过程，以保证实现步进电机精密定位控制。加速和减速的原理是一样的。以加速实例加以说明：加速过程是由基础频率(低于步进电机的直接起动最高频率)与跳变频率(逐渐加快的频率)组成加速曲线(降速过程反之)。跳变频率是指步进电机在基础频率上逐渐提高的频率，此频率不能太大，否则会产生堵转和丢步。 步电机系统解决方案
加减速曲线一般为指数曲线或经过修调的指数曲线，当然也可采用直线或正弦曲线等。使用单片机或者PLC，都能够实现加减速控制。对于不同负载、不同转速，需要选择合适的基础频率与跳变频率，才能够达到最佳控制效果。指数曲线，在软件编程中，先算好时间常数存贮在计算机存贮器内，工作时指向选取。通常，完成步进电机的加减速时间为300ms以上。如果使用过于短的加减速时间，对绝大多数步进电机来说，就会难以实现步进电机的高速旋转。 深圳市维科特机电有限公司成立于2005年，是步进电机产品的销售、系统集成和应用方案提供商。我们和全球产品性价比高的生产厂家合作，结合本公司专家团队多年的客户服务经验，给客户提供有市场竞争力的步进电机系统解决方案。我们的主要产品有信浓(SHINANO KENSHI)混合式步进电机、日本脉冲(NPM)永磁式步进电机、减速步进电机、带刹车步进电机、直线步进电机、空心轴步进电机、防水步进电机以及步进驱动器、减振垫、制振环、电机引线、拖链线、齿轮、同步轮、手轮等专业配套产品。我们还供应德国TRINAMIC驱动芯片和日本NPM运动控制芯片。根据客户配套需要，我们还可以 步电机系统解决方案