三相双三拍步进电机控制系统设计
步进电动机的控制
1.工作原理 2.接线 3.控制方式 4.其他
一、步进电动机的简介
步进电动机（stepping motor)是将电脉冲激励 信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制 电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一 步，所以又称脉冲电动机。 urage the signal for the electric pulses to the displacement or the displacement of discrete values control motors, motor when entering a electric pulses will move a step, also called a pulse the motor.
由上述分析可知,要使磁阻式步进电机具有工作能力,最起码的条件是定子极分度 角不能被齿距角整除,且应满足下列方程: 极分度角/齿距角= R + k· 1/m 进一步化简得齿数z: z = q (mR + k) (2-3) 式中:m──相数; q──每相的极数; k──≤ (m - 1)的正整数; R──正整数,为0、1、2、3……。 按选定的相数和不同的极数,由上式就可推算出转子齿数。 因为三相双三拍步进电机不易失步,控制精度比较高,所以本文对三相双三拍步 进电机进行控制,定子有三对磁极,运行时两相同时通电,循环带动转子转动。 4、转速控制 控制步进电机的运行速度,实际上是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周 期,即在升速过程中,使脉冲的输出频率逐渐增加;在减速过程中,使脉冲的输出频 率逐渐减少。脉冲信号的频率可以用软件延时和硬件中断两种方法来确定。 采用软件延时,一般是根据所需的时间常数来设计一个子程序,该程序包含一定 的指令,设计者要对这些指令的执行时间进行严密的计算或者精确的测试,以便确 定延时时间是否符合要求。每当延时子程序结束后,可以执行下面的操作,也可用 输出指令输出一个信号作为定时输出。采用软件定时, CPU一直被占用,因此CPU 利用率低。 可编程的硬件定时器直接对系统时钟脉冲或某一固定频率的时钟脉冲进行计 数,计数值则由编程决定。当计数到预定的脉冲数时,产生中断信号,得到所需的延 时时间或定时间隔。由于计数的初始值由编程决定,因而在不改动硬件的情况下, 只通过程序变化即可满足不同的定时和计数要求,因此使用很方便。
步进电机控制系统的设计
（） ３ 三相六拍方式（ 单相绕组和双相绕组交替施加 电流脉冲） 一＞Ａ一＞Ａ ： Ｂ一＞Ｂ一＞Ｂ Ｃ一＞Ｃ 一＞Ｃ Ａ
正转 ； Ａ一＞Ａ Ｃ一＞Ｃ 一＞Ｃ Ｂ一＞Ｂ一＞Ｂ 反转 。 Ａ 单极性 （ｎｐｌ ）和双极 性 （ｉｏａ）是步进 电机 最 常采 用 的两 种 驱 动 架 构 。单 极性 驱 动 电 路使 用 四 ｕｉ ａ ｏｒ ｂｐｌ ｒ 颗 晶体管来 驱动 步进 电机 的两组 相位 ， 这类 电机称 为 四相 电机 ， 又称 双 相 位六 线 式步 进 电机 ； 双极 性 步进 电
程序。
关键词 ： 步进电机 ； 单片机 ； Ｃ ｍ Ｖ ３控制 Ｍｓｏ ｍ； ｔ；
中 图分类号 ： ＴＭ３ ３ ６ ８ ． 文献 标 识码 ： Ａ
Ｏ 弓 舌 Ｉ 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， 在各种 自 动化控制系统和精密机械中应用 广泛。单片机的普及与应用 ， 为步进电机的应用开辟了广阔的前景 ， 使得 以往用硬件电路构成的庞大复杂的 控制器得以用软件实现 ， 既降低 了硬件成本又提高 了控制的灵活性 、 可靠性及多功能性。本文介绍 由 ８ Ｃ １ ９ ５ 单片机和驱动器电路构成的控制器 ， 结构简单 ， 价格便宜 ， 同时系统又使用 Ｖ ｓａＢ ｓ ． ｉ ｌ ａｉ６０中Ｍｓｏ ｍ通讯 ｕ ｃ Ｃｍ 控件 ， 实现了 Ｐ Ｃ机与 ８ Ｃ １ ９ ５ 单片机以 Ｒ ２ ２ Ｓ ３ 标准通信 ， 对步进 电机的控制 只需点击 Ｖ３ ｔ界面按钮即可， 操
产生 正 反转运 动
３ ８ Ｃ １控 制 程 序 ９５
控制程序共分两个部分。第一部分为主程序 ， 程序框图如图 ５ 所示。首先对 串行 口进行初始化， 将串行
口 定义为 ８ 位异步 串行通信 口， 波特率 由定 时器 Ｔ 所 确定 ， １０ 。当接 收 中断标 志 Ｒ 为 “ ” ， １ 为 ２０ Ｉ １ 时 读 ＳＵ Ｂ Ｆ中数并进行判断 ， 逐一对比， 接收到正确的指令 时， 使步进电机产生所需要的动作 ， １ 使电机正转 ， 为“ ”
步进电机工作原理及控制电路
//按键标志变量
flag1=0;
//步进数标志变量
init();
//液晶初始化子程序
while(1)
{
keyscan();
//键盘扫描子程序
if(flag==1)
{
zz();
//正转子程序
}
else if(flag==3) {
fz(); } writebjs(8,count); } }
//反转子程序
it 动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。励
磁顺序： A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A
A-B 表4.3 1-2 相励磁法
步进电动机的负载转矩与速度成反比，速度愈快负载转矩愈小，当速度快至 其极限时，步进电动机即不再运转。所以在每走一步后，程序必须延时一段时间。 下面介绍的是国产20BY-0型步进电机，它使用+5V直流电源，步距角为18度。电 机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，驱动方式为二相激磁方式，电机示意图 和各线圈通电顺序如图4.2和表4.1所示：
6
法增大起动电流，以提高步进电机转动力矩，即提高其工作频率。由于步进电机
是感性负载，所以进入绕组的电流脉冲是以指数形式上升，即这时电流脉冲i为：
i = IH (1 − e−1/Tj )
(4.4)
公式
其中：i是电流脉冲瞬时值；
IH 是在开关回路电压为u时的电流稳态值；
Tj 是开关回路的时间常数，Tj = L / ( RL + RC )
θ s = 2Π / Nrk
公式（4.1） 或
θ s = 360o / Nrk
公式（4.2）
其中：k是步进电机工作拍数，Nr是转子的齿数。
第3章 步进电动机的控制-1
这种反应式步进电动机的步距角较大，不适合一般用途的要求。
4.小步距角步进电动机
图3-1所示为三相反应式步进电动机。设m为相数，z为 转子的齿数则齿距：
tb 360 z
因为每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，各 相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。故步距角：
b
齿距 拍数 齿距 Km 360 Km z
通电方式: 从一相通电改换成另一相通电，即通电方式改变一次叫 “一拍”。步进电动机有单相轮流通电、双相轮流通电和单 双相轮流通电的方式。
3.多段反应式步进电机结构及工作原理
前面介绍的单段反应式步进电机是按 径向分相的，此外，还有一种反应式 步进电机是按轴向分相，这种步进电 机又称为多段反应式步进电机。 多段反应式步进电机是沿轴向分成磁 性相对独立的几段，每一段都有一组 励磁绕组，形成一相，因此，三相电 动机有三段，其结构如图3-2所示。 图3-2 三段三相反应式步进电动 机结构原理图
一、步进电动机的种类
1.按运动方式来分：分为旋转运动、直线运动、平面运动（印刷绕组式）和 滚切运动式步进电机。 2.按工作原理来分：分为反应式(磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁感应式 （混合式）步进电机。 3.按其工作方式来分：分为功率式和伺服式。前者输出转矩较大，能直接带 动较大的负载；后者输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通 过液压放大元件来传动。 4.按结构来分：分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。 5.按相数来分：分为三相、四相、五相、六相等。 6.按使用频率来分：分为高频步进电机和低频步进电机。 不同类型步进电机其工作原理、驱动装臵也不完全一样，但其工作过程 基本是相同的。
（3-2）
若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角应满足:
《机电一体化系统设计基础》作业1、2、3、4参考答案
《机电一体化系统设计基础》作业1、2、3、4参考答案形成性考核作业1一、判断题（正确的打√，错误的打×）1．机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质。
（×）2.系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。
（√）3．信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。
（√）4．自动控制是在人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。
（×）5．产品的组成零部件和装配精度高，系统的精度一定就高。
（×）6．为减少机械传动部件的扭矩反馈对电机动态性能的影响，机械传动系统的基本固有频率应低于电气驱动部件的固有频率的2~3倍，同时，传动系统的固有频率应接近控制系统的工作频率，以免系统产生振荡而失去稳定性。
（×）7．传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。
（×）8．在闭环系统中，因齿轮副的啮合间隙而造成的传动死区能使系统以6~10倍的间隙角产生低频振荡，采用消隙装置，以提高传动精度和系统稳定性。
（×）9．进行机械系统结构设计时，由于阻尼对系统的精度和快速响应性均产生不利的影响，因此机械系统的阻尼比ξ取值越小越好。
（×）10．滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。
（√）11．采用偏心轴套调整法对齿轮传动的侧隙进行调整，结构简单，且可以自动补偿侧隙。
（√）×12．采用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，延长了产品开发周期，增加了产品开发成本，但是可以改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求能力。
（√）×二、单选题1．以下产品属于机电一体化产品的是（C ）。
A．游标卡尺B．电话C．全自动洗衣机 D．非指针式电子表2．为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（A ）。
步进电机控制系统原理
；输出第二拍 ；延时
； ；输出第三拍 ；延时 ；A≠0，转LOOP2 0
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
对于节拍比较多的控制程序， 对于节拍比较多的控制程序， 通常采用循环程序进行设计。 通常采用循环程序进行设计。
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
（4）循环程序 作法： 作法： 模型按顺序存放在内存单元中 • 把环型节拍的控制模型按顺序存放在内存单元中， 把环型节拍的控制模型按顺序存放在内存单元中， • 逐一从单元中取出控制模型并输出。 逐一从单元中取出控制模型并输出。 • 节拍越多，优越性越显著。 节拍越多，优越性越显著。 以三相六拍为例进行设计， 以三相六拍为例进行设计， 其流程图如图8所示。 其流程图如图8所示。
1、 步进电机工作原理
图1 步进电机原理图
步进电机有如下特点：
• 给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转； 给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转； • 步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢； 步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢； • 改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机的运行方式； 改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机的运行方式； • 改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。 改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。
单三拍， ★ 单三拍，通电顺序为 A→B→C ； 双三拍， AB→BC→ ★ 双三拍， 通电顺序为 AB→BC→CA ； 三相六拍， ★ 三相六拍，通电顺序为 A→AB→B→BC→C→CA ；
改变通电顺序可以改变步进电机的转向
2、步进电机控制系统原理
3.步进电机通电模型的建立： 3.步进电机通电模型的建立： 步进电机通电模型的建立
步进电机程序控制
步进电机程序控制步进电机是自动控制系统中常用的执行部件。
步进电机的输入信号为脉冲电流,它能将输入的脉冲信号转换为阶跃型的角位移或直线位移,因而步进电机可看作是一个串行的数/模转换器。
由于步进电机能够直接接受数字信号,而不需数/模转换,所以使用微机控制步进电机显得非常方便。
步进电机有以下优点:∙通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制;∙位置误差不会积累;∙与数组设备兼容,能够直接接收数字信号;∙可以快速启停。
步进电机的品种规格很多,按照它们的结构和工作原理可以划分为磁阻式(也称反应式或变磁阻式)电机、混合式电机、永磁式电机和特种电机等四种主要型式。
步进电机不需位移传感器就可精确定位,所以在精确定位系统中应用广泛。
目前打字机、计算机外部设备、数控机床、传真机等设备中都使用了步进电机。
随着电子计算机技术的发展,步进电机必将发挥它的控制方便、控制准确的特点,在工业控制等领域取得更为广泛的应用。
1. 步进电机的工作原理以磁阻式步进电机为例,介绍一下步进电机的工作原理,图1. 1是磁阻式步进电机工作原理的示意图。
图1. 1 磁阻式步进电机的工作原理它的定子上有六个极,转子有四个极。
定子磁极上绕有三组绕组,每组绕组由相互串联的两个线圈构成。
一组绕组叫做一相。
因此,图1. 1所示的电机为三相步进电机。
直流电源通过开关I、Ⅱ和Ⅲ,驱动电流流过绕在定子上的绕组。
状态(1) ,开关I闭合,A相通电。
由于A相绕组受到激磁,空气隙里出现如箭头所示的磁场。
A相上的两个定子磁极和两个转子齿对准,转子处于平衡状态。
若再闭合开关R激励B相,如状态(2)所示, B相的定子磁极以同样的方式产生磁场。
在磁力线的张力作用下,产生逆时针方向的转矩。
于是,转子沿逆时针方向转过一个固定的角度,到达状态(3) 。
图中,转过的角度为15°。
如果现在打开开关I,去掉A相的激磁,转子将再转15°,到达状态(4) 。
因此,转子的角位置可以用这种开关方式进行控制。
外文翻译--步进电机运动控制系统设计
密级分类号编号成绩本科生毕业设计 (论文)外文翻译原文标题Stepper Motor Motion Control System Design 译文标题步进电机运动控制系统设计作者所在系别机械工程系作者所在专业机械设计制造及其自动化作者所在班级作者姓名作者学号指导教师姓名指导教师职称完成时间2012 年 2 月的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。
在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。
因此非常适合于单片机控制。
步进电机还具有快速启动、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。
步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。
传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
一步进电机的工作原理步进电机是一种用电脉冲进行控制 ,将电脉冲信号转换成相位移的电机 ,其机械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正比 ,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度 ,脉冲的频率决定了电机运转的速度.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。
二步进电机详细调速原理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，从而实现步进电的调速。
《机电一体化系统设计基础》作业1、2、3、4参考答案..
《机电一体化系统设计基础》作业1、2、3、4参考答案形成性考核作业1一、判断题（正确的打√，错误的打×）1．机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质。
（×）2. 系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。
（√）3．信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。
（√）4．自动控制是在人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。
（×）5．产品的组成零部件和装配精度高，系统的精度一定就高。
（×）6．为减少机械传动部件的扭矩反馈对电机动态性能的影响，机械传动系统的基本固有频率应低于电气驱动部件的固有频率的2~3倍，同时，传动系统的固有频率应接近控制系统的工作频率，以免系统产生振荡而失去稳定性。
（×）7．传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。
（×）8．在闭环系统中，因齿轮副的啮合间隙而造成的传动死区能使系统以6~10倍的间隙角产生低频振荡，采用消隙装置，以提高传动精度和系统稳定性。
（×）9．进行机械系统结构设计时，由于阻尼对系统的精度和快速响应性均产生不利的影响，因此机械系统的阻尼比ξ取值越小越好。
（×）10．滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。
（√）11．采用偏心轴套调整法对齿轮传动的侧隙进行调整，结构简单，且可以自动补偿侧隙。
（√）×12．采用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，延长了产品开发周期，增加了产品开发成本，但是可以改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求能力。
（√）×二、单选题1．以下产品属于机电一体化产品的是（C ）。
A．游标卡尺 B．电话C．全自动洗衣机 D．非指针式电子表2．为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（A ）。
机电一体化系统设计基础课程形考作业1
机电一体化系统设计基础课程形成性考核作业1一、判断题（正确的打√，错误的打×）1．机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质。
（）2.系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。
（）3．信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。
（）4．自动控制是在人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。
（）5．产品的组成零部件和装配精度高，系统的精度一定就高。
（）6．为减少机械传动部件的扭矩反馈对电机动态性能的影响，机械传动系统的基本固有频率应低于电气驱动部件的固有频率的2~3倍，同时，传动系统的固有频率应接近控制系统的工作频率，以免系统产生振荡而失去稳定性。
（）7．传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。
（）8．在闭环系统中，因齿轮副的啮合间隙而造成的传动死区能使系统以6~10倍的间隙角产生低频振荡，采用消隙装置，以提高传动精度和系统稳定性。
（）9．进行机械系统结构设计时，由于阻尼对系统的精度和快速响应性均产生不利的影响，因此机械系统的阻尼比ξ取值越小越好。
（）10．滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。
（）11．采用偏心轴套调整法对齿轮传动的侧隙进行调整，结构简单，且可以自动补偿侧隙。
（）12．采用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，延长了产品开发周期，增加了产品开发成本，但是可以改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求能力。
（）二、单选题1．以下产品属于机电一体化产品的是（）。
A．游标卡尺B．电话C．全自动洗衣机 D．非指针式电子表2．为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（）。
A．增大系统刚度B．增大系统转动惯量C．增大系统的驱动力矩D．减小系统的摩擦阻力3．导程L0=8mm的丝杠驱动总质量为60kg的工作台与工件，则其折算到丝杠上的等效转动惯量为（）kg·mm2。
《机电一体化系统设计基础》形成性考核册1、2、3、4参考答案(中央电大形成性考核册)
《机电一体化系统设计基础》中央电大形成性考核作业1、2、3、4参考答案作业1一、判断题（正确的打√，错误的打×）1．机电一体化系统的主要功能就是对输入的物质按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质。
（×）2.系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，是机电一体化技术的方法论。
（√）3．信息处理技术是指在机电一体化产品工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。
（√）4．自动控制是在人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。
（×）5．产品的组成零部件和装配精度高，系统的精度一定就高。
（×）6．为减少机械传动部件的扭矩反馈对电机动态性能的影响，机械传动系统的基本固有频率应低于电气驱动部件的固有频率的2~3倍，同时，传动系统的固有频率应接近控制系统的工作频率，以免系统产生振荡而失去稳定性。
（×）7．传动机构的转动惯量取决于机构中各部件的质量和转速。
（×）8．在闭环系统中，因齿轮副的啮合间隙而造成的传动死区能使系统以6~10倍的间隙角产生低频振荡，采用消隙装置，以提高传动精度和系统稳定性。
（×）9．进行机械系统结构设计时，由于阻尼对系统的精度和快速响应性均产生不利的影响，因此机械系统的阻尼比ξ取值越小越好。
（×）10．滚珠丝杠垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。
（√）11．采用偏心轴套调整法对齿轮传动的侧隙进行调整，结构简单，且可以自动补偿侧隙。
（√）×12．采用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，延长了产品开发周期，增加了产品开发成本，但是可以改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求能力。
（√）×二、单选题1．以下产品属于机电一体化产品的是（C ）。
A．游标卡尺B．电话C．全自动洗衣机 D．非指针式电子表2．为提高机电一体化机械传动系统的固有频率，应设法（A ）。
步进电机控制驱动电路设计
步进电机控制驱动电路设计一、任务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，它在速度、位置等控制领域被广泛地应用。
但步进电机必须由环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
设计一个三相步进电机控制驱动电路。
二、要求1．基本要求1）时钟脉冲产生电路，能实现步进电机的正转、反转、手动（点动）和自动控制；2）用IC设计一个具有“自启动”功能的三相三拍环形分配器；3）能驱动三相步进电机的功放电路。
使用的是三相步进电机，工作相电压为12V2．发挥部分1）设计的环形分配器可实现“三相单三拍”、“三相双三拍”和“三相六拍”的多工作方式选择；2）完成步进电机供电电源电路设计；3）其它创新。
操作说明(与实际电路相对应):（从上到下依次）（从左到右）短路环： 1 2 3 4 开关：1 4 工作模式：断开接通断开接通0 0 三相单三拍正转断开接通断开接通0 1 三相单三拍反转断开接通断开接通0 0 三相六拍反转断开接通断开接通0 1 三相六拍正转接通断开接通断开0 0 三相双三拍正转接通断开接通断开0 1 三相双三拍反转注意：按键按下为0 向上为1如果在工作时有异常情况请按复位键调节变阻器2可以调节速度的大小摘要本设计采用自己设计的电源来给整个电路供电，用具有置位，清零功能的JK触发器74LS76作为主要器件来设计环行分配器，来对555定时器产生的脉冲进行分配，通过功率放大电路来对步进电机进行驱动，从而来完成题目中的要求。
并且产生的脉冲的频率可以控制，从而来控制步进电机的速度，环形分配器中具有复位的功能，在对于异常情况可以按复位键来重新工作。
本系统具有以下的特点：1．时钟脉冲产生电路，能实现步进电机的正转、反转、手动（点动）和自动控制；2．具有“自启动”的功能。
3．可以工作在“三相单三拍”、“三相双三拍”和“三相六拍”的多工作方式选择的状态下。
4．具有复位的功能。
（创新）5．具有速度可变的功能。
步进电机控制原理
直流电机调速
5.6 PWM控制-SCR硬件实现方法
5.6 直流电机控制
*关于频率和占空比的确定，对于 12M晶振，假定PWM输出频率为 1KHZ,这样定时中断次数 * *设定为C=100，即0.01MS中断一次， 则TH0=FF,TL0=F6;由于设定中断时 间为0.01ms，这样可以设定占空比 可从1-100变化。即0.01ms*100=1ms
void timer0(void) interrupt 1 using 2 { static uchar click= 0 ; /*中断次数计数器变量*/ TH0=V_TH0; /*恢复定时器初始值*/ TL0=V_TL0; ++click; if (click>=100) click=“0”; //click控制一个PWM周期的时长 if (click<=ZKB1) /*当小于占空比值时输出低电平，高于时 是高电平，从而实现占空比的调整*/ P1_3=0; else P1_3=1;
}
unsigned char ZKB; //ZKB为占空比调节变量
#void main (void) { init_sys(); ZKB1=40; /*占空比初始值设定*/ while(1) { if (!P1_1) //如果按了+键，增加占空比 { Delay5Ms(); if (!P1_1) { ZKB1++; } } if (!P1_2) //如果按了-键，减少占空比 { Delay5Ms(); if (!P1_2) { ZKB1--; } } /*对占空比值限定范围*/ if (ZKB1>99) ZKB1=1; if (ZKB1<1) ZKB1=99; }
AB 单片 机 DB CB
步进电机控制原理
第一章步进电机控制原理步进电机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的常用电气执行元件，具有步进数可控、运行平稳、价格便宜等优点。
步进电机转子的位移与脉冲数成正比，因而其转速与脉冲频率成正比，而不受电源电压、负载大小及环境条件等影响。
每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度前进一步，这个角度即为步距角。
脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了旋转的速度，方向信号决定了旋转的方向。
步进电机的工作方式与电动机的结构和种类密切相关，从结构上看，步进电机分为三相、四相、五相等类型，常用的是三相步进电机。
三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种。
系统采用三相六拍工作方式，在=三相六拍工作方式中，控制电流切换6次，磁场旋转1周，转子移动1个齿距，各相的通电顺序为：A—AB．B-BC．C．CA—A。
六拍工作方式时的电压及电流波形如图1所示。
其中细线表示磁极绕组中的电流波形，可见磁极的驱动电压是方波，而电流不是方波，这主要是由于步进电机的每相绕组存在一定的充电和放电时间。
图1 三相感应式步进电机六拍工作方式时的电压及电流波形常用的步进电机分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等类型，不同的步进电机在控制方式上基本一样。
在实际应用中，反应式步进电机较常用。
步进电机直接由数字信号控制，其基本控制包括转向控制和速度控制。
步进电机换向,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内时，以免产生较大的冲击而损坏电机。
换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。
在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速一换向一加速3个过程。
调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
用PLC实现步进电机的加减速控制，实际上就是控制发送脉冲的频率。
加速时，使脉冲频率增高,减速时降低。
理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。
步进电机控制系统设计
步进电机控制系统设计目录1绪论 (3)1.1 步进电机概述 (3)1.2 步进电机的特征 (3)1.3 步进电机驱动系统概述 (4)1.4 课题研究的主要内容 (4)2步进电机驱动系统的方案论证 (5)2.1 步进电机驱动系统简介 (5)2.2 步进电机驱动器的特点 (5)2.3 混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较 (6)2.3.1 双极性驱动器与单极性驱动器 (6)2.3.2 单电压驱动方式 (8)2.3.3 高低压驱动方式 (9)2.3.4 斩波恒流驱动 (10)2.4 方案的确定 (10)3混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计 (11)3.1单片机最小系统 (11)3.2 红外遥控电路 (12)3.2.1 红外发射电路 (12)3.2.2 红外接收电路 (13)3.3 LCD显示电路 (14)3.4 双机通讯 (15)3.5 步进电机驱动部分 (16)3.5.1 单极性步进电机驱动 (16)3.5.2 双极性步进电机驱动 (18)3.6 电源电路 (18)4 软件设计 (19)4.1 主机LCD显示菜单程序 (19)4.2 双机通讯程序 (20)4.3 下位机步进电机驱动程序 (22)5 驱动器试验结果 (24)5.1 概述 (24)5.2 试验内容和结论 (24)总结 (26)参考文献 (27)1绪论1.1 步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线性运动的执行器。
它由步进电机及其动力驱动装置组成，形成开环定位运动系统。
当步进驱动器接收到脉冲信号时，它驱动步进电机以设定方向以固定角度（步进角度）旋转。
脉冲输入越多，电机旋转的角度越大;输入脉冲的频率越高，电机的速度越快。
因此，可以通过控制脉冲数来控制角位移，从而达到精确定位的目的;同时，通过控制脉冲频率可以控制电机转速，从而达到调速的目的。
根据自身结构，步进电机可分为三类：反应型（VR），永磁型（PM）和混合型（HB）。
混合式步进电机具有无功和永磁两种优点，应用越来越广泛。
三相双三拍的工作原理
三相双三拍的工作原理
三相双三拍步进电机的工作原理是基于电磁感应和磁场作用。
当给定子绕组通电时，会在电机内部产生磁场，这个磁场会与转子上的永磁体相互作用，使转子转动。
三相双三拍步进电机的通电方式通常采用AB-BC-CA-AB的方式（顺时针旋转）或AB-CA-BC-AB的方式（逆时针旋转）。
每拍同时有两相绕组通电，三拍为一个循环。
具体来说，当AB两相绕组同时通电时，转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡才是转子的平衡位置。
若下一拍为BC两相同时通电时，则转子按顺时针转过60°到达新的平衡位置。
双三拍运行时的步距角仍是60°，但双三拍运行时每一拍总有一相绕组持续通电，如由AB两相通电变为BC 两相通电时B相保持持续通电状态。
这种工作方式使得步进电机的工作更加稳定。
需要注意的是，三相双三拍步进电机的工作原理可能因具体的电机设计和应用场景而有所不同。
在实际应用中，需要根据电机的具体参数和应用需求来确定通电方式和步距角等参数。
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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。
在有负载的情况下，启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
2.2 步进电机的工作原理步进电机是一种用电脉冲进行控制 ,将电脉冲信号转换成相位移的电机,其机械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正比,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度 ,脉冲的频率决定了电机运转的速度.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。
2.3 步进电机的技术参数1)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。
在有负载的情况下，启动频率更低。
如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
2)电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为 1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
3)步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。
在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。
如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
4)保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。
比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
2.4 步进电机的内外结构步进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如图2.4.2所示：3 步进电机控制工作原理3.1 步进电机的启停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。
为了使电机转动平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。
在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。
3.2 步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。
若步进电机的励磁方式为三相六拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CA。
如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。
其他方式情况类似。
3.3 系统设计思路此次我们所设计的是一个步进电机控制系统，主要由单片机80C51，3相步进电机，7段数码管，及一些其他相关元件设计而成。
可以通过开关来控制系统的启/停工作，当系统运转时，用开关来控制方向，并使相应的指示灯亮起，同样由开关来选择工作模式。
运转时，用4位7段数码管来输出步数。
最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。
3.4 系统的整体框图3.5 驱动方式的确定并于步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过CPU直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动；别一种是通过CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。
固本次设计应采用CPU间接驱动步进电机。
用编码器还的测速发电机作为转速测量工具,因为选择了闭环控制，就必须有反馈元件，反馈元件一般有两种，一种是采用同轴的测速发电机，把步进电机的转速反馈回来，然后通过显示器显示出来并对步进电机进行调节；别一种是通过光同轴的电编码器把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调节；两者相比，后者的设计比较简单，价格便宜，安全可靠，污染少。
固一般采用后者，用光电骗码器作为反馈元件。
3.6 驱动电路的选择步进电机的驱动电机有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。
单电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。
它的最大特点是结构简单，因它的工作效率低，特别是在高频下更显的突出。
它的外接电阻R要消耗相当一部分的热量，这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。
双电压驱动是电路一般采用两种电源电压来驱动，因这两个电源分别是一个为高压一个为低压，因此也称为高低压驱动电路。
双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降。
不宜于电机的正常运行。
对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。
别一种是用单片机采用数子脉宽调制的方法获得阶梯电流，这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。
但因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的调节范围比较广，固应选用驱动芯片8713来驱动，并通过软件来实现步进电机的调速。
4 硬件电路的设计4.1 单片机的选择本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片．89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上.使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
4.1.1 单片机的引脚功能1）VCC（40）：电源+5V。
2）VSS（20）：接地，也就是GND。
3）XTL1（19）和XTL2（18）：振荡电路。
4）PSEN（29）：片外ROM选通信号，低电平有效。
5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。
6）RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。
7）EA/VPP（31）：内/外部ROM选择端8）P0口（39-32）：双向I/O口。
P1口（1-8）：准双向通用I/0口。
9）P2口（21-28）：准双向I/0口。
原理图如4.1.1所示：图4.1 AT89C51的引脚图4.2 步进电机的选择反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理.4.2.1 三相双三拍通电方式控制绕组的通电方式为AB-BC-CA-AB 或AB-CA-BC-AB 每拍同时有两相绕组通电三拍为一个循环，当A B 两相控制绕组同时通电时转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有 A 相极和 B 相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡才是转子的平衡位置如4-2-2 B 所示，可见双三拍运行时的步距角仍是30°,但双三拍运行时每一拍总有一相绕组持续通电，例如由 A B 两相通电变为 B C 两相通电时，B 相保持持续通电状态 C 相磁拉力图使转子逆时针方向转动，而B 相磁拉力却起有阻止转子继续向前转动的作用。