步进电机对测量角度的定位与控制

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步进电机控制原理

步进电机控制原理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步进电机件。

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，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。

一、步进电机的工作原理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1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

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。

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2.a、b、c所示：a. 单四拍b. 双四拍c八拍51单片机驱动步进电机的方法:驱动电压12V，步进角为7.5度. 一圈360 度, 需要48 个脉冲完成!该步进电机有6根引线，排列次序如下：1:红色、2:红色、3:橙色、4:棕色、5:黄色、6:黑色。

步进电机对测量角度的定位与控制

ＩＮ２ｌ
０ＵＴ，
ＣＯＮｓＵＬＮｌ
『『
位置偏离参考面的上下两侧，则通过控制步进电机的旋转方式来实现调整要求］。
图３驱动电路
Ｆｉｇ．３Ｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ
３逻辑程序设计与算法实现
步进电机是纯粹的数字控制电动机，是将电脉冲信号转换成角位移的执行元件。步进电机转子的转角与输入的电脉冲数成正比，其转速与输入的脉冲频率成正比，而电动机的旋转方向则由脉冲的分配顺序
决定。
２．２．１步进电机技术指标
蓝线和黄线、橙线和粉线接控制脉冲输出，所以只需要４个输出接口。通过内部逻辑程序的管脚分配，选用
的是驱动芯片的前４个管脚，输出管脚即ＯＵＴ～ＯＵＴ。红线接十５ｖ的直流电源。２．２步进电机工作原理
３．１逻辑程序设计
本设计选用的步进电机型号为２４ＢＹＪ４８＿５Ｖ，共有
４对磁极即４相，５根线依次为红、橙（Ａ）、黄（Ｂ）、
《自动化仪表》第３４卷第２期２０１３年２月
本设计应用ＶＨＤＬ作为逻辑程序编辑语言．在此
数据通过ＲＳ－２３２接口异步串行进入ＦＰＧＡ。通过ＦＰＧＡ内部逻辑运算和处理，将实际测量角度反馈给上位机进行实时监测。上位机下发定位角度，将角度转换的脉冲数通过脉冲分配器输出；再经电机驱动芯片的功率放大后给到电机上，使电机旋转到设定的位置，并在当前位置保持动态平衡。

步进电机控制方法

步进电机控制方法步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行器，广泛应用于打印机、数控机床、纺织机械、包装设备等自动控制系统中。

步进电机控制方法的选择对于系统的性能和稳定性具有重要影响，下面将介绍几种常见的步进电机控制方法。

1. 开环控制。

开环控制是最简单的步进电机控制方法之一，通过给步进电机施加一定的脉冲信号来控制其旋转角度。

这种方法简单直接，但无法对步进电机的运动状态进行实时监测和调整，容易出现失步现象，适用于对精度要求不高的场合。

2. 半闭环控制。

半闭环控制是在开环控制的基础上增加了位置传感器反馈的控制方法。

通过位置传感器实时监测步进电机的位置，将反馈信息与设定值进行比较，从而实现对步进电机位置的闭环控制。

这种方法相比于开环控制能够更好地提高系统的稳定性和精度，但仍然存在一定的失步风险。

3. 闭环控制。

闭环控制是最为精确的步进电机控制方法，通过在步进电机上增加编码器等位置传感器，实时反馈步进电机的位置信息，并对其进行精确控制。

闭环控制能够及时调整步进电机的运动状态，减小失步风险，提高系统的稳定性和精度，适用于对位置精度要求较高的场合。

4. 微步进控制。

微步进控制是一种通过改变步进电机相序激励方式，使步进电机在每个步距内分成多个微步距的控制方法。

微步进控制能够提高步进电机的分辨率，减小振动和噪音，提高系统的平稳性和精度，适用于对步进电机运动要求较高的场合。

总结。

在实际应用中，步进电机控制方法的选择应根据具体的控制要求和系统性能需求来确定。

不同的控制方法各有特点，开环控制简单直接，但精度较低；半闭环控制提高了系统的稳定性和精度，但仍存在失步风险；闭环控制精度最高，但成本较高。

微步进控制能够提高步进电机的平稳性和分辨率，但相应的控制电路较为复杂。

因此，在选择步进电机控制方法时，需要综合考虑系统的实际需求和成本因素，选择最合适的控制方法来实现系统的稳定运行和高精度控制。

步进电机定位控制

02
反应式步进电机
03
混合式步进电机
转子为软磁材料，结构简单、步矩角小、精度较高，但动态性能较差。
结合了永磁式和反应式的优点，具有较高的精度和动态性能，但结构复杂、成本较高。
步进电机的主要应用领域
01 数控机床：用于工件的精确加工和定位。
02 机器人：用于机器人的关节驱动和定位控制。
03
自动化生产线：用于自动化生产线的物料搬运和定位控制。
04
打印机、复印机等办公设备：用于纸张的进给和定位控制。
02
CHAPTER
步进电机定位控制系统
定位控制系统的基本组成
控制器
用于接收输入的定位指令，并按照控制算法生成驱动脉冲信号。
驱动器
将控制器输出的脉冲信号放大，驱动步进电机转动。
步进电机
步进电机定位控制的软件实现
软件实现概述
软件实现是实现步进电机定位控制的重要组成部分，主要包括脉冲发生、运动控制和通信等功能。
脉冲发生
根据控制算法输出的控制信号，生成相应的脉冲信号，驱动步进电机运动。
运动控制
实时监测步进电机的运动状态，根据反馈信息调整控制信号，确保电机按照预定轨迹运动。
通信功能
工作原理：步进电机内部通常由一组带有齿槽的转子构成，定子上有多相励磁绕组。当给定一个脉冲信号时，定子上的励磁绕组会按一定的顺序通电，从而在转子上产生一个磁极，该磁极与定子上的齿槽对齐时，转子会转动一个步进角。步进角的大小取决于转子的齿数和通电的相数。
步进电机的种类与特点
01
永磁式步进电机
结构简单、成本低、步矩角大，但精度较低。
接受驱动器发出的脉冲信号，按照设定的步数和方向转动。

步进电机角度控制设计教程

步进电机角度控制设计教程步进电机是一种常用的电动机，它的运动可以被精确地控制。

步进电机的角度控制设计是指如何精确地控制电机的旋转角度。

本教程将介绍步进电机角度控制的基本原理和设计方法。

一、步进电机的基本原理步进电机由定子和转子组成，定子由电磁线圈组成，转子上有几个磁性极对。

当电流通过定子线圈时，会产生磁场，与磁性极对相互作用，从而引起转子的运动。

步进电机的运动分为两种模式：全步进和半步进。

全步进模式下，电机每次运动一个步距角度，而半步进模式下，电机每次运动一半步距角度。

根据需要，可以选择使用全步进模式或半步进模式。

二、步进电机角度控制设计方法1.确定步距角度首先，要确定所需的步距角度。

步进电机一般有1.8度、0.9度或0.45度等常见步距角度。

根据应用需要，选择合适的步距角度。

2.驱动电路设计步进电机需要一个驱动电路来控制电流的大小和方向，以实现精确的角度控制。

常用的驱动电路有单相和双相驱动电路。

单相驱动电路适合全步进模式，双相驱动电路适合半步进模式。

驱动电路一般由功率电路和控制电路组成。

功率电路负责控制电流的大小和方向，控制电路负责接收控制信号并产生相应的驱动信号。

3.控制信号设计控制信号是控制步进电机运动的关键。

通常使用微控制器或其他控制器来产生控制信号。

控制信号的频率和波形决定了电机的运动方式。

在全步进模式下，控制信号的频率应为电机的旋转频率，控制信号的波形为方波。

在半步进模式下，控制信号的频率是全步进模式的一半，控制信号的波形为方波和脉冲。

4.位置检测和反馈控制为了实现精确的角度控制，通常需要在步进电机上添加位置检测和反馈控制。

位置检测可以使用光电编码器、磁编码器等位置传感器实现，反馈控制可以根据位置检测结果对控制信号进行调整。

三、步进电机角度控制实例下面以一个步进电机角度控制实例来说明设计方法的具体步骤。

假设需要控制一个1.8度步距角度的步进电机，使用双相驱动电路和微控制器产生控制信号。

步进电机角度控制设计教程

若送电的顺序为S4闭合断开 S3闭合断开 S2闭合断开 S1闭合断开，周而复始的循环，则电机就逆时针旋转，原理同理。
3.3.2
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003A管脚如图3-8所示。
判断是否有键按下的方法是：向所有的列线I/O口输出低电平，然后将行线的电平状态读入累加器中，若无键按下，行线仍保持高电平状态，若有键按下，行线至少应有一条为低电平。当确定有键按下后，即可进行求键码的过程。其方法是：依次从一条列线上输出低电平，然后检查各行线的状态，若全为高电平，说明闭合键不在该列；若不全为1，则说明闭合键在该列，且在变为低电平的行的交点上。
关键词：步进电机C语言AT89C51ULN2003A转动角度
1
1.1
设计制作和调试一个由8086组成步进电机角度测控系统。通过这个过程学习熟悉键盘控制和七段数码管的使用，掌握步进电机的角度控制和角度显示方法。
1.2
1．在显示器上显示任意四位十进制数
2．将8个键定义键值为0~7，按任意键在显示器上显示对应键值
3．实现：
（1）定义键盘按键：5个为数字键1～5；3个功能键：设置SET、清零CLR、开始START；
（2）显示器上第一位显示次数，后三位显示每次行走的角度；
（3）通过键盘的按键，设置步进电机各次的角度值；第一位设置次数，后三位设置角度值。
（4）按START键启动步进电机开始转动，按SET键停止；按CLR键清零。
（6）P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

步进电机调试驱动器设置与步进角度调整

步进电机调试驱动器设置与步进角度调整步进电机是一种常用的电机类型，广泛应用于各种自动化设备和机械系统中。

在使用步进电机时，我们需要进行步进电机的调试、驱动器设置以及步进角度的调整。

本文将详细介绍这些方面的内容以及相应的操作步骤。

一、步进电机调试步进电机调试是为了确保电机正常工作，并且能够按照要求准确地运动。

步进电机调试的主要步骤如下：1. 连接电机和驱动器：根据电机和驱动器的接线图，将步进电机与驱动器正确连接。

2. 设置驱动器参数：根据步进电机和驱动器的规格参数，对驱动器的一些参数进行设置。

如电流、细分、加速度等。

3. 调试控制信号：连接控制器和驱动器，通过控制信号来控制步进电机的运动。

4. 运动测试：通过控制器发送指令，检查步进电机是否按照预期进行旋转或运动。

5. 调整参数：根据测试结果，逐步调整驱动器的参数，直至步进电机能够稳定工作。

二、驱动器设置驱动器是控制步进电机运动的关键设备，正确的驱动器设置可以确保步进电机的正常运行。

下面是一些常见的驱动器设置内容：1. 电流设置：根据步进电机的额定电流和电机负载的情况，设置驱动器的电流。

过大的电流会导致电机发热，过小的电流则会导致电机无法正常运转。

2. 细分设置：细分是指将电机的旋转角度分为若干小份，使电机的运动更加平滑。

根据应用的要求，设置驱动器的细分参数，一般细分设置越大，电机的分辨率越高，但是会增加驱动器的计算和处理压力。

3. 加速度设置：根据步进电机的工作环境和应用要求，设置驱动器的加速度参数。

加速度设置的好坏直接影响到电机的运动质量，合理的加速度能够提高步进电机的定位精度和运动速度。

4. 步进角度设置：步进电机的步进角度是电机一次运动所转过的角度。

根据步进电机的型号和应用需求，设置驱动器的步进角度参数。

步进角度设置不当会导致电机无法准确运动或者定位失效。

三、步进角度调整步进电机的步进角度是其最基本的特性之一，一旦步进角度设置不准确，将会影响到电机的运动和定位。

基于步进电机的角度测量及其在帆板控制系统中的应用

元组成的模块ＵＺ００成，通过阻抗测量倾Ｚ９０构
满足系统设计需要。步进电机的四个绕组线端Ａ、Ｂ、、分别接ＵＮ０３达林顿管输出Ｌ２０的脚Ｏ１２３４、０、０、０，对应的输入脚ＩＮ１一Ｉ４Ｎ分别由微处理器的四个Ｉ／控制发组合脉冲，实现Ｏ脚前进或后退步进。设计中采取两相同时通电的四拍循环模式（ＢＢＡ — Ａ一一１３Ａ—ＡＢ，其中ＡＢ表示对Ａ端和Ｂ端同时施加高电平脉冲）实现
ＹＵＪｎｄｎｉ— ｏｇ
（ｕｎｄｎｏｓｕｔｎＶｃｔｎｌｎｔｕ，Ｇａｇｈｕ４０ｈｎ）ＧａｇｏｇＣｎｔｃｉｏａｏａＩｓｔｔｒｏｉｉｅｕｎｚｏ５０４，Ｃｉａ１
ＡｂｔａｔＴｈｓｐｐｒｄｓｇｓａｎｗｎｌａｕｎｅｉｅｉｉｈｔｅｐｏｏｌｃｒｃｓｎｓｒｘｄｏｈｔｐｅｔｒａｅｃｎｒｌｄｓｒｃ：ｉａｅｅｉｎｅａｇｅｍｅｓｒｇｄｖｃ，ｎｗｈｃｈｈｔｅｅｔｅｏｓｆｅｎｔｅｓｅｐｒｍｏｏｒｏｔｏｌｉｉｉｅ
生光电流引起电平变化，经微处理器检得后实现
个大电阻分压，将中点电位送入比较器整形成
帆板位置锁定并持续追踪，传感器和测量装置结
图３角度测量装置电路原理图
应用
高、低电平送人微处理器的Ｉ／０口。其中比较器运

基于步进电机和角度传感器的线控制动装置及控制方法

基于步进电机和角度传感器的线控制动装置及控制方法1. 引言1.1 概述本篇文章旨在介绍基于步进电机和角度传感器的线控制动装置及其控制方法。

线控制动装置是一种能够实现线性运动的设备，可广泛应用于工业自动化系统、机械加工、仪器仪表等领域。

1.2 文章结构本文共分为五个部分。

首先是引言部分，对文章的主题进行了概述并介绍了整个文章的结构。

之后是正文部分，包括步进电机和角度传感器的介绍以及线控制动装置设计与实现。

然后是控制方法部分，对开环控制方法和闭环控制方法进行了详细说明，并讨论了控制器选择与调试的相关内容。

接下来是实验与结果分析部分，描述了实验设置和过程，并对结果数据进行了分析和讨论。

最后是结论部分，总结了主要工作并展望了未来研究方向。

1.3 目的本文旨在全面介绍基于步进电机和角度传感器的线控制动装置及其控制方法，并通过实验和结果数据进行验证和分析，以期为相关领域的研究人员提供参考和借鉴。

本文将重点讨论开环控制方法和闭环控制方法的优缺点、适用性以及控制器的选择与调试方法，为读者提供相关技术方案的参考依据。

同时，本文还将深入探讨实验过程中可能遇到的问题，并提出改进方向，为今后研究提供指导思路。

通过本文的阐述，读者将能够全面了解基于步进电机和角度传感器的线控制动装置及其控制方法，并能够在实际应用中进行合理选择和设计。

2. 正文:2.1 步进电机介绍:步进电机是一种转换电能为机械运动的装置，它是一种递次式驱动器，通过在特定的顺序下控制电流来实现旋转。

步进电机通常由一个固定的转子和一个可以旋转的转子组成。

其工作原理基于磁场相互作用。

当电流通过驱动器中的线圈时，产生的磁场会引起转子朝着一个特定的角度移动。

步进电机具有精确定位、高速度以及良好的力矩特性等优点，广泛应用于各种位置控制和运动控制系统。

2.2 角度传感器介绍:角度传感器是一种用于测量物体角度位置的装置。

角度传感器可以通过不同的原理来实现，例如光学、磁性或者电容等方式。

用PLC实现步进电机的快速精确定位_

用PLC实现步进电机的快速精确定位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（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。

步进电机步距角度精度的测量方法

步进电机步距角度精度的测量方法角度测量法步进电机用作位置定位掌握时，前述的静态转矩特性为最重要的特性。

步进电机的角度精度，能用高辨别率的编码器通过连轴器（使转动时不会发生旋转位移现象）直接连接，角度作为数字，读入计数器，用计算机进行计算。

结果通过打印机或X-Y绘图仪等设备输出，作为电机的评价资料。

下图为功能框图，与步进电机安装编码器图。

步距角精度测量法位置精度：转子的任意点作为动身点，由此每一步测量一次，电机连续旋转一圈，求转子的实际位置与理论位置的差。

用正最大值与负最大值范围表的误差，称为位置误差（position），用基本步距角的百分率（％）来表示。

下表表示静止角度误差：下图表示误差与位置精度：上图中，若正的最大误差为Δθ1，负的最大误差为Δθ4，则位置精度PA由下式表示：步距角精度：转子从任意一点动身，连续运行时，求出各步进角度的实测角度与理论上的步进角度之差，用理论步距角的百分率（％）表示，称为步距角精度，以1圈中的（+）侧与（一）侧的最大值表示。

上式可有下表表示：即上式的第一项为步距角理论值，(θm-θm-1)=θs。

其次项为静止角度（位置）误差的相邻误差，变成步距角误差。

步距角误差取（+）或（-）值，（+）或（-）的最大值与步距角之比的百分数（％）称为步距角精度。

（表1）的步距角精度SA用下式描述：滞环误差：转子由任意点正转1圈后，再反向旋转一圈返回原点，各测量位置的偏差角中取最大值，称为滞环误差。

上“误差的表示与位置精度图”中的H即为滞环误差。

实际的角度精度上图表示两相HB型1.8°步进电机的2相激磁角度精度。

有每4步进精度的描述，即各相位置定位如下图所示。

上图的角度误差有4步进的周期性，其是由步进电机绕组相间磁阻偏差大所造成的。

分别取出4组来看，如图中所示。

并非全步进位置打算定位，假如容许辨别率低，釆用每隔4步进的位置定位，位置精度改善1/4。

每隔2步进精度会提高，这也是位置精度改善的对策。

如何利用步进电机实现高精度的位置控制

如何利用步进电机实现高精度的位置控制在现代工业自动化和精密控制系统中，实现高精度的位置控制是至关重要的。

步进电机以其独特的工作原理和性能特点，成为了实现这一目标的常用选择。

那么，究竟如何利用步进电机来达到高精度的位置控制呢？首先，我们需要对步进电机有一个基本的了解。

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制电机。

它的工作原理基于电磁铁的原理，通过依次给电机的不同相绕组通电，使得电机转子按照固定的步距角转动。

要实现高精度的位置控制，选择合适的步进电机是第一步。

在选择时，需要考虑电机的步距角、保持转矩、矩频特性等参数。

较小的步距角通常意味着更高的位置控制精度，但同时也可能会增加成本和控制的复杂性。

接下来是驱动电路的设计。

一个良好的驱动电路能够为步进电机提供稳定、精确的电流和电压，从而保证电机的正常运行和高精度控制。

常见的驱动方式有恒压驱动、恒流驱动等。

恒流驱动能够更好地控制电机的转矩和速度，因此在高精度控制中更为常用。

控制信号的生成是实现高精度位置控制的关键环节之一。

控制信号通常由控制器（如单片机、PLC 等）产生。

控制器根据设定的位置目标和反馈的实际位置信息，计算出需要发送的脉冲数量和频率，从而驱动步进电机转动到指定位置。

在实际应用中，为了提高位置控制的精度，常常采用细分驱动技术。

细分驱动技术是通过在相邻的两个整步之间插入若干个中间状态，使得电机的步距角变小，从而提高位置控制的分辨率和精度。

例如，原本步距角为 18 度的电机，经过 16 细分后，步距角可以减小到 01125 度，大大提高了位置控制的精度。

此外，还需要考虑机械传动系统对位置控制精度的影响。

机械传动系统中的间隙、摩擦、弹性变形等因素都会导致位置误差。

因此，在设计机械传动系统时，应尽量选择精度高、间隙小、摩擦小的传动部件，如滚珠丝杠、直线导轨等。

为了实现更精确的位置控制，还需要采用闭环控制策略。

通过安装位置传感器（如编码器、光栅尺等），实时反馈电机的实际位置信息，与设定位置进行比较，然后根据误差调整控制信号，从而实现更精确的位置控制。

步进电机对测量角度的定位与控制

2 硬件电路设计与工作原理
2． 1 硬件设计外部电源给传感器供电，供电电压为 12 V。传感
器上电后下发倾角数据，通过串口逐位进入 MAX3232 中。MAX3232 将 12 V 的电平数据转化为 5 V 的电平数据后串行进入 FPGA。RS-232 串口通信原理图如图 2所示。
表示复位信号，低电平有效。复位后计算器处于初始状态。datain 表示倾角传感器下发的数据，计算器内部进行运算处理。wrin 表示写数据信号，每发生一次由低到高的变化就写入一组数据。busy 表示忙碌等待信号，脉冲分配器反馈给计算器的信号。当脉冲分配器处于工作执行状态时，计算器停止数据的下发。 cntoutX 表示脉冲个数信号（最高位控制旋转方向，剩下的为数据位），由计算器内部计算转换产生，输出给脉冲分配器，再由脉冲分配器分配启动脉冲，最终由步进电机执行相应的步数。
1 系统总体结构
本设计主要可分为 5 个部分，分别为数据产生单元———外接的数字式倾角传感器、主控单元——— FPGA、控制终端———上位机、驱动单元———功率放大器（步进电机驱动芯片）、执行单元———永磁式减速型
国家自然科学基金重点资助项目( 编号: 51075375) 。修改稿收到日期: 2012 － 03 － 02。第一作者杨海光( 1987 － ) ，男，现为中北大学测试计量技术及仪器专业在读硕士研究生; 主要从事传感器与数据采集方面的研究。
数据通过 RS-232 接口异步串行进入 FPGA。通过 FPGA 内部逻辑运算和处理，将实际测量角度反馈给上位机进行实时监测。上位机下发定位角度，将角度转换的脉冲数通过脉冲分配器输出；再经电机驱动芯片的功率放大后给到电机上，使电机旋转到设定的位置，并在当前位置保持动态平衡。

步进电机的控制方法

步进电机的控制方法步进电机（Stepper Motor）是一种将电信号转化为角位移的输出设备，通常用于需要精确控制角度和位置的应用领域，如3D打印机、CNC数控机床、机器人等。

步进电机的控制方法主要有三种：全步进控制、半步进控制和微步进控制。

下面将详细介绍这三种控制方法的原理和特点。

全步进控制是步进电机最简单和常用的控制方式之一。

它是通过改变电流的方向和大小来控制电机的转动。

步进电机内部有一个旋转磁场，当电流方向与旋转磁场方向一致时，电机会顺时针旋转；当电流方向与旋转磁场方向相反时，电机会逆时针旋转。

因此，通过改变电流的方向可以实现电机的正反转。

而改变电流的大小可以调节电机每一步转动的角度，从而控制精度。

例如，电流较小时电机每一步的转动角度较大，电流较大时电机每一步的转动角度较小，通过不同的电流设置可以实现不同的控制要求。

全步进控制简单可靠，适用于一些对控制精度要求相对较低的场合。

半步进控制是在全步进控制的基础上发展起来的一种控制方式。

它通过在两个相邻的全步进驱动脉冲之间改变电流的大小和方向来控制电机的转动。

在正向或逆向时，先施加一定大小的电流使电机进入半步状态，此时电机只旋转半个步距；然后再施加相反于旋转方向的电流使电机进入全步状态，此时电机旋转一个步距。

通过这种方式，半步进控制可以实现更高的分辨率和较大的控制精度。

但是，半步进控制的缺点是启动和停止过程中存在冲击、振动等不稳定现象，对控制系统的动态响应要求较高。

微步进控制是进一步提高步进电机控制分辨率和精度的一种控制方式。

它通过改变电流的大小和时间来实现对电机的微步控制。

微步进控制可以将电机每一步的移动量分割为更小的部分，从而实现更高的分辨率。

例如，微步进控制可以将电机每一步的移动量分割为10等分或更多等分，从而实现更精确的控制。

微步进控制的原理是通过调节电流大小和时间，使电机在磁力矩的作用下，从一个磁极到相邻磁极之间平滑地过渡，从而实现平稳的转动。

步进电机的精确控制方法研究

步进电机的精确控制方法研究步进电机是一种将脉冲输入转化为旋转运动的电动机。

它具有精确位置控制的优势，广泛应用于数控机床、印刷设备、纺织设备等领域。

本文将研究步进电机的精确控制方法。

首先，步进电机的精确控制方法可以从两个方面入手：开环控制和闭环控制。

开环控制是指通过给定脉冲数控制步进电机的旋转角度，但无法实时检测和修正位置偏差。

闭环控制则通过添加位置传感器和反馈控制系统，实现对步进电机的精确位置控制。

在开环控制方法中，可以使用以下几种策略来提高步进电机的精确度：1.采用高分辨率的脉冲信号：通过提高脉冲信号的分辨率，可以使步进电机的旋转角度更加精确。

2.采用微步驱动技术：微步驱动技术可以将一个脉冲细分为多个微步，从而实现对步进电机更加精细的控制。

常见的微步驱动技术有1/2步、1/4步和1/8步等。

3.降低负载惯性：负载惯性对步进电机的转动精度有很大影响。

通过减小负载惯性，可以提高步进电机的转动精度。

而闭环控制方法则通过反馈控制系统对步进电机的位置进行实时监测和修正，从而实现更加精确的位置控制。

闭环控制方法可以采用以下几种方式：1.采用位置传感器：可以使用编码器或霍尔传感器等位置传感器来实时监测步进电机的转动角度，从而获得实际位置与期望位置之间的误差。

2.使用PID控制算法：PID控制算法是一种常用的闭环控制算法，通过调节比例、积分和微分三个参数，可以快速、稳定地修正步进电机的位置偏差。

3.采用模型预测控制（MPC）：模型预测控制是一种优化控制算法，通过建立步进电机的数学模型，预测未来的位置偏差，并采取相应的控制策略来修正偏差。

总之，步进电机的精确控制方法可以通过开环控制和闭环控制两种方式实现。

开环控制方法适用于对精度要求不高的应用场景，而闭环控制方法则适用于对位置精度要求较高的场景。

根据具体应用需求，可以选择合适的控制方法来实现步进电机的精确控制。

步进电机角度与距离的计算公式（脉冲量计算）！！！

步进电机角度与距离的计算公式（脉冲量计算）
脉冲量的控制多用于步进电机、伺服电机的角度控制、距离控制、位置控制等。

以下是以步进电机为例来说明各控制方式。

1、步进电机的角度控制。

首先要明确步进电机的细分数，然后确定步进电机转一圈所需要的总脉冲数。

计算“角度百分比=设定角度/360°（即一圈）”“角度动作脉冲数=一圈总脉冲数*角度百分比。

”
公式为：
角度动作脉冲数=一圈总脉冲数*（设定角度/360°）。

2、步进电机的距离控制。

首先明确步进电机转一圈所需要的总脉冲数。

然后确定步进电机滚轮直径，计算滚轮周长。

计算每一脉冲运行距离。

最后计算设定距离所要运行的脉冲数。

公式为：
设定距离脉冲数=设定距离/[（滚轮直径*3.14）/一圈总脉冲数]
3、步进电机的位置控制就是角度控制与距离控制的综合。

以上只是简单的分析步进电机的控制方式，可能与实际有出入，仅供各位同仁参考。

伺服电机的动作与步进电机的一样，但要考虑伺服电机的内部电子齿轮比与伺服电机的减速比。

有些事情说起来比较简单，但实际应用就有难度了。

请大家在实际的工作中领悟其中的道理。

步进电机定位控制PPT课件

注意：4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。
.
5
FPGA模块图和输入、输出信号说明：
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；
.
8
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。
该模块VHDL程序见8.24 步进电机定位控制系统STEP_MOTOR.VHD中 STEP_MOTOR_DIRECTION：BLOCK。
.
9
模块输出的各个初值以及累加/减值的设定真值表
manner 00
8.24 步进电机定位控制系统设计
.
1
设计要求
设计一个基于FPGA的4相步进电机定位控制系统。
.
2
系统组成
.
3
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。
01
cntini angle=2n+1时 –1 angle=2n 时 0
0
cntinc 2
2
angledncntdec 2
2பைடு நூலகம்
10
-1
2
2
11
0
1
1
dir为0时，步进电机工作于逆时针旋转模式，累加值为
正数。 manner 选择激磁方式 00、01、10、11分别对

步进电机调试驱动器设置与步进角度调整

步进电机调试驱动器设置与步进角度调整步进电机是一种精确控制转动角度的电机，常用于需要高精度定位和步进运动的设备中。

为了确保步进电机正常工作，需要进行调试驱动器设置和步进角度调整。

一、调试驱动器设置1. 首先，将步进电机与驱动器连接好，确保连接正确并稳固。

2. 接着，检查驱动器的供电电源，确保电源电压符合步进电机和驱动器的额定电压要求。

3. 设置驱动器的细分数，细分数越大，步进电机的步进角度越小，精度越高。

根据实际需求选择适合的细分数设置。

4. 调整驱动器的电流千部，电流千部的大小将影响步进电机的输出功率和发热情况，根据实际要求进行合理设置。

5. 检查并调整驱动器的脉冲信号设置，保证脉冲信号的频率和脉冲宽度满足步进电机的要求。

二、步进角度调整1. 在完成驱动器设置后，需进行步进角度的调整。

步进电机的步进角度是由驱动器发送的脉冲信号控制的，因此需要确保脉冲信号的准确性和稳定性。

2. 首先，利用示波器检测脉冲信号的频率和宽度，确保脉冲信号的质量符合要求。

3. 然后，通过改变每个脉冲信号的数量和频率来调整步进电机的步进角度。

逐步增加或减少脉冲信号，直到步进电机转动的角度达到所需精度。

4. 在调整步进角度时，要注意保持脉冲信号的稳定性，避免出现脉冲信号丢失或干扰导致步进电机运动不稳定的情况。

5. 调整完成后，进行测试验证步进电机的准确定位和运动精度，确保步进电机能够稳定可靠地工作。

通过以上步骤，可以有效地调试步进电机的驱动器设置和步进角度，保证步进电机在实际工作中能够达到高精度的定位和步进运动要求。

同时需要注意定期检查和维护步进电机和驱动器，确保其正常运行，延长使用寿命。

步进电机的位置控制

步进电机的位置控制
位置控制,我的理解就是输入一个目标的位置,然后电机通过一个加减速的过程后到达目标位置.
这个加减速的方法,目前了解的有'梯形'和'S形'.
梯形:加速度固定,但是在启动,到达最大速度和停止这几个地方会出现加速度的'剧变',但是可以完全预知电机的速度和位置,并且这个计算也不会太复杂.
S形:或者说是正弦波形,加速度在此法中不是固定的,而是按照正弦波的形状来改变.好处当然是加速度变化缓慢(加速度的微分没有突变).坏处当然就是变得复杂了,而且在此法中要预测电机的速度和位置就变得相对复杂很多.
所以,加减速当然就选择梯形法了.
怎么实现从当前位置(起点)按照梯形法走到目标位置(终点)呢?如下图所示:
S是起点;E是终点;那么M就是(E-S)/2,也就是中点.
在确定加速度的情况下,线段a,b的斜率就可以知道.然后假设电机
从点S开始加速,越过点M(点c)后开始减速,最后刚好到达点E.因为加速和减速的加速度都是一样的,所以SM,ME两个线段的长度是一样,所以只要取得SE的中点M就可以保持目标位置的正确(理论上是这样) 按照上述方法就可以实现加减速,并到达目标位置附近.
为什么说是到达目标位置附近呢?
现在还没测试程序对于位置控制的准确性,所以一下只是基于猜测: 首先,在加减速过程中,可能会因为精度问题而使得实际的速度曲线有明显的'阶梯',而这个阶梯可能(或不可能)影响到逼近目标位置.
其次,也是因为精度的问题,按照设定的加速度可能无法最大限度地逼近目标位置,而需要进行额外的操作(以很低的速度走过一个小角度)才能够最大限度地逼近目标位置.
最大的可能就是上面第一个情况出现,而需要用额外操作来最大限度地逼近目标角度.。