步进电机控制系统的研究
基于AT89C51单片机和ULN2003驱动芯片的步进电机控制及驱动电路系统的设计
基于AT89C51单⽚机和ULN2003驱动芯⽚的步进电机控制及驱动电路系统的设计摘要 (1)Abstract (2)第⼀章.绪论 (2)1.1设计背景 (4)1.2关于国内外同类产品的发展和应⽤ (4)1.3 本⽂所做的⼯作 (5)1.4 研究内容与安排 (5)第⼆章系统总体⽅案设计 (7)2.1 设计原理 (7)2.2 主要元器件介绍 (8)2.2.1 四相六线步进电机的介绍 (8)2.2.2 AT89C51单⽚机芯⽚介绍 (10)2.2.3 ULN2003芯⽚介绍 (11)2.2.4 LED七段数码管介绍 (12)第三章步进电机控制及驱动系统电路设计实现 (13)3.1 硬件设计 (13)3.2 软件设计 (17)第四章电路调试 (18)第五章总结 (20)致谢 (21)参考⽂献 (22)附录 (23)摘要本⽂主要研究了⼀种基于AT89C51单⽚机和ULN2003驱动芯⽚的步进电机控制及驱动电路系统的设计。
该系统可分为：控制模块、驱动模块、显⽰模块、⼈机交互模块四⼤部分。
其中采⽤AT89C51单⽚机作为控制模块的核⼼，利⽤单⽚机编程实现了对步进电机启动停⽌、正转反转、加速减速等功能的基本控制。
驱动模块由芯⽚ULN2003A驱动步进电机⼯作；显⽰部分由七段LED共阴数码管组成；⼈机互换部分由相应的按键实现相应的功能。
通过实际测试表明本设计系统的性能优于传统步进电机控制器，具有结构简单、可靠性⾼、实⽤性强、⼈机接⼝简单⽅便、性价⽐⾼等特点。
此外，本⽂还介绍了步进电机的基本原理及AT89C51单⽚机的性能特点。
关键词：步进电机;ULN2003; AT89C51;AbstractThis article mainly introduced the basic principle of stepping motor and the performance characteristics of AT89C51.Design research based on AT89C51 and ULN2003 stepper motor driver chips control and drive circuit system.The system can be divided into: control module, drive module, display module, human–computer interaction module.The AT89C51 single chip microcomputer as the core of the control module, microcontroller programming has realized the start stop the stepper motor, forward reverse, speed reducer, and other functions of basic control.Driver module driven by chip ULN2003A stepper motor;Display section is made up of seven segment digital tube LED, Yin;Man-machine interchangeable parts by the corresponding button to achieve the corresponding function.Through the actual test show that the system performance is superior to the traditional stepping motor controller is designed, with simple structure, high reliability and strong practicability, simple and convenient man-machine interface, high cost performance, etc.Key words: stepper motor;ULN2003;AT89S52 devices.摘要 (1)Abstract (2)第⼀章.绪论 (4)1.1设计背景 (4)1.2 关于国内外同类产品的发展和应⽤ (4)1.3 本⽂所做的⼯作 (5)1.4 研究内容与安排 (5)第⼆章系统总体⽅案设计 (7)2.1 设计原理 (7)2.2 主要元器件介绍 (8)2.2.1 四相六线步进电机的介绍 (8)2.2.2 AT89C51单⽚机芯⽚介绍 (10)2.2.3 ULN2003芯⽚介绍 (11)图2.6 ULN2003逻辑图 ..................................................................................................................... 11 2.2.4 LED 七段数码管介绍............................................................................................................... 12 图2.7六位LED 共阴数码显⽰管图 (12)第三章步进电机控制及驱动系统电路设计实现 (13)3.1 硬件设计 (13)1B 11C 162B 22C 153B 33C 144B 44C 135B 55C 126B 66C 117B77C10COM 9U2ULN2003AXTAL218XTAL119ALE 30EA31PSEN 29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78 P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR 16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51 ............................................................................................................................................................ 14 3.2 软件设计.. (17)第四章电路调试 ................................................................................................... 18 第五章总结............................................................................................................. 20 致谢......................................................................................................................... 21 参考⽂献................................................................................................................. 22 附录 . (23)第⼀章.绪论1.1设计背景电⽓时代的今天，电动机⼀直在现代化的⽣产和⽣活中起着⼗分重要的作⽤。
电机驱动系统的性能优化与控制策略研究
电机驱动系统的性能优化与控制策略研究2.摘要：电机驱动系统的性能优化与控制策略研究"旨在提高电机驱动系统的效率和性能。
本文通过深入研究电机控制策略、性能优化方法以及集成控制与智能化应用，以提升电机驱动系统的性能。
关键词：电机驱动系统；性能优化；控制策略引言：随着科技的不断进步，电机驱动系统在工业领域中应用越来越广泛，且扮演着至关重要的角色。
然而，传统的电机驱动系统往往存在着效率低下、能耗高等问题。
因此，对电机驱动系统的性能优化和控制策略研究具有重要意义。
1、电机控制策略的研究1.1矢量控制策略矢量控制策略通过分别控制电机的磁场定向和转矩来实现高精度的运动控制。
它将三相电流转换为磁场矢量和转矩矢量，并分别控制它们以实现所需的磁场方向和输出转矩。
磁场矢量控制调节电机磁场定向，而转矩矢量控制调节电机输出转矩。
这种控制方式具有高精度、灵活适应不同工况和简化系统结构的优势，但需要测量转速和位置信息。
在矢量控制策略中，首先需要获得电机的运动状态信息，如转子位置和速度。
这可以通过传感器测量或者使用估算算法来获取。
一旦获得了运动状态信息，控制系统就可以根据所需的运动特性，通过控制电机的磁场定向和转矩来实现精确的运动控制。
1.2直接转矩控制策略与矢量控制策略不同，直接转矩控制策略无需额外的速度和位置传感器，通过实时估计电机转子位置和转速来直接控制电机转矩输出。
这种策略利用电机模型和观测器来估计内部参数，并根据所需的转矩输出调节电机电流。
直接转矩控制策略具有简单的系统结构、较低的成本和对参数变化和负载扰动的鲁棒性。
然而，它需要高计算能力和复杂的算法来估计电机状态并实时调节电流。
这些算法通常基于数学模型或者系统识别方法，以获得准确的位置和速度估计，并通过电流反馈控制来实现所需的转矩输出。
1.3智能化控制策略智能化控制策略利用人工智能技术实现自适应调节和优化控制，以提升电机系统性能。
其中，深度学习方法是一种常用的智能化控制策略。
基于MPU6050和步进电机的高精度转动控制方法
基于MPU6050和步进电机的高精度转动控制方法【摘要】本文针对高精度转动控制问题，结合MPU6050和步进电机，提出一种新的控制方法。
首先介绍了MPU6050和步进电机的基本原理和特点，然后详细阐述了基于这两者的高精度转动控制方法。
接着给出了实验结果与分析，指出该方法在精度和稳定性方面具有明显优势，并提出了改进方法。
最后在结论部分总结了研究的意义和成果，展望了未来的研究方向。
通过本研究，为高精度转动控制领域的发展提供了新的思路和方法，有望在工业自动化、航空航天等领域有广泛应用。
【关键词】MPU6050, 步进电机, 高精度转动控制方法, 实验结果, 分析, 改进方法, 总结, 展望, 研究背景, 研究意义.1. 引言1.1 研究背景在现代工业和科技领域，精准控制设备的转动是一个非常重要的技术需求。
特别是在一些需要精确定位或运动控制的应用中，比如机器人控制、航空航天领域等，高精度转动控制技术具有重要意义。
随着传感器和电机技术的发展，基于MPU6050和步进电机的高精度转动控制方法成为一种有效的解决方案。
MPU6050是一种集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计的传感器，能够实时监测设备的姿态和加速度变化。
步进电机则是一种精确控制转动角度的电机，通过控制步进电机的步进角度和速度，可以实现精准的角度控制。
基于MPU6050和步进电机的高精度转动控制方法成为了当前研究的热点之一。
通过将MPU6050的姿态数据与步进电机的控制系统结合，可以实现对设备的精确定位和控制。
本文将介绍如何利用MPU6050传感器获取姿态数据，以及如何结合步进电机实现高精度的转动控制。
希望通过本研究能够为高精度转动控制技术的进一步发展提供一定的参考和借鉴。
1.2 研究意义高精度转动控制在许多领域中都具有重要的应用价值，例如航空航天、机械制造、医疗设备等。
精确的转动控制可以确保设备或系统的稳定运行，提高工作效率，减少故障率，并且可以实现更精细和复杂的操作。
步进电机毕业论文
步进电机毕业论文步进电机毕业论文引言在现代工业和科技领域，步进电机作为一种重要的电动机类型，广泛应用于各种自动控制系统中。
步进电机以其精准的定位能力和可编程性而受到研究者和工程师们的青睐。
本篇论文旨在探讨步进电机的原理、应用以及未来的发展方向。
一、步进电机的原理步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械运动的电动机。
其工作原理基于磁场的相互作用，通过电流的变化来控制转子的运动。
步进电机通常由定子、转子和驱动电路组成。
定子上的线圈通过电流激励产生磁场，而转子则由磁性材料制成。
当电流通过线圈时，磁场会引起转子的磁性材料发生磁化，从而使转子发生运动。
二、步进电机的应用领域步进电机在各个领域都有广泛的应用。
在工业自动化领域，步进电机常被用于控制机器人的运动和定位，如自动装配线上的零件搬运和组装。
步进电机还被广泛应用于医疗设备、数码相机、打印机等消费电子产品中。
此外，步进电机还被用于纺织机械、印刷机、数控机床等设备中，以实现精确的运动控制。
三、步进电机的优势和局限性步进电机具有许多优势，使其成为许多应用中的首选。
首先，步进电机可以实现非常精确的定位和控制，其转子的位置可以通过控制电流的脉冲数来精确控制。
其次，步进电机具有较高的可靠性和耐用性，由于其结构简单，没有传统电动机中的刷子和换向器，因此减少了故障的可能性。
然而，步进电机也存在一些局限性，例如其最高转速较低，无法适用于高速运动的应用。
此外，步进电机在低速运动时可能会出现共振现象，需要采取相应的措施来避免共振带来的问题。
四、步进电机的未来发展方向随着科技的不断进步，步进电机也在不断发展。
未来，步进电机的发展方向主要集中在提高性能和降低成本上。
一方面，研究者们致力于提高步进电机的转速和精度，以满足更高要求的应用。
另一方面，通过采用新的材料和制造工艺，可以降低步进电机的生产成本，使其更加普及和可接受。
结论步进电机作为一种重要的电动机类型，在各个领域都有广泛的应用。
开环步进电机与闭环步进电机系统比较
开环步进电机与闭环步进电机系统比较步进电机系统是运动控制行业的基石。
我们将研究开环系统与闭环系统之间的差异，并了解步进电机最新的发展，步进电机系统比以往更快，更安静，更节能。
从电压驱动和完全步进的早期阶段开始，步进电机系统已经走过了漫长的道路。
首先是PWM驱动和微步进，然后是数字信号处理器（DSP）和反共振算法。
现在，新的闭环步进技术确保步进电机在未来几年继续成为运动控制行业的基石。
这是AppliedMotionProducts的StepSERVO闭环集成步进电机的剖视图。
无论运动是线性运动还是旋转运动，决定哪种电机和驱动系统最合适的两个首要考虑因素是扭矩和效率。
这适用于最终的应用是：自动装配系统，材料处理机器，3D打印机，笛卡尔定位器，蠕动泵，还是无数其他应用，其中步进电机是优选技术方案。
步进系统的最新发展是应用低成本，高分辨率的反馈设备和先进的DSP使步进运动形成一个闭环的环路。
这种控制可以提高闭环步进性能，使其优于开环系统。
正如我们所看到的，一个这样的闭环系统在集成电机设计上得以实现，包括反馈设备，驱动器和控制器板，电源，通信和I/O电子设备，以及电机侧面和背面的系统连接器。
开环与闭环步进系统比较首先让我们探讨高性能闭环步进系统在扭矩和效率方面与传统开环步进系统的比较。
闭环步进系统优于开环系统，如实验室测试结果所示，比较两个系统的加速度（扭矩），效率（功耗），位置误差（精度），发热量和噪音水平。
只考虑扭矩和加速度之间的关系。
扭矩-速度曲线显示闭环步进系统的峰值和连续扭矩范围明显优于开环步进系统的可用扭矩范围。
通常情况下，现实世界中的扭矩会转化为加速度-因此具有更大扭矩的电机可以更快地加速给定负载。
为了在实验室中测试扭矩性能的这种差异，同样大小的开环和闭环步进电机系统获得相同的惯性负载。
编程命令两个系统执行相同的移动配置文件，除了加速率和最高速度在每个系统中缓慢增加，直到它们产生定位错误。
这里我们有一个开环与闭环系统之间的移动剖面比较。
S7—200PLC的PTO在步进电机位置控制中的应用
S7—200PLC的PTO在步进电机位置控制中的应用研究了高速脉冲串输出在步进电机位置控制中的应用，包括应用PLS指令、MAP指令库及位置控制指令向导等方法。
给出了系统构成，说明了各种方法的应用。
对步进电机的位置控制有实际意义。
标签：S7-200；步进电机；位置控制；PTO；MAP；PLS引言作为自动控制系统中的执行元件，步进电机的应用十分广泛，主要原因是步进电机有很多优点，其中它的控制方法比较简单。
步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数。
可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，进行调速；可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，进行准确定位。
控制步进电机的方法较多，目前流行的是采用PLC通过步进电机驱动器来控制步进电机。
为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行控制。
为了实现对步进电机的开环定位控制，可以通过PLC控制输出脉冲来实现。
本文应用SIEMENS公司S7-200PLC来控制步进电机。
SIEMENS公司S7-200PLC 主要提供了以下几种方式的开环定位控制：脉冲串输出（PTO）、EM253位控模块、自由口通信等。
文章主要探讨PTO这种方式。
1 步进电机位置控制系统1.1 硬件系统步进电机位置控制系统由PLC、步进电机驱动器、步进电机和丝杠组成。
系统选择的PLC为SIEMENS公司CPU226DC/DC/DC型。
選用的步进电机是42H2P4812A4的两相混合式步进电机，该型号的步进电机步矩角为1.8°，相电流1.2A，静转矩4.5kg·cm，额定转速400rmp。
选用的驱动器型号为2MA320，该驱动器的供电电压DC12-36V ，驱动电流0.3-2.0A，细分精度1-128细分，可驱动任何2.0A相电流以下两相、四相混合式步进电机。
由于上述步进电机的相电流为1.2A，驱动器的SW1-SW3分别设置为：ON、OFF、OFF，即输出峰值电流为1.5A，SW5-SW7分别设置为ON、ON、ON，即细分设定为200步/圈。
《2024年步进电机驱动控制技术及其应用设计研究》范文
《步进电机驱动控制技术及其应用设计研究》篇一一、引言步进电机是一种通过输入脉冲序列来驱动转动的电机，其运动方式为离散化的步进动作。
步进电机广泛应用于精密定位、速度控制以及数字化系统等场景。
本文将针对步进电机驱动控制技术及其应用设计进行研究，深入探讨其原理、特点以及在各个领域的应用。
二、步进电机驱动控制技术原理步进电机主要由定子、转子和驱动器三部分组成。
定子上有多个磁极，转子则由多个磁性材料制成的齿组成。
驱动器根据输入的脉冲序列，控制定子上的电流变化，从而产生旋转磁场，使转子按照一定的方向和角度进行转动。
步进电机驱动控制技术主要包括以下几种：1. 恒流驱动技术：通过恒流源对步进电机进行驱动，保证电机在不同负载和转速下均能保持稳定的运行状态。
2. 微步技术：通过精细控制驱动器的脉冲序列，使步进电机在每个方向上实现微小角度的转动，从而提高电机的定位精度和运行平稳性。
3. 环形分布电流技术：通过对定子上的磁极进行环形分布电流的控制，实现对步进电机的持续运动控制，使得步进电机的转动更为流畅和准确。
三、步进电机驱动控制技术的应用设计步进电机驱动控制技术在各个领域有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 精密定位系统：步进电机的高精度定位能力使得其在精密定位系统中得到广泛应用，如数控机床、精密测量仪器等。
通过微步技术和环形分布电流技术的应用，可以实现高精度的定位和运动控制。
2. 速度控制系统：步进电机在速度控制系统中也有着重要的应用，如打印机、电动阀等。
通过调整脉冲序列的频率和占空比，可以实现对电机转速的精确控制。
3. 数字化系统：步进电机在数字化系统中也有着广泛的应用，如数字标牌、机器人等。
通过将步进电机的运动与数字信号进行映射，可以实现数字化的运动控制和显示功能。
四、应用设计实例分析以数控机床为例，分析步进电机驱动控制技术的应用设计。
数控机床是一种高精度的加工设备，其运动控制系统对加工精度和效率具有重要影响。
步进电机控制开题报告
步进电机控制开题报告一、研究背景步进电机是一种常用的电动机类型，其通过按照一定的顺序驱动电机的步进角度来实现精确控制。
步进电机广泛应用于各种自动化设备中，如机床、电子设备、3D打印机等。
因此，研究步进电机的控制方法和算法具有重要的理论和实际意义。
二、研究目的本文旨在探索步进电机的控制原理和方法，通过建立电机模型，分析电机的动态特性，并设计合适的控制算法，实现对步进电机的精确控制。
三、研究内容1.步进电机的原理和结构分析：介绍步进电机的基本原理，包括转子、定子结构，转子运动的工作原理等，并分析步进电机的特点。
2.步进电机控制的数学模型建立：建立步进电机的数学模型，包括转子位置、速度、加速度等的描述方式，以便后续的控制算法设计。
3.步进电机控制算法设计：基于步进电机的数学模型，设计合适的控制算法，如开环控制、闭环控制等，以实现对电机的精确控制。
4.控制系统实现与仿真：利用软件仿真工具，对设计的步进电机控制系统进行建模和仿真，评估系统性能，并对控制算法进行优化。
5.硬件实验验证：基于硬件平台搭建步进电机控制系统，设计相应的电路和接口电路，以验证控制算法的有效性和可行性。
6.实验结果分析和讨论：分析实际实验数据，评估步进电机控制系统的性能，并对仿真结果进行对比和分析，总结实验结果并提出改进方案。
四、研究方法1.理论分析：通过文献综述和相关资料的查找，对步进电机的原理、控制方法等进行深入研究和分析。
2.数学建模：根据步进电机的结构和运动特性，建立数学模型，描述电机的运动和控制过程。
3.算法设计：基于步进电机的数学模型，设计合适的控制算法，以实现精确控制。
4.软件仿真：利用软件仿真工具（如MATLAB、SIMULINK等），对设计的步进电机控制系统进行建模和仿真，评估系统性能。
5.硬件实验：搭建实验平台，将步进电机控制系统与硬件相结合，进行实际的控制实验，并采集实验数据。
6.数据分析与结果评估：对实验数据进行分析，评估步进电机控制系统的性能，并与仿真结果进行对比和分析。
步进电机梯形加减速实验实验原理
步进电机梯形加减速实验实验原理步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的电动机。
它以其精度高、定位准确和响应速度快等特点，在自动化控制系统中得到了广泛应用。
其中，步进电机梯形加减速实验是一种用于研究步进电机运动特性的实验方法。
步进电机梯形加减速实验的原理是通过调节电脉冲信号的频率和相序来控制步进电机的运动，实现不同速度下的加减速运动。
具体步骤如下：1.实验仪器准备：实验所需仪器包括步进电机、电流驱动器、控制器和计时仪等。
其中，电流驱动器用于提供电流给步进电机，控制器用于控制电流驱动器的工作状态，计时仪则用于测量步进电机的运动时间。
2.实验电路搭建：将电脉冲发生器的输出连接到控制器的输入口，控制器的输出口连接到电流驱动器的控制端口，电流驱动器的输出端口连接到步进电机的相线上。
同时，将电流驱动器的电源和步进电机的电源连接，确保实验电路可正常工作。
3.实验参数设置：根据实验要求，设置控制器的电流值、步进角度和加速度等参数。
其中，电流值决定步进电机的扭矩大小，步进角度决定电机每次接收到电脉冲后转动的角度，加速度则影响电机的加减速过程。
4.实验步骤控制：通过控制器调节电脉冲信号的频率和相序，可以实现对步进电机的控制。
通过改变电脉冲的频率和相序，可以控制步进电机的转动速度和运动方式。
在加减速实验中，可以通过逐步增加电脉冲的频率和相序，来实现步进电机的加速过程；通过逐步减小电脉冲的频率和相序，则可以实现步进电机的减速过程。
5.运动时间测量：通过将计时仪连接到步进电机上，可以测量电机在不同速度下的运动时间。
通过测量多次，可以得到步进电机的平均运动时间，并计算出电机的平均速度。
步进电机梯形加减速实验原理简单来说就是通过调节电脉冲信号的频率和相序来控制步进电机的转动速度和运动方式，从而实现不同速度下的加减速运动。
在实验中通过设置电流值、步进角度和加速度等参数，可以控制步进电机的性能。
通过测量电机的运动时间，可以得到步进电机的平均速度，并探究步进电机的运动特性。
毕业设计论文基于matlab的步进电机转速控制仿真（论文）
毕业设计论文基于matlab的步进电机转速控制仿真(论文)摘要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数字控制系统的发展步进电动机的应用逐渐扩大仿真环境下建立了步进电机模型不仅仿真结果与实物仿真一致而且其仿真方法简单仿真时间大大缩短是一种理想的步进电机仿真研究方法关键词仿真ABSTRACTGeneral Motors is a continuous rotation while the step is electric rotating step by step so called stepper motors Each input of a red signal the motor will turn a certain angle some stepper motors can be directly output line displacement known as the linear motor Therefore the stepper motor is a pulse into the point of displacement or linear displacement of the implementation of the components With the development of digital control systems stepper motor application gradually expanding Although the stepper motor has been widely used but the stepper motor does not like a normal DC motor AC motor used in the routine It must be double-ring pulsesignal drive circuit composed of control before useUsed in the product forming the beginning of Shang Ruoli simulation software circuit simulation is an important study of its Indispensable want of means to control program simulation environment for debugging not only without actually hardware better Bufen meet the engineering requirements Matlab language is a science and engineering calculations for high-level language which combines scientific computing automatic control signal processing neural networks image processing and other functions into one is an advanced mathematical analysis and computation software can be used as dynamic Modeling and Simulation MATLAB-Simulink simulation environment based on the establishment of a stepping motor under the model simulation results not only consistent with the physical simulation and the simulation method is simple the simulation time is shortened it is an ideal stepping motor simulation methodsKEY WORDS Stepper motor matlab simulation前言步进电机问世以后很快确定了自己的应用场合为开环高分辨率的定位系统工业应用发展到今已有约30年的历史目前还没有更适合的取代它的产品而且已经发展成为除直流和交流电机外的第三大类电动机产品但毕竟发展历史不长人们从应用的角度看仍有不成熟的感觉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摘要 1ABSTRACT 2前言 3第1章引言 511步进电机概述 512系统仿真技术概述713仿真软件的发展状况与应用 7第2章 MATLAB概要821 MATLAB概述822 概述10第3章步进电机基本原理 1131 典型结构和工作原理1132 旋转通电方式1233 小步距角步进电机1434 其他型式的步进电动机16com步进电动机1635 步进电机的控制方式21com机的开环控制21com 步进电机的闭环控制22第4章混合式步进数学模型及其建模2341 混合式步进数学模型2342 混合式步进电机的建模 27第5章步进电动机的驱动电源3051混合式步进电机的绕组通电方式305．2 两相双四拍环形分配器32第6章步进电机控制方式仿真结果3561 PID控制器 35comID控制器35参考文献38致谢40第1章引言步进电机最早是在1920年代由英国人所开发1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上对于数字化的控制变得更为容易往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11步进电机概述步进电机依其构造上的差异可分为三大类可变磁阻式VR型转子以软铁加工成齿状当定子线圈不加激磁电压时保持转矩为零故其转子惯性小响应性佳但其容许负荷惯性并不大其步进角通常为15°永久磁铁式PM型转子由永久磁铁构成其磁化方向为辐向磁化无激磁时有保持转矩依转子材质区分其步进角有45°90°及75°1125°15°18°等几种混和式HB型转子由轴向磁化的磁铁制成磁极做成复极的形式其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点精确度高转矩大步进角度小目前市场上所使用的工业用步进电机以混和式HB型最为普遍步进电机的特征步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制以5相步进电机为例其定位基本单位分辨率为072°全步级036°半步级是非常小的停止定位精度误差皆在±3分±005°以内且无累计误差故可达到高精度的定位控制步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度置及速度控制步进电机在输入脉冲信号时可以依输入的脉冲数做固定角的回转进而得到灵活的角度控制位置控制并可得到与该脉冲信号周波数频率成比例的回转速度具定位保持力步进电机在停止状态下无脉波信号输入时仍具有激磁保持力故即使不依靠机械式的刹车也能做到停止位置的保持动作灵敏步进电机因为加速性能优越所以可做到瞬时起动停止正反转之快速频繁的定位动作开回路控制不必依赖传感器定位步进电机的控制系统构成简单不需要速度感应器ENCODER转速发电机及位置传感器SENSOR就能以输入的脉波做速度及位置的控制也因其属开回路控制故最适合于短距离高频度高精度之定位控制的场合下使用中低速时具备高转矩步进电机在中低速时具有较大的转矩故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出高信赖性使用步进电机装置与使用离合器减速机及极限开关等其它装置相较步进电机的故障及误动作少所以在检查及保养时也较简单容易小型高功率步进电机体积小扭力大尽管于狭窄的空间内仍可顺利做安装并提供高转矩输出12系统仿真技术概述系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖关系构成的具有某种特定功能的有机整体系统的分类方法是多种多样的习惯上依照其应用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统工程系统的含义是指由相互关联部件组成的一个整体以实现特定的目的例如电机驱动自动控制系统是由执行部件功率转换部件检测部件所组成用它来完成电机的转速位置和其他参数控制的某个特定目标非工程系统的定义范围很广大至宇宙小至原子只要存在着相互关联相互制约的关系形成一个整体实现某种目的的均可以认为是系统如果想定量地研究系统地行为可以将其本身的特性及内部的相互关系抽象出来构造出系统的模型系统的模型分为物理模型和数学模型由于计算机技术的迅速发展和广泛应用数学模型的应用越来越普遍系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式用来表示系统运动过程中的各个量的关系是分析设计系统的依据从它所描述系统的运动性质和数学工具来分又可以分为连续系统离散时间系统离散事件系统混杂系统等还可细分为线性非线性定常时变集中参数分布参数确定性随机等子类系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科现在尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法计算机仿真的基本内容包括系统模型算法计算机程序设计与仿真结果显示分析与验证等环节13仿真软件的发展状况与应用早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段20世纪40年代模拟计算机仿真50年代初数字仿真60年代早期仿真语言的出现等80年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真方法注入了活力我国早在50年代就开始研究仿真技术了当时主要用于国防领域以模拟计算机的仿真为主70年代初开始应用数字计算机进行仿真[4]随着数字计算机的普及近20年以来国际国内出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具如CSMPACSL SIMNOM MATLAB MatrixSystem Build CSMP-C等第2章 MATLAB概要21 MATLAB概述MATLAB是国际上仿真领域最权威最实用的计算机工具它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件被誉为巨人肩上的工具MATLAB是一种应用于计算技术的高性能语言它将计算可视化和编程结合在一个易于使用的环境中此而将问题解决方案表示成我们所熟悉的数学符号其典型的使用包括数学计算运算法则的推导模型仿真和还原数据分析采集及可视化科技和工程制图开发软件包括图形用户界面的建立MATLAB是一个交互式系统它的基本数据元素是矩阵且不需要指定大小通过它可以解决很多技术计算问题尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题有时还能写入非交互式语言如C和Fortran等MATLAB的名字象征着矩阵库它最初被开发出来是为了方便访问由LINPACK 和EISPAK开发的矩阵软件其代表着艺术级的矩阵计算软件MATLAB在拥有很多用户的同时经历了许多年的发展时期在大学环境中它作为介绍性的教育工具以及在进阶课程中应用于数学工程和科学在工业上它是用于高生产力研究开发分析的工具之一MATLAB的一系列的特殊应用解决方案称为工具箱toolboxes作为用户不可缺少的工具箱它可以使你学习和使用专门技术工具箱包含着M-file集它使MATLAB可延展至解决特殊类的问题在工具箱的范围内可以解决单个过程控制系统神经网络模糊逻辑小波仿真及其他很多问题经过几十年的完善和扩充它已发展成线形代数课程的标准工具在美国MATLAB是大学生和研究生必修的课程之一美国许多大学的实验室都安装有MATLAB供学习和研究之用它集数值分析矩阵运算信号处理和图形显示于一体构成了一个方便的界面友好的用户环境其包含的SIMULINK是用于在MATLAB下建立系统框图和仿真环境的组件其包含有大量的模块集可以很方便的调取各种模块来搭建所构想的试验平台同时SIMULINK还提供时域和频域分析工具能够直接绘制系统的Bode图和Nyquist图MATLAB系统可分为五个部分MATLAB语言这是一种高级矩阵语言其有着控制流程状态功能数据结构输入输出及面向对象编程的特性它既有小型编程的功能快速建立小型可弃程序又有大型编程的功能开发一个完整的大型复杂应用程序MATLAB的工作环境这是一套工具和设备方便用户和编程者使用MATLAB它包含有在你的工作空间进行管理变量及输入和采集数据的设备同时也有开发管理调试 profiling M-files MATLABs applications Bessel功能和快速傅立叶变换MATLAB应用程序编程界面这是一个允许你在MATLAB界面下编写C和Fortran程序的库它方便从MATLAB中调用例程即动态链接使MATLAB成为一个计算器用于读写MAT-files22 概述是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包它支持线形和非线性系统能在连续时间离散时间或两者的复合情况下建模系统也能采用复合速率也就是用不同的部分用不同的速率来采样和更新提供一个图形化用户界面用于建模用鼠标拖拉块状图表即可完成建模在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型相对于以前的仿真需要用语言和程序来表明不同的方程式而言有了极大的进步拥有全面的库如接收器信号源线形及非线形组块和连接器同时也能自己定义和建立自己的块模块有等级之分因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模可以在高层上统观系统然后双击模块来观看下一层的模型细节这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用在定义了一个模型后就可以进行仿真了用综合方法的选择或用的菜单或MATLAB命令窗口的命令键入菜单的独特性便于交互式工作当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果进一步可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变仿真结果可以放到MATLAB工作空间来做后处理和可视化模型分析工具包括线性化工具和微调工具它们可以从MATLAB命令行直接访问同时还有很多MATLAB的toolboxes中的工具因为MATLAB和是一体的所以可以仿真分析修改模型在两者中的任一环境中进行小结综上所述利用MATLAB来仿真步进电机的运行情况可以帮助研究者更好更方便的了解步进电机的特性以便进一步改善其效率第3章步进电机基本原理31 典型结构和工作原理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励磁可分为反应式永磁式和感应子式按相数分则可分为单相两相和多相三种其中反应式步进电机用得比较普遍结构也比较简单所以以反应式步进电机为例介绍步进电机的工作原理反应式步进电动机的工作原理与反应式同步电机一样也是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的为了便于理解先以一个简单的三相步进电动机为例图 3-1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图 3-1 三相反应式步进电动机的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 013て23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13てC与齿3向右错开23てA与齿5相对齐A 就是A齿5就是齿132 旋转通电方式图 3-2 三相单三拍运行转子位置步进电动机的工作原理其实就是电磁铁的工作原理定子由若干相控制绕组构成每相依次通入直流电磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点如A相通电BC相不通电时由于磁场作用齿1和齿3与A A对齐如图3-2a所示如B相通电AC相不通电时齿2应与B对齐此时转子向右移过13て此时齿3与C偏移为13て齿4与A偏移て-13て 23て如图3-2b所示如C相通电AB相不通电齿3应与C对齐此时转子又向右移过13て此时齿4与A偏移为13て对齐如图3-2c所示如A相通电BC相不通电齿4与A对齐转子又向右移过13て这样经过ABCA 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13て向右旋转如按A-C-B-A通电电机就反转这种按A-B-C-A方式运行的称为三相单三拍运行所谓三相是指步进电动机具有三相定子绕组单是指每次只有一相绕组通电三拍指三次换接为一个循环第四次换接重复第一次情况除了这种运行方式外三相步进电动机还可以以三相六拍和三相双三拍运行三相六拍运行的供电方式是A-AB-B-BC-C-CA-这时每一循环换接6次总共有6种通电状态这6种通电状态中有时只有一相绕组通电如A相有时有两相绕组同时通电如A相和B相图3-3表示这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形开始时先单独接通A相这时与单三拍的情况相同转子齿1和3的轴线与定子极轴对齐如图3-3a所示当A和B两相同时通电时转子稳定位置将会停留在AB两定子磁极对称的中心位置上依此类推如果下面继续按照BC-C-CA-A的顺序使绕组换接那末步进电动机就不断按顺时针方向旋转当顺序顺序改为A-AC-C-CB-B-BA-A时步进电动机就反响即按逆时针方向旋转图 3-3 三相六拍运行aA相通电bAB相通电cB相通电dBC相通电可见单双六拍运行时步距角为15°比三拍通电方式时减小一半因此同一台步进电动机采用不同的通电方式可以有不同的拍数对应运行时的步距角也不同此外六拍运行方式每一拍也总有一相控制绕组持续通电也具有电磁阻尼作用电机工作也比较平稳33 小步距角步进电机以上这种结构形式的反应式步进电动机它的步距角较大常常满足不了系统精度的要求所以大多数采用如图3-4所示的定子磁极上带有小齿转子齿数很多的反应式结构其步距角可以做得很小下面进一步说明它的工作原理图3-4所示的是最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机定子每个图3-4 三相反应式步进电动机的结构极面上有5个齿转子上均匀分布40个齿定转子的齿宽和齿距都相同当A相控制绕组通电时转子受到反应转矩的作用使转子齿的轴线和定子AA′极下齿的轴线对齐因转子上共有40个齿其齿距角为定子每个极距所占的齿数为不是整数如图3-5所示因此当定子A相极下定转子齿对齐时定子B相极和C相极下的齿和转子齿依次有 13 齿距的错位即3°同样当A相断电B相控制绕组通电时反应转矩的作用下子按逆时针方向转过3°转子齿的轴线和定子B相极下齿的轴线对齐这时定子C相极和A相极下的齿和转子齿又依次错开 13 齿距依次类推若继续按单三拍的顺序通电转子就按逆时针方向一步一步地转动步距角为3°当然改变通电顺序即按A-C-B-A 电机按顺时针方向反转图3-5转子展开图 A相绕组通电若采用三相单双六拍的通电方式运行时和前面分析的道理完全一样步距角也减小一半为15°通过以上分析可知转子的齿数不能任意选取因为在同一相的几个磁极下定转子齿应同时对齐或同时错开才能使几个磁极的作用相加产生足够的反应转矩所以转子齿数应是定子磁极的偶数倍另外在不同相的磁极下定转子相对位置应依次错开 1m 齿距这样才能在连续改变通电状态下获得连续不断的运动否则当某一相控制绕组通电时转子齿都将处于磁路的磁阻最小的位置上各相绕组轮流通电时转子将一直处于静止状态电动机不能正常运行为此要求两相邻相磁极轴线之间转子的齿数应为整数加或减 1m 即3-1式中K 为正整数Zr 为转子的齿数2p 为一相绕组通电时在圆周上形成的磁极数图 3-5定转子展开图A相绕组通电如果以 N 表示步进电动机运行的拍数则转子经过 N 步将转过一个齿距每转一圈即360°机械角需要走NZr 步步距角为3-2N Cm式中C 为通电状态系数当采用单拍或双拍方式时C 1而采用单双拍方式时C 2由此可见增加拍数和转子的齿数可以减小步距角有利于提高控制精度增加电机的相数可以增加拍数也可以减小步距角但相数越多电源及电机的结构越复杂造价也越高反应式步进电动机一般做到六相个别的也有八相或更多相增加转子的齿数是减小步进电动机步距角的一个有效途径目前所使用的步进电动机转子的齿数一般很多对相同相数的步进电动机既可采用单拍方式也可采用单双拍方式所以同一台电机可有两个步距角如 3°15° 15°075° 12°06°等当通电脉冲的频率为时由于转子每经过 NZr 个脉冲旋转一周故步进电动机每分钟的转速为3-3式中的单位为 HZ可见反应式步进电动机的转速与拍数 N转子齿数 Zr 及脉冲的频率有关当转子齿数一定转速与输入脉冲的频率成正比改变脉冲的频率可以改变电机的转速34 其他型式的步进电动机com步进电动机图3-6是永磁式步进电动机的结构原理图定子为凸极式装有两相或多相绕组转子为凸极式星形磁钢其极对数与定子每相绕组的极对数相同图中定子为两相集中绕组AO BO 每相为两对极所以转子也是两对极即 p 2当定子绕组按 A-B –A - –B -A 的次序轮流通电时转子将按顺时针方向每次转过45°即步距角为45°永磁式步进电动机的步距角3-4用电弧度表示则有3-5式中p 为转子极对数图 3-6 永磁式步进电机由上可知永磁式步进电机要求电源供给正负脉冲否则不能运行这就使电源的线路复杂化了这个问题可通过在同一相的极上绕两套绕向相反的绕组电源只供给正脉冲的方法来解决这样做虽然增加了用铜量和电机尺寸但却简化了对电源的要求此外还有两相双四拍通电方式即AB-B –A - –A –B - –B A-AB永磁式步进电动机的特点是①大步距角例如②启动和运行频率较低通常为几十到几百赫兹但转速不一定低但它所需的③控制功率较小效率高④在断电情况下具有定位转矩⑤有强的内阻力矩主要用于新型自动化仪表com步进电动机混合式步进电动机也称为感应子式步进电动机这是一种十分流行的步进电动机它的定子铁心与反应式步进电动机相同也是两相集中绕组每项为两极对按A-B –A - –B -A次序轮流通以正负脉冲转子的结构与永久磁钢的电磁减速式同步电动机相同它既有反应式步进电动机小步距角的特点又有永磁式步进电动机的高效率绕组电感比较小的特点常常也作为低速同步电动机运行一两相混合式步进电动机的结构图3-7为两相混合式步进电动机的轴向剖视图定子的结构与反应式步进电动机基本相同沿着圆周有若干个凸出的磁极极面上有小齿极身上有控制绕组控制绕组的接线如图3-8所示转子由环形磁钢和两段铁芯组成环形磁钢在转子中部轴向充磁两段铁芯分别装在磁钢的两端转子铁芯上也有小齿两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距定转子的齿距和齿宽相同齿数的配合与单段反应式步进电动机相同图3-7混合式步进电动机轴向剖视图图3-8混合式步进电动机轴向剖视图二两相混合式步进电动机的工作原理混合式步进电动机作用在气隙上的磁动势有两个一个是由永久磁钢产生的磁动势另一个是由控制绕组产生的磁动势这两个磁动势有时是相加的有时是相减的视控制绕组中电流方向而定这种步进电动机的特点是混入了永久磁钢的磁动势故称为混合式步进电动机1零电流时工作状态各相控制绕组中没有电流通过这时气隙中的磁动势仅由永久磁钢的磁动势决定如果电机的结构完全对称各个定子磁极下的气隙磁动势将完全相等电动机无电磁转矩因为永磁磁路是轴向的从转子B端到定子的B端轴向到定子的A端转子的A端经磁钢闭合在这个磁路上总的磁导与转子位置无关这一方面由于转子不论处于什么位置每一端的不同极下磁导有的大有的小但总和不变另一方面由于两段转子的齿错开了半个齿距所以即使在一个极的范围内看当B端磁导增大时A端必然减小也使总磁导在转子位置不同时保持不变。
《2024年基于单片机的步进电机控制系统研究》范文
《基于单片机的步进电机控制系统研究》篇一一、引言随着科技的发展，步进电机因其高精度、低噪音、易于控制等优点，在各个领域得到了广泛的应用。
然而，传统的步进电机控制方式存在控制精度低、响应速度慢等问题。
因此，基于单片机的步进电机控制系统应运而生，其具有体积小、控制精度高、响应速度快等优点。
本文旨在研究基于单片机的步进电机控制系统的设计原理、实现方法以及应用前景。
二、步进电机控制系统的基本原理步进电机是一种将电信号转换为机械运动的设备，其运动过程是通过一系列的步进动作实现的。
步进电机的控制原理主要是通过改变电机的电流和电压，使电机按照设定的方向和速度进行旋转。
三、基于单片机的步进电机控制系统设计基于单片机的步进电机控制系统主要由单片机、步进电机驱动器、步进电机等部分组成。
其中，单片机是控制系统的核心，负责接收上位机的指令，并输出相应的控制信号给步进电机驱动器。
步进电机驱动器则负责将单片机的控制信号转换为适合步进电机工作的电流和电压。
在硬件设计方面，我们选择了一款性能稳定、价格适中的单片机作为主控制器，同时设计了相应的电路和接口，以实现与上位机和步进电机驱动器的通信。
在软件设计方面，我们采用了模块化设计思想，将系统分为初始化模块、控制模块、通信模块等部分，以便于后续的维护和升级。
四、基于单片机的步进电机控制系统的实现在实现过程中，我们首先对单片机进行了初始化设置，包括时钟设置、I/O口配置等。
然后，通过编程实现了对步进电机的控制，包括步进电机的启动、停止、正反转以及速度调节等功能。
此外，我们还实现了与上位机的通信功能，以便于实现对步进电机的远程控制和监控。
五、实验结果与分析我们通过实验验证了基于单片机的步进电机控制系统的性能。
实验结果表明，该系统具有较高的控制精度和响应速度，能够实现对步进电机的精确控制。
同时，该系统还具有较好的稳定性和可靠性，能够在各种复杂环境下正常工作。
此外，我们还对系统的抗干扰能力进行了测试，结果表明该系统具有较强的抗干扰能力。
步进电机闭环控制系统的研究与应用实践
步进电机闭环控制系统的研究与应用实践摘要：本文针对步进电机在直线运动和旋转运动两种状态下工作时所表现出来的不同特性，设计了一种以STC89C52单片机为控制器，以交流PWM功率放大器为执行元件，以CPLD为控制核心的闭环控制系统。
在系统设计时，不仅考虑了步进电机在运动过程中产生的电流和力矩等因素，同时也考虑了步进电机在启动和停止时可能出现的空载电压和电流等因素。
通过实验证明了该控制系统能够满足工程应用需要。
并且采用CPLD设计步进电机闭环控制系统具有较好的稳定性、可靠性、实时性和通用性，并具有良好的通用性。
该控制系统还可以进一步进行优化，使其在运行过程中能够快速准确地响应指令信号，从而更好地实现控制要求。
关键词：步进电机；闭环控制系统；研究；应用步进电机是一种将电脉冲的时间信号转换成角位移的旋转机械装置。
由于步进电机的旋转方向与电脉冲信号成一定的比例关系，并且具有线性好、结构简单、体积小、重量轻、惯性小等优点，所以步进电机在自动化控制系统中得到了广泛的应用。
在实际应用中，需要根据被控对象的具体特性来选择合适的控制方法和策略。
1.步进电机及其控制系统的基本原理它将交流电按固定周期沿一定的方向加到转子磁极上，使定子磁场产生感应电流，产生磁链，磁链再产生力矩，从而实现角位移。
为了提高步进电机的运行效率和稳定性，需要在其控制系统中增加控制环节，即对步进电机进行闭环控制。
步进电机的闭环控制系统主要包括：①输出驱动电路；②电流检测电路；③PWM波生成电路；④位置检测电路。
步进电机的工作过程为：当电源接通时，输出端（H）电压下降为零，此时电枢绕组中通入三相交流电；当电源断开时，输出端（L）电压上升为零，此时电枢绕组中通入三相交流电。
当H=0时，电枢绕组中的三相交流电通过绕组内的三条半圆线圈产生电磁力（即电动势），电动势通过接在A、B、C三相线上的三对线长不同的短线圈产生不同频率和相位的磁场（即电流），使绕组中产生一个脉冲电流；当H=0时，电流停止流过A、C三相线；当H=1时，电流停止流过A、C三相线。
单片机控制步进电机的原理
单片机控制步进电机的原理
单片机控制步进电机是通过对步进电机的相序进行控制，从而实现不同的转动效果。
步进电机通常由定子和转子组成，定子上的绕组接通不同的电流即可实现不同的步进角度。
在单片机控制步进电机过程中，首先需要电源为步进电机提供工作电压。
然后，通过单片机的输出引脚来控制步进电机驱动器的相序，驱动器根据接收到的相序信号，将不同的电流通入步进电机的不同相序绕组，从而引起转子的步进运动。
单片机通常会配置一个时序驱动器，用来产生相序信号。
时序驱动器内部会保存一个相序表，包含所有可能的相序组合。
单片机通过改变时序驱动器的输入信号，来改变驱动器输出的相序信号，从而实现对步进电机的控制。
在实际应用中，单片机一般使用脉冲信号来驱动步进电机。
每个脉冲信号会引起步进电机转动一个固定的角度，这个角度取决于步进电机的结构特性，如步距角等。
通过改变脉冲信号的频率和相序，可以控制步进电机的转速和转向。
例如，正转时，依次给出相序A、B、C、D；反转时，依次给出相序D、C、B、A。
这样，单片机通过控制相序信
号的变化，就能控制步进电机的运动模式。
除此之外，单片机还可以结合其他传感器信息来实现更复杂的步进电机控制。
例如，通过接收光电传感器的信号，可以实现步进电机在指定位置停止；通过接收陀螺仪的信号，可以实现
步进电机的姿态控制等。
总之，单片机控制步进电机的原理是通过改变步进电机的相序，从而控制步进电机的转动效果。
这样的控制方式简单可靠，广泛应用于各种工业自动化和机器人控制领域。
基于模糊PID控制的步进电机自动聚焦的研究
２０ ０ ８年 １ ２月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＡＬ ＥＮＧＩ Ｃ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴ０Ｍ ＡＴ１ ０Ｎ
Ｎｏ．６
Ｄｅ ． ｃ
文 章 编 号 ：６２６ １ （０ ８ ０— １２０ １ ７—４ ３ ２ ０ ）６０ ５—３
・１ ３・ ５
了使步进 电机 的响应 速度 加快 ， 运行 平稳 ， 噪声 降低 ， 采用 图 ２中实线 的控 制过 程是很 理想 的 。本论 文 正是 基 于这种 控制 策略 ，同时 为 了精 确控制 步进 电机 的速 度 ，采用 Ｆ ｚｙ Ｉ ｕｚ —Ｐ Ｄ控 制Ｌ 。 ２ ］ 我 们设 计 了一 种 参 数 因子 自调 整 的 Ｆ ｚｙ Ｉ ｕ ｚ —Ｐ Ｄ
动 机 构 和传 动 机 构组 成 的三 维精 密定 位 系统 。模 糊 Ｐ Ｄ 控制器 的 突出优点 是系统在 参数 变化 、负载扰 动 Ｉ
光
图 １ 一 体 化 摄 像 头 控 制 系 统 原 理 图
由于 自动聚焦 系统本 身是一 套 闭环 控制 系统 ，首
晰对焦 ，如果对 焦不清 晰 ，该模 块还 要估计 图像 的离
图 ２ 最佳 控 制 曲线
图 ３ Ｆ ｚｙ Ｉ 控 制 原 理 图 ｕ ｚ —Ｐ Ｄ
清 晰化计算 ，可 以求 出 对应论 域 中的隶 属度最 大的 元素 ，这个 元 素就是输 出控 制 的清晰值 。计 算机离线 运算 得到 的模糊控 制器 的总控 制表 经过 系统在 线反 复 调试 、修 改 ，最 后 由一个查 询该表 的子 程序 管理 ，得 到 系统模 糊控 制查 询表 （ 表 ２ ，利用模 糊 控制 器对 见 ）
图 ５ 。
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。
步进电机毕业设计
步进电机毕业设计步进电机毕业设计引言：在现代工业自动化领域，步进电机作为一种常见的执行器，广泛应用于各种机械设备中。
其特点是控制精度高、运动平稳、结构简单等，因此在毕业设计中选择步进电机作为研究对象是一种不错的选择。
本文将介绍步进电机的原理、设计要点以及实验过程和结果。
1. 步进电机的原理步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的电动机，其工作原理基于磁场和电流的相互作用。
步进电机通常由定子和转子两部分组成，定子上布有相互平行的线圈，而转子上则有磁极。
当线圈通电时，产生的磁场与转子上的磁极相互作用，从而使得转子发生旋转。
2. 步进电机的设计要点在进行步进电机的毕业设计时，需要考虑以下几个重要的设计要点：2.1 选型和参数确定步进电机的选型和参数确定是设计的第一步。
需要根据实际需求确定电机的转矩、步距角、额定电流等参数。
同时，还要考虑电机的尺寸和重量等因素，以便与实际应用场景相匹配。
2.2 驱动电路设计步进电机的驱动电路设计是关键之一。
通常采用的是双H桥驱动电路，其作用是将控制信号转化为合适的电流输出，从而驱动步进电机旋转。
在设计过程中，需要考虑电流的控制方式、保护电路的设计以及电源的选择等因素。
2.3 控制算法设计步进电机的控制算法设计是保证电机正常运行的关键。
常用的控制算法包括开环控制、闭环控制以及微步控制等。
在设计过程中，需要根据实际需求选择合适的控制算法，并进行相应的编程实现。
3. 步进电机毕业设计的实验过程和结果在步进电机毕业设计的实验过程中，首先需要进行电机的装配和接线工作。
然后，根据设计要点进行驱动电路和控制算法的设计与搭建。
接下来，通过编写相应的程序代码，实现步进电机的控制和运动。
最后，通过实际测试和数据分析，验证设计的可行性和性能指标。
实验结果显示，设计的步进电机能够按照预定的控制信号进行准确的旋转运动。
其转矩和步距角等参数符合设计要求，并且具有较高的控制精度和运动平稳性。
同时，实验还验证了所设计的驱动电路和控制算法的可靠性和有效性。
步进电机控制系统建模及运行曲线仿真
22
电
机
与
控
制
学
报 !( t) = A [ 1- cos( #1 t) ] , f ( t) =
t
第 15卷 ( 12 )
1
变化的特点 , 同时由于在开始加速和加速完成的时 刻 , 加速度存在突变, 冲击函数 jerk ( 加速度对时间 的微分 ) 具有无穷值 , 过渡过程不够平滑, 对系统的 平稳运行带来不利影响。 2 2 指数型加速度加速 指数型加速度加速为 S 型加速的一种 , 该加速 过程分为 3 个阶段 : 加加速度阶段, 恒加速度阶段 , 减加速度阶段。经过该加速过程得到的速度曲线为 S 型 , 故而得名。 设角加速度为 ! , 指数变化, 初始时刻点为 t0, 得到: !( t) = M e
um ( t) = Rm im ( t ) + d
j= 1
Lm j im ( t) /d t,
( 1)
式中: um 为第 m 相电压; im 为第 m 相电流; R m 为第 m 相电阻; Lm j 的意义 为: 当 j ! m 时 为两相 之间互 感 , j = m 时为第 m 相自感。不考虑互感的影响 , 省 略下标 m, 相电压平衡方程可一般地表示为 u( t ) = R i ( t) + d (L s ( ) i ( t) ) /d t。 ( 2) L s 为自感, 与转子位置角 有关。在忽略高次 谐波时 , L s 可表示为 L s ( ) = L 0 + L 1 cos 2
中图分类号 : TM 383 6 文献标志码 : A 文章编号 : 1007- 449X ( 2011) 01- 0020- 06
M odeling of stepper m otor control system and running curve si m ulation
基于STM32的步进电机多轴速度控制方法研究与实现
基于STM32的步进电机多轴速度控制方法研究与实现王昊天;于乃功【摘要】在机器人多轴电机控制过程中,发现带载情况下如果电机起步速度过快会导致电机堵转问题,很需要一种可以实现电机匀加速的精确控制方法;文章借助于STM32F103,通过其I/O口输出矩形波脉冲序列的方式控制步进电机驱动器或伺服驱动器,从而实现对步进电机的位置和速度控制;通过修改定时器值实现梯形加减速轨迹,使步进电机运行具有较好加减速性能;另外,由于STM32F103芯片具有高速定时器,可以通过配置定时器输出和插补运算相结合方法,实现对多轴(多个电机)的控制;该方法对于嵌入式步进电机控制器的开发具有很好的参考价值.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2019(027)009【总页数】6页(P95-99,108)【关键词】机器人;定时器;多路脉冲输出;梯型加减速算法;步进电机控制器【作者】王昊天;于乃功【作者单位】北京工业大学信息学部,北京100124;计算智能与智能系统北京重点实验室,北京100124;数字社区教育部工程研究中心,北京100124;北京工业大学信息学部,北京100124;计算智能与智能系统北京重点实验室,北京100124;数字社区教育部工程研究中心,北京100124【正文语种】中文【中图分类】TP230 引言随着自动化设备和机器人需求的稳步增长，作为它们的关键驱动部件步进电机或伺服电机配套的驱动器及脉冲控制器需求也相应增加，而常用的脉冲控制器一般情况下依靠PLC即可实现，但其在机器人控制中无法灵活使用，所以很有必要开发一款基于STM32的实时定时脉冲发生器。
并且STM32F103芯片也有结构简单[1]，成本低廉，占用空间小等诸多优点。
电机起步速度过快时会发生堵转，具体原因是因为由静止状态到动态，如果速度过高的话，会引起各轴之间产生冲击，超程，失步等现象[2]，而停止时因为工件在快速运行状态，若突停的话，因机械惯性较大，严重的话会引起机械损伤，或定位不准现象为了使执行机构能平稳定位，就要求电机在开机速度达到给定进给速度的过程中有一个加减速过程，使其能平滑过渡，避免电机速度突变给其带来损伤。
舞台电脑灯用步进电动机控制技术研究
微 电机
２０ ０ ７年
第４ ０卷
第１ （ 期 总第 １７期） ５
中图分类号 ：Ｔ ８ ． Ｍ３３ ６
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１０ －８ ８ ２０ ） １ ０ ８０ ０ １６ ４ （０ ７ ０ － ６ －３ ０
舞 台 电脑 灯 用 步 进 电动 机 控 制 技 术研 究
任 慧，王 坤 ，纪蕴 宜
１０ ２ ） ０ ０４ （ 中国传媒大学 信息工程学 院，北京
摘
要 ： 目前 ，舞 台电脑灯控 制 系统普遍 采 用 ５ ｌ系 列单 片机 控 制 微 型 步进 电机 。这 种单 片机 的
运 算能 力和存储 空 间有 限 ，而且 系统结 构复 杂 ，维 护 困难。 文 章提 出采 用 Ａ Ｍ 微处 理 器 作 为核 Ｒ 心部 件 ，控制 电脑灯 的母 板 和子板 ， 由母 板 和 子 板 分 别 控 制 步 进 电机 ， 系统 结构 简 单 ，实 时 性 好 ，便 于更 新维 护 ，可扩展 性也好 。 关键 词 ：舞 台电脑灯 ；微处 理器 ；步进 电动机 ；控制 ’
ａ ｒ ｓｎ ， ｂ ｔ ｈ ｐ ｒｔ ｎ ｌｃ ｐ ｂｌ ｎ ｍｏ ｓ ａ ｅｏ ｕ ｈ ｓ ｇｅ ｈｐ ｉ ｌ ｔｄ， ａ ｄｔ ｉ ｔｐ ｔ ｅｅ ｔ ｕ ｅ ｏ ｅａｉ ａ ａ ａ ｉｔ ａ ｄ ｍｅ ￣ ｐ ｃ ｆｓ ｃ ｉ ｌｃ ｉ ｉ ｅ ｐ ｔ ｏ ｉ ｙ ｎ ｓ ｍｉ ｎ ｈｓ ｙ ｅ
这种单片机系统资源有 限，运算 能力和存储空 间 都有 一定 限 制 ，每 个 单 片机 控 制 的 步 进 电机 数 量 较少 ，而每台电脑灯 中使用的步进 电机数量较多。
Ｒ ｉ Ｗ ＡＮＧ Ｋｕ ＥＮ Ｈｕ ， ｎ， Ｊ ｎ ｙ ＩＹｕ —ｉ
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步进电机控制系统的研究
杨杰1李学佳2崔二华3韩永清4
英利能源(中国)有限公司河北省保定市071051
摘要：步进电动机由于用共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。
关键词：步进电机电机控制系统
中图分类号：TM3文献标识码：A文章编号：
前言
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。
一、步进电机概述
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件，具有快速启动和停止的能力。
当负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值时，它就可能在一瞬间实现启动和停止。
它的步矩角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件(如温度、气压、冲击和振动等)的影响，仅与脉冲频率有关。
它每转l周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。
正是因为步进电机具备上述优点，它已经被广泛地用于自动控制系统中作为执行元件。
但大多数设计人员常常习惯于用逻辑电路实现复杂的步进电机的控制，虽然已经取得很大成效，但实现起来成本高、费时多，而且一旦组成了电路，就很难再改动，因此不得不完全重新设计控制器。
微处理器与微计算机的先进技术和低廉的价格，给步进电机的控制开创了一个新的局面。
人们完全可以借助于软件来对步进电机实施控制，从而实现复杂而
成本又不高的控制系统，同时还可以很灵活地通过改变程序来改变控制方案。
二、步进电机控制系统细分驱动原理
步进电机的工作原理本质上靠励磁绕组产生的旋转的合磁场带动转子做同步运动翻。
不细分时步进电机的合磁场将以一个固定的角度旋转，如果对这个角度进行细分，那么就可以实现对步距角的细分。
由于励磁绕组通电之后产生磁通量正比于电流的大小。
因而只要控制各个绕组的电流的大小和方向就可以控制步进电机各个绕组产生的合磁场的大小和方向。
当步进电机工作在整步或半步时，只需对绕组进行正、反向通断电控制。
工作在细分状态下就需要精确控制流过绕组电流的大小。
细分驱动技术主要是通过对步进电机的相电流进行阶梯化控制，使电机以足够小的单位步距角运行。
从而减小步长和低频振动。
提高电机的运行分辨率。
通过对相电流的均匀细分就能使步距角均匀n细分，这是在相电流与步距角之间为线性关系的前提下才能成立的。
而实际上。
由于步进电机磁化曲线本身的非线性和磁滞现象等因素的影响，等分相电流并不能等分步距角，而必须根据步距角和相电流的关系曲线，对各相电流加以控制和修正，才能实现步进电机步距角的均匀细分。
另一方面合成磁场的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。
因此提出了一种恒流均匀细分控制的方法，它的基本思想是：维持步进电机内部合成磁场的幅值恒定，合成磁场的方向均匀变化。
对于那种完全用硬件来实现步进电机细分的驱动电路，要进行恒力矩均匀细分控制是相当困难的，但是对于单片机控制的步进电机细分驱动电路，实现这种控制就容易多了，它通过软件可以相应的数字量存储于EPROM的不同区域，采用软件查表法输出细分电流的控制信号。
三、步进电机控制系统
本系统采用单片机控制步进电机，可以很方便地使不同相数的步进电机按任一种可行的通电方式进行控制。
图1是单片机控制步进电机系统的原理框图。
圈1单片机控制步进电机系统原理框图
1单片机及其接口电路
本系统以MCS51系列8031单片机作为整个系统的控制中枢。
由于考虑到系统的扩展，外接可编程的I／O接口芯片825用于LED显示、打印机、步进电机等的接口。
图2是单片机及其接口电路的原理框图。
图2单片机及其接口电路原理框图
2系统直流电源
微型计算机及其接口一般要求一种或多种电源电压，这些电压的波动必须保持在标称值的±5％以内，具有足够的稳定度，否则整个系统就难以做到稳定地工作，而且也会影响测量的精度。
根据系统的要求，设计了+5V和+24V直流电源，如图3所示。
图3系统直流电源
图中采用三端集成稳压器，提高了整个控制系统的可靠性。
所谓集成稳压器一般是指把经过整流的不稳定电压转换成为稳定的输出电压的集成电路。
这类器件一般具有较好的电压调整特性、负载调整特性、抑制输入电压交流成分特性、温度稳定性和过热、过电流及安全工作区自动保护功能。
3步进电机驱动电路
本系统以单片机的I／O 口8255A 口作为单片机与步进电机的接口。
由于A 口驱动能力有限，而被控制的步进电机要求高电压和大电流，所以在A 口之后必须加一个驱动电路。
图4所示为步进电机的驱动电路。
图4步进电机驱动电路
图中只画出一相的驱动电路，其余两相与之完全相同。
在图4中，三极管T 1起着开关的作用。
当三极管截止时，无集电极电流流通，开关相当于断开；当三极管饱和时，流过最大的集电极电流，开关相当于闭合。
而开关作用可由加于基极的电流来控制。
驱动电路由T 2T 3。
两个三极管组成达林顿式功率放大，驱动步进电机的3个
绕组，使电机绕组的静态电流达到近2A。
电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号加以隔离。
当控制输入信号为低电平时，T 1截止，输出高电平，则红外发光二极管截止，光敏三极管不导通，因此
绕组中无电流流过；当输入信号为高电平时，T 1饱和导通，于是红外发光二极管
被点亮，使光敏三极管导通，向功率驱动级晶体管提供基极电流，使其导通，绕组被加电产生电流。
步进电机绕组中串联电阻R a 的目的是为了限制绕组中的电流，因为绕组的直
流电阻很小。
绕组并联一个二极管是为了在绕组断电时提供磁能释放回路，而不致使晶体管损坏。
电路中使用光耦合器件的作用主要体现在以下3方面：
(1)实现微计算机与外部现场不同电平之间的转换。
(2)实现微计算机与外部现场的隔离，防止外部干扰窜人微机内部造成破坏，保证系统安全可靠地工作。
(3)实现微计算机系统的地线与外部现场的地线分别连接，用以消除地线干扰，同时可利用光电隔离管的低通低能去掉现场窜人的高频干扰信号，提高系统的可靠性。
三、步进电机控制程序的设计
1中断服务程序
产生定时中断，主要用来完成计算和控制。
本系统利用T
2步进电机控制子程序
步进电机各相绕组通电顺序不同，转动方向就不同。
步进电机控制子程序的主要任务是判断旋转方向，按顺序送出控制脉冲，并判断所要送的脉冲是否送完。
本系统步进电机采用三相六拍运转方式。
若步进电机按A—AB—B—Bc—c—cA—A顺序通电，步进电机正转；若按相反方向通电，步进电机反转。
产生时序脉冲的方法是：
(1)用单片机的I／0口8255A口低三位分别控制三相步进电机的A、B、C 相绕组。
(2)根据控制方式找出控制模型。
(3)按控制模型的顺序，向步进电机输入控制脉冲。
根据以上思路编写步进电机控制子程序的流程图，如图5所示。
其中，步进电机所要走的步数需事先存放在寄存器中，转向标志可以存放在程序状态寄存器用户标志位中。
当标志位为零时，步进电机正转；当标志位为“1”时，步进电机反转。
正转和反转模型分别存放在片内或片外RAM中。
图5中断服务程序流程图
结束语
本文所研究的步进电机控制系统的脉冲检测，中断处理，现场保护，重置初态．恢复控制等，对于用软件实现直线扦补的步进电机控制系统具有重要的意义。
参考文献
[1]朱海君,张硕成,乔卫民,梁义海.步进电机控制系统的设计及其应用[J].核技术.2005(06)
[2]姜德美,谢守勇,甘露萍.步进电机启动控制算法设计[J].西南大学学报(自然科学版).2007(05)
[3]庹朝永.步进电机驱动器的设计问题初探[J].湖南农机.2010(11)
[4]李君凯.步进电机控制系统[J].自动化与仪器仪表.2003(01)
步进电机控制系统的研究
作者：杨杰， 李学佳， 崔二华， 韩永清
作者单位：英利能源(中国)有限公司
刊名：
城市建设理论研究（电子版）
英文刊名：ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu
年，卷(期)：2013(23)
本文链接：/Periodical_csjsllyj2013232660.aspx。