步进电机的运动控制

发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短， 步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率， 就可以对步进电机进行调速。


（1）步进电机的启动停止
启动：当系统需要启动步进电机的时候，这里会需要 一个等待操作，所以在单片机程序设计中，系统程序 会一直循环在启动函数内。硬件设计中，设置了一个 “启动”按键，按下即可以跳出启动函数的循环，这 样确保了功能的实现和系统的稳定性。 停止：由于停止功能具有随时性，所以在系统中采用 中断的方法，可随时终止运行。
步进电机开环伺服系统的一般构成


2.2步进电机的闭环控制
步进电机的闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度 ，通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲序列。 采用闭环控制，不仅可以获得精确的位置精度和速度控制， 而且扩大步进电机的应用领域。

2.2步进电机的闭环控制
闭环控制的优点
能抑制干扰 对元件特性变化不敏感 能改善系统的响应特性。


（3）步进电机方向控制
步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。 三相步进电机有三种工作方式： 单三拍，通电顺序为 A B C ； 双三拍， 通电顺序为 AB BC CA ；


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

同理，可以得出双三拍和三相六拍的控制模型： 双三拍 03H，06H，05H 三相六拍 01H，03H，02H，06H，04H，05H 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型， 如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。

三相双三拍步进电机控制流程图


（5）步进电机位移定位控制
步进电动机的位移定位控制，是指通过实时控制步进电机，使其 带动的执行机构从一个位置准确位移到另一个位置。

这里的系统设计是建立在一个极坐标的平面参考系上，即在一定 范围内，任何一点都可以用极坐标来表示。通过相应的三角函数 定理计算出点与点之间的角度与距离，步进电机每移动一步，步 数就会减1，假设目前没有失步，当执行元件到达相应的位置时 ，此时步进电机的步数正好变成0。因此，用步进电机是否等于0 来判断是否移动到目标位，从而作为电机停止运行的信号。
步进电机的启动停止控制 加减速控制 旋转方向控制 角度定位控制 位移定位控制
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由 单片机产生。其基本原理作用如下： （1）控制换向顺序 通电换向这一过程称为脉冲分配，例如三相步进电机的 三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C,通电控制脉冲必 须严格按照这一顺序分别控制A,B,C相的通断。 （2）控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换向通电，步进电机正转，如果 按反序通电换向，则电机就反转。 （3）控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，如果再
单片机
接口
接口
功率驱动器
步进电机
光电脉冲编码器
4.系统构成


控制部分：单片机
之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，它不仅增加了安装调试的复杂度，还会 消耗大量的组件，而且一旦改变了控制方案，就必须 重新去设计系统，包括电路的设计与测试、元器件的 更换与调试，从而不利于系统的升级。 基于单片机的控制系统，通过软件对步进电机进行控 制，可以更好的发挥步进电机的潜力，能够用最低成 本去优化系统，大大节约了系统升级的难度与成本。

下面就是关于如何计算当前位置与目标位置的 偏移角度及距离。

步进电机位移轨迹

Байду номын сангаас
在这里需要说明一下执行机构，步进电机经常配套用 的是滚珠丝杠，示意图。它的主要功能是可以让旋转 运动转换成线性运动。
滚珠丝杆示意图
环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系 加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和 断开，并根据指令使电动机正转或反转，实现确定的运 行方式。环形分配器可以由硬件和软件两种方式实现。 硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成的逻辑 电路构成。特点：直观、维护方便、响应速度较好。 软件环形分配器受微机运算速度限制，难以满足高速 实时控制的要求。


（1）设置输出接口
以单片机80C51和P1口配置为例。 脉冲经80C51的并行I/O接口P1输出至步进电动机 各相，如图所示。
C相 B相 A相


（2）设计环形分配子程序
P1口是可编程I/O口。 运行程序时，对应存储器单元的内容送到P1口，使 P1.0、P1.1、P1.2依次发送信号，从而使绕组轮流通 电。 正转（反转）时，（反相）依次输出表中各单元内容 ，输出状态是表底（表首）状态时，修改索引值使下 一次输出重新为表首（表底）状态。


功率放大电路
一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力 。 要求： ① 提高步进电动机的快速性； ② 提高步进电动机的平稳性。 常见的功率放大电路有：单电压限流型驱动电路、 高低压驱动电路、斩波恒流功率驱动电路、升频升压 驱动电路、集成功率驱动电路。

3.1步进电机的开环控制系统
闭环控制的缺点
反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起 系统的不稳定。
3.步进电机的控制系统


3.1步进电机开环控制系统
3.1.1串行控制
具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间具有
较少的连线。这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器，其功
能框图如下所示。

环形分配器
R和R*分别为双三拍运 行和六拍运行的复位端 。当R加上正脉冲，ABC 的状态为110，而R*加 上正脉冲后，ABC的状 态为100，以避免ABC出 现000或111非法状态。

软件环形分配器
一般微机系统需要进行如下设置： （1）设置输出接口 设输出口的P1.0接A相；P1.1接B相；P1.2接C相。 （2）设计环形分配子程序； 在存储器中建立环形分配表； （3）设计延时子程序。 设计延时子程序来控制步进频率。


步进电机的运动要有一电子装置进行驱动，这种装置 就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信 号，加以放大以驱动步进电机。 步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进 电机脉冲信号的频率，可以对电机精准调速；控制步 进脉冲的个数，可以对电机精确定位。
2.步进电机的控制分类

2.1步进电机的开环控制



（4）步进电机角度定位控制
角度定位控制是基于步进电机驱动的原理。它的角位移量与输入 脉冲数量成比例。 通过按下“角度控制”按键，就进入步进电机角度设定环节，在 此环节内，量值增减两个按键就可以调整角度的大小，并实时显 示在LCD显示屏上，当再一次按下“角度控制”的按键时，即完 成角度设定，此时步进电机开始按已设定好的角度运行，完毕即 自动锁定停止。


驱动部分
在基于单片机控制步进电机系统中，对于步进电机的驱 动一般有两种方法： ① CPU直接来驱动，因为单片机引脚输出的电流较小， 不能驱动步进电机，所以这种方法不可行。 ② CPU间接来驱动。其过程是把从单片机引脚输出的脉 冲信号通过相应的驱动器进行调控与放大，然后再来驱 动步进电机。

步进电机驱动方式可以分为四种， 单电压驱动 高低压驱动 调频调压驱动 斩波恒流驱动

硬件环形分配器
集成脉冲分配器——CH250环形脉冲分配器是三相步 进电动机的理想脉冲分配器。通过其控制端的不同接法 可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式。
CH250环形脉冲分配器的功能关系如表所列
CH250有A、B、C三个输出端，当输入端CL或EN加 上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的 要求。 若采用CL脉冲输入端时，是上升沿触发，同时EN 为使能端，EN＝1时工作，EN＝0时禁止。反之，采用EN 作时钟端，则下降沿触发，此时CL为使能端，CL＝0时工 作，CL＝1时禁止。


（2）步进电机的加减速控制 在点－位控制过程中，运行速度需要有一个“ 加速－恒速－减速－低恒速－停止”的加减速 过程。点－位控制的加减速过程。

由步进电机运行特征可知，脉冲频率决定电机转速。 在此电路中，电机的转速控制主要是通过外部中断来 实现的，分别是通过“加速”“减速”按键控制中断 ，从而改变了步进电机的输出脉冲频率。
3.1.2并行控制
用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各 相驱动电路的方法称为并行控制。在驱动电源内，不包 含环形分配器，其功能必须由微机系统完成。
3.步进电机的控制系统

3.2步进电机闭环控制系统
（1）开环控制步进电机驱动系统的输入脉冲不依赖于转子的位 置，而事先按照一定规律给定。缺点是电机输出转矩加速度在很大 程度上取决于驱动源和控制方式。对不同电机或同种电机而不同的 负载，很难找到通用的加减速规律，因此，提高步进电机的性能指 标受到限制。 （2）闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，并通过 反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲串。用闭环控制可获得更 加精确的位置控制和较高、较平稳的转速，且可在步进电机的其它 领域内获得更大的通用性。 （3）步进电机的输出转矩是励磁电流和失调角的函数。为获得 高输出转矩，必考虑电流的变大和失调角的大小，这对开环控制很 难实现。


步进电机闭环控制方案主要有核步法、延迟时间法、有位置传感器的闭 环控制系统等。 用光电脉冲编码器作位置检测元件的闭环控制原理如下图。其中编码 器的分辨率必须与步进电机步距角匹配。编码器直接反映参数切换角， 但编码器相对于电机位置固定。因此，发出相切换的信号一定，只能是 一种固定的切换角数值。用时间延迟法，可获不同的切换角，使电机产 生不同的平均转矩，得到不同的转速。
步进电机运动控制


主讲人：龚胜 专业: 机械工程
主要内容

1.运动控制系统简介 2.步进电机的控制分类 3.步进电机的控制系统 4.系统构成 5.运动控制的实现
1.运动控制系统简介

运动控制系统是一门有关如何对物体位置和速度进行 精密控制的技术，典型的运动控制系统由三部分构成 ：控制部分、驱动部分、执行部分。
基本思路就是：始终保持绕组电流为额定电流值，而不管在步 进电机此时运行的状态。 优点：这样可以使整个系统的功耗下降，稳定性较高，同时由 于保持工作额定电流，使得工作效率也能极大的提高。



执行部分：步进电机
（1）永磁式步进电机
（2）反应式步进电机 （3）混合式步进电机
4.运动控制的实现



环形分配表




（3）设计延时子程序（速度控制） 控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发 出脉冲的频率或者换相的周期。系统可以用两种方法 确定脉冲的周期（频率）： ①软件延时 软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现 的，它占用CPU时间。 ②定时器 定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实 现，不占用CPU资源。