步进电机转速控制系统
课程设计报告
题目：步进电机转速控制显示系统
学生姓名：陶宁
学生学号：
系别：电气信息工程
专业：自动化
届别： 2013届
指导教师：苗磊
电气信息工程学院制
2012年5月
步进电机转速控制显示系统
学生：陶宁
指导教师：苗磊
电气信息工程学院自动化系
1课程设计的任务与要求
课程设计的任务
对于步进电机的进行转速控制，包括正转与反转，并且通过LCD显示。
课程设计的要求
该设计要求通过程序实现单片机对电动机进行控制。共包含五个键盘，分别操控正转、反转、停止、加速、减速。并且讲电动机的转动状态反映在LCD上。
课程设计的研究基础
2步进电机转速控制显示系统方案制定
方案提出
方案一：使用开关直接控制电动机的正反转以及转速控制，此种设计非常简便易操作，共两个开关控制。
图1 方案一
方案二：使用四个五个开关分别控制电机的正转、反转、停止、加速、减速。
图2方案二
方案比较
方案一：本方案十分简单，除了实现正常的正转反转，只能实现步进电机的正转加速，还有反转减速，并不能实现正转减速或者反转加速等功能。程序设计上比较简单，实用性不大。
方案二：本方案较方案一复杂些，并且成功的实现了电机的正转加速和减速，反转的加速和减速，简单明了，控制范围更大，实用性更强。但是由于复杂性增加，程序的编写难度上就增加了。
方案论证
对于以上两个方案比较分析得出：方案二成功的实现了方案一所有的功能，而且其他功能上更加全面。使用上也更加易操作。方案一对于简单的应用可以适用，但局限性很大，有时无法实现必要的功能。
方案选择
根据以上的比较论证，选择方案二。
3 步进电机转速控制显示系统方案设计
各单元模块功能介绍及电路设计
该设计分为控制模块，驱动模块，显示模块。
控制模块：五个开关控制单片机的输入高低电平，通过单片机的接口功能设计程序控制输出电平的高低最后达到控制电动机正反转的功能。
驱动模块：通过单片机的到控制步进电机之前的放大噐ULN2003A，从而达到控制步进电机转速的效果。
显示模块：通过单片机中的到和控制LCD 12864，以显示目前电动机的状态。
电路参数的计算及元器件的选择
12864液晶电源：VDD：+5V；LCD外接驱动电压为~。
步进电机：额定电压12V；额定电流。
ULN2003A输入额定电压为+12V。
特殊器件的介绍
（1）AT89C51
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。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。
1）主要特性
a.与MCS-51 兼容
字节可编程闪烁存储器
c.寿命：1000写/擦循环
d.数据保留时间：10年
e.全静态工作：0Hz-24Hz
f.三级程序存储器锁定
*8位内部RAM
k.可编程串行通道
l.低功耗的闲置和掉电模式
m.片内振荡器和时钟电路
2）管脚说明
：供电电压。
：接地。
口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流。
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[3][4]。
（2）ULN2003A
ULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平。共16个端口，其中1~7
口为输入端口，相对应16~10口为输出端口。8号口9号口为地与com端口[3]。
图3 ULN2003A
（3）步进电机MOTOR-STEPPER
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，从而达到调速目的[3]。
系统整体电路图
图4系统整体电路图
4 步进电机转速控制显示系统仿真和调试
仿真软件介绍
本设计主要采用Protues软件，Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译。它具有丰富的元器件库，超过27000种元器件，可方便地创建新元件。
仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。
仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。
图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。
还提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号[1][2]。
系统仿真实现
（1）打开仿真，出现如图界面，目前电动机为停止状态。
图5初始状态
（2）按下K1正转开关，电动机开始正转，LCD显示正转。
图6正转状态
（3）按下K4开关，电动机开始加速转动，显示屏显示正转加速。
图7正转加速状态
（4）随后转速达到稳定，LCD显示正转正常运行。
图8正转正常运行状态
（5）按下K6开关，使电动机减速，显示正转减速运行。
图9正转减速
（6）当步进电机转速达到稳定时，LCD显示正转低速运行。
图10正转低速运行
（7）此时按下K3，无需先按下K2停止，电动机实现反转运行，显示反转低速运行。
图11反转低速运行
（8）此时按下K4，与正转加速类似，加速过程后，显示反转正常运行。
图12反转正常运行状态
系统测试
测试环境：20℃
测试仪器：XP系统计算机，protues仿真软件，keil程序编辑软件。
测量数据：暂无数据。
数据分析
由于本课程设计仅限于仿真阶段，实现其设计功能，未做出实体，所以暂时没有数据，有待以后深入研究发展。
5 总结
设计小结
本设计通过分析步进电机结构工作原理，查阅步进电机控制系统的相关科技文献，遵循实用、简单、可靠和低成本的原则，设计了一种既可用于精度要求不高，但控制需完备的场合，对本次设计，有以下结论：
（1）采用单片机为控制核心，利用其强大的功能，把开关和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便，交互性强的控制系统。而且整个系统所包含的技术包括了很多现本科学校自动化专业所要求的知识，有利于实践教学取得最大效果。
（2）系统软件采用结构化设计，具有易维护性，根据用户新的要求，对软件系统进行少量的修改，使系统功能得到一定程度的提高。
收获体会
通过对本设计的设计与研究，对于proteus有了更深层次的了解，对于软件操作也更加的熟练。基于以前的对于单片机的知识的学习，没有十分系统的做过相应的实验，此软件的仿真功能很好的解决了这一问题。使得对于单片机的各个接口，模块功能，程序的设计有了更深层次的理解。我们深知做的工作还很不够，由于软件和硬件的各方面原因，系统的应用讨论不够，精度还有待于进一步提高。
展望
随着技术的不断发展，步进电机的控制应用前景将越来越广阔，而其控制系统也将向着智能化和网络化的方向发展。此课程设计还是比较基础部分，基本上在实用上没有太大用途，但是我们要在现在的基础上，不断吸收新的技术和方法，并将其应用于课题研究上来，为以后学习更多的电子类如嵌入式、微机原理等知识打下了坚实基础。
6参考文献
[1]侯玉宝,等.基于proteus的51系列单片机设计与仿真[M].电子工业出版社,2010.
[2]林志琦,等.基于proteus的单片机可视化软硬件仿真[M].科学出版社,2006.
[3]李全利,等.单片机原理及接口技术[M].北京航空航天大学出版社,2010.
[4]薛均义,等.MCS-51 系列单片微型计算机及其应用[M].西安交通大学出版社,2009.
7附录
系统主要功能展示图
图13 系统展示
器件清单
C程序
#include <>
#include <>
#include <>
#define uc unsigned char #define ui unsigned int #define LCDPAGE 0xB8
#define LCDLINE 0x40
sbit p00=P0^0;
sbit p01=P0^1;
sbit p02=P0^2;
sbit p03=P0^3;
sbit E=P3^5;
sbit RW=P3^4;
sbit RS=P3^2;
sbit L=P3^1;
sbit R=P3^0;
sbit Busy=P2^7;
uc scan_key1,scan_key2; uc step1;step2;
static step_index;
ui count1,count2;
uc butter;
static speed;
uc code CHANG[]=
{
0x20,0x18,0x08,0x09,0xEE,0xAA,0xA8,0xAF, 0xA8,0xA8,0xEC,0x0B,0x2A,0x18,0x08,0x00, 0x00,0x00,0x3E,0x02,0x02,0x02,0x02,0xFF, 0x02,0x02,0x12,0x22,0x1E,0x00,0x00,0x00, };
uc code YUN[]=
{
0x40,0x41,0xCE,0x04,0x00,0x20,0x22,0xA2, 0x62,0x22,0xA2,0x22,0x22,0x22,0x20,0x00, 0x40,0x20,0x1F,0x20,0x28,0x4C,0x4A,0x49, 0x48,0x4C,0x44,0x45,0x5E,0x4C,0x40,0x00, };
uc code XING[]=
{
0x10,0x08,0x84,0xC6,0x73,0x22,0x40,0x44, 0x44,0x44,0xC4,0x44,0x44,0x44,0x40,0x00, 0x02,0x01,0x00,0xFF,0x00,0x00,0x00,0x00, 0x40,0x80,0x7F,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, };
uc code ZHENG[ ] =
{
0x00,0x02,0x02,0xC2,0x02,0x02,0x02,0x02, 0xFE,0x82,0x82,0x82,0x82,0x82,0x02,0x00, 0x20,0x20,0x20,0x3F,0x20,0x20,0x20,0x20, 0x3F,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x00, };
uc code ZHUAN[ ] =
{
0xC8,0xA8,0x9C,0xEB,0x88,0x88,0x88,0x40,
0x08,0x08,0x04,0xFF,0x04,0x04,0x00,0x02, 0x0B,0x12,0x22,0xD2,0x0E,0x02,0x00,0x00, };
uc code CONTRARY[ ] =
{
0x00,0x00,0xFE,0x12,0x72,0x92,0x12,0x12, 0x12,0x11,0x91,0x71,0x01,0x00,0x00,0x00, 0x40,0x30,0x4F,0x40,0x20,0x21,0x12,0x0C, 0x0C,0x12,0x11,0x20,0x60,0x20,0x00,0x00, };
uc code TING[] =
{
0x80,0x40,0x20,0xF8,0x07,0x02,0x04,0x74, 0x54,0x55,0x56,0x54,0x74,0x04,0x04,0x00, 0x00,0x00,0x00,0xFF,0x00,0x03,0x01,0x05, 0x45,0x85,0x7D,0x05,0x05,0x05,0x03,0x00, };
uc code ZHI[ ] =
{
0x00,0x00,0x00,0x00,0xF0,0x00,0x00,0x00, 0xFF,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x00,0x00, 0x40,0x40,0x40,0x40,0x7F,0x40,0x40,0x40, 0x7F,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x00, };
uc code JIA[]=
{
0x00,0x08,0x08,0x08,0xFF,0x08,0x08,0xF8, 0x00,0xF8,0x08,0x08,0x08,0xF8,0x00,0x00, 0x40,0x20,0x18,0x07,0x00,0x20,0x40,0x3F,
};
uc code SU[]=
{
0x40,0x42,0xCC,0x00,0x04,0xE4,0x24,0x24, 0xFF,0x24,0x24,0x24,0xE4,0x04,0x00,0x00, 0x40,0x20,0x1F,0x20,0x48,0x49,0x45,0x43, 0x7F,0x41,0x43,0x45,0x4D,0x40,0x40,0x00, };
uc code JIAN[]=
{
0x00,0x02,0xEC,0x00,0xF8,0x28,0x28,0x28, 0x28,0x28,0xFF,0x08,0x8A,0xEC,0x48,0x00, 0x02,0x5F,0x20,0x18,0x07,0x00,0x1F,0x49, 0x5F,0x20,0x13,0x0C,0x13,0x20,0x78,0x00, };
uc code BAI[]=
{
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, };
uc code DI[]=
{
0x40,0x20,0xF0,0x0C,0x07,0x02,0xFC,0x44, 0x44,0x42,0xFE,0x43,0x43,0x42,0x40,0x00, 0x00,0x00,0x7F,0x00,0x00,0x00,0x7F,0x20, 0x10,0x28,0x43,0x0C,0x10,0x20,0x78,0x00, };
void iniLCD(void);
void chkbusy(void);
void wcode(uc cd) ;
void wdata(uc dat);
void disrow(uc page,uc col,uc *temp);
void display( uc page,uc col,uc *temp);
void ground(step); void run1(); void run2();
void stop();
void delay(ui time);
void iniLCD(void) { L=1;R=1;
wcode(0x38);
wcode(0x0f);
wcode(0xc0);
wcode(0x01);
wcode(0x06);
}
void chkbusy(void)
{
E=1;
RS=0;
RW=1;
P2=0xff;
while(!Busy);
}
void wcode(uc cd) {
chkbusy();
P2=0xff;
RW=0;
RS=0;
P2=cd;
E=1;
E=0;
}
void wdata(uc dat)
{
chkbusy();
P2=0xff;
RW=0;
RS=1;
P2=dat;
E=1;
E=0; }
void disrow(uc page,uc col,uc *temp)
{
uc i;
if(col<64)
{
L=1;R=0;
wcode(LCDPAGE+page);
wcode(LCDLINE+col);
if((col+16)<64)
{
for(i=0;i<16;i++)
wdata(*(temp+i));
}
else
{
for(i=0;i<64-col;i++)
wdata(*(temp+i));
L=0;R=1;
wcode(LCDPAGE+page); wcode(LCDLINE);
for(i=64-col;i<16;i++)
wdata(*(temp+i));
}
}
else
{
L=0;R=1;
wcode(LCDPAGE+page);
wcode(LCDLINE+col-64);
for(i=0;i<16;i++)
wdata(*(temp+i));
}
}
void ground(step_index)
{
P0=0x00;
switch(step_index)
{
case 0:
p00 = 1;
p01 = 0;
p02 = 0;
p03 = 0;
case 1:
p00 = 1; p01 = 1; p02 = 0; p03 = 0; break; case 2:
p00 = 0; p01 = 1; p02 = 0; p03 = 0; break; case 3:
p00 = 0; p01 = 1; p02 = 1; p03 = 0; break; case 4:
p00 = 0; p01 = 0; p02 = 1; p03 = 0; break; case 5:
p00 = 0; p01 = 0; p02 = 1; p03 = 1;
case 6:
p00 = 0;
p01 = 0;
p02 = 0;
p03 = 1;
break;
case 7:
p00 = 0;
p01 = 0;
p02 = 0;
p03 = 1;
}
}
void display( uc page,uc col,uc *temp)
{
disrow( page, col, temp);
disrow( page+1, col, temp+16);
}
void main(void)
{
P2=0xff;
iniLCD(); step2=0;
step1=0;
P1=0xff;
P0=0x00;
EX1=1;
EA=1;
speed=2010;
while(1)
{
if((scan_key1==1)&(scan_key2==0))
{
display(6,0x00,&ZHENG);
display(6,0x10,&ZHUAN);
ground(step_index);
delay(speed);
step_index++;
if(step_index>7)
step_index=0;
}
if((scan_key1==0)&(scan_key2==1))
{
ground(step_index);
display(6,0x00,&CONTRARY); display(6,0x10,&ZHUAN);
delay(speed);
step_index--;
if(step_index<0)
step_index=7;
}
if(scan_key1==0&scan_key2==0)
{
display(6,0x00,&TING);
display(6,0x10,&ZHI);
display(6,0x20,&BAI);
display(6,0x30,&BAI);
P0=0xff;
}
if(step1==1&step2==0)
{
speed=speed-100;
if(speed<200|speed==200)
{ speed=200;
display(6,0x20,&ZHENG);
display(6,0x30,&CHANG);
display(6,0x40,&YUN);
display(6,0x50,&XING);
}
else
{
display(6,0x20,&JIA);
display(6,0x30,&SU);
}
}
if(step1==0&step2==1)
{
speed=speed+100;
if(speed>2500|speed==2500)
{ speed=2500;
display(6,0x20,&DI);
display(6,0x30,&SU);
display(6,0x40,&YUN);
display(6,0x50,&XING);
}
else
{
display(6,0x20,&JIAN);
display(6,0x30,&SU);
}
}
}
}
void delay(ui time)
{ for (count1=0;count1 for(count2=0;count2<3;count2++); } void key(void) interrupt 2 { uc i; for(i=0;i<200;i++); if(P3^3==0) { butter=~P1; switch(butter) {case 0x01: scan_key1=1;scan_key2=0; break; case 0x02: scan_key1=0;scan_key2=0;break; case 0x04: scan_key1=0 ;scan_key2=1; break; case 0x08: step1=1;step2=0;break; case 0x10: step1=0;step2=1;break; default : ; } } P1=0XFF; } 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 步进电机的计算与选型 对于步进电动机的计算与选型，通常可以按照以下几个步骤： 1) 根据机械系统结构，求得加在步进电动机转轴上的总转动惯量eq J ; 2) 计算不同工况下加在步进电动机转轴上的等效负载转矩eq T ； 3) 取其中最大的等效负载转矩，作为确定步进电动机最大静转矩的依据； 4) 根据运行矩频特性、起动惯频特性等，对初选的步进电动机进行校核。 1. 步进电动机转轴上的总转动惯量eq J 的计算 加在步进电动机转轴上的总转动惯量eq J 是进给伺服系统的主要参数之一，它对选择电动机具有重要意义。eq J 主要包括电动机转子的转动惯量、减速装置与滚珠丝杠以及移动部件等折算到电动机转轴上的转动惯量等。 2. 步进电动机转轴上的等效负载转矩eq T 的计算 步进电动机转轴所承受的负载转矩在不同的工况下是不同的。通常考虑两种情况：一种情况是快速空载起动（工作负载为0），另一种情况是承受最大工作负载。 （1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩eq1T eq1amax f 0T =T +T +T (4-8) 式中 amax T ——快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，单位为N ·m ； f T ——移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，单位N ·m ； 0T ——滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，单位为N ·m 。 具体计算过程如下： 1）快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： amax eq 2T =J =60eq m a J n t πε （4-9） 式中 eq J ——步进电动机转轴上的总转动惯量，单位为2kg m ?； ε——电动机转轴的角加速度，单位为2/rad s ； m n ——电动机的转速，单位r/min ； a t ——电动机加速所用时间，单位为s ，一般在0.3~1s 之间选取。 2）移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： f T =2F i πη摩h P （4-10） 步进电机的速度控制 步进电机区别于其他控制用途电机的最大特点是，它可接受数字控制信号（电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，因而本身就是一个完成数字模拟转化的执行元件。而且它能进行开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量。这样的增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。因此，步进电机广泛应用于数控机床、机器人、遥控、航天等领域，特别是微型计算机和微电子技术的发展，使步进电机获得更为广泛的应用。 步进电机的速度特性 步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步转矩而启动的，为了不发生失步，启动频率是不高的。特别是随着功率的增加，转子直径增大，惯量增大，启动频率和最高运行频率可能相差10倍之多。 为了充分发挥电机的快速性能，通常使电机在低于启动频率下启动，然后逐步增加脉冲频率直到所希望的速度，所选择的变化速率要保证电机不发生失步，并尽量缩短启动加速时间。为了保证电机的定位精度，在停止以前必须使电机从最高速度逐步减小脉冲率降到能够停止的速度（等于或稍大于启动速度）。因此，步进电机拖动负载高速移动一定距离并精确定位时，一般来说都应包括“启动－加速－高速运行（匀速）－减速－停止”五个阶段，速度特性通常为梯形，如果移动的距离很短则为三角形速度特性，如图１所示。 图1 步进电机的速度曲线 步进电机控制系统结构 PC机在适当的时刻通过对硬件控制电路上的8253计数器0赋初值，设置好加减速过程的频率变化（即速度、加速度变化），以防止失步。例如，在点位控制中设置好速度曲线图，在起动和升速时，使步进电机产生足够的转矩驱动负载，跟上规定的速度和加速度；在减速时，下降特性使负载不产生过冲，停止在规定的位置。硬件控制电路板上的8253产生脉冲方波作为中断信号源，启动细分驱动电路中的固化程序以产生一定频率的脉冲，经功率放大后驱动步进电机运动。步进电机运动方向的改变及启动和停止均由计算机控制硬件控制电路实现。 图2 步进电机控制系统 软件和硬件结合起来一起进行控制，具有电路简单、控制方便等优点。在这种控制中，微机软件占用的存储单元少，程序开发不受定时限制。只要外部中断允许，微机就能在电机的每一步之间自由地执行其他任务，以实现多台步进电机的运动控制。 定时器初值的确定 步进电机的实时控制运用PC机，脉冲方波的产生采用8253定时器，其计数器0工作于方式0以产生脉冲方波，计数器 1工作于方式1起记数作用，8253计数器0的钟频由2MHz晶振提供。设计算机赋给8253计数器0的初值为D1，则产生的脉冲方波频率为f1=f0/D1，周期为T1=1/f1=D1/f0，D1=f0T1=f0/f1。其中，f1为启动频率，f0为晶振频率。步进电机升降速数学模型为使步进电机在运行中不出现失步现象，一般要求其最高运行频率应小于（或等于）步进响应频率fs。在该频率下，步进电机可以任意启动、停止或反转而不发生失步现象。步进电机升降速有两种驱动方式，即三角形与梯形驱动方式（见图1），而三角形驱动方式是梯形驱动的特例，因而我们只要研究梯形方式。电机的加速和减速是通过计算机不断地修改定时器初值来实现的。在电机加速阶段，从启动瞬时开始，每产生一个脉冲，定时器初值减小某一定值，则相应的脉冲周期减小，即脉冲频率增加；在减速阶段，定时器初值不断增加， <<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。 微机原理 课程设计报告 题目步进电机转速实时控制学院 专业 学生姓名 学号年级 指导教师职称 二〇年月 步进电机转速实时控制 摘要：本设计采用电压为DC12V的四相八拍35BYJ46型步进电机，以8255A作为8086并行输出接口，并通过编写汇编语言控制8255A的A口，进而控制步进电机转速状态。通过输入预先设定好的转速状态对应值，即可控制电机的转速状态。转向可以通过查表来实现，以逐次递增方向查表，则步进电机正转；以逐次递减方向查表，则步进电机反转。转速则通过调用延时子程序，当调用延时较长的子程序时，则步进电机转速慢，当调用延时较短的子程序时，步进电机转速加快。 关键词：步进电机;8255A;控制 目录 第1章绪论 (1) 1.1 研究背景 (1) 1.2 选题的目的和意义 (1) 1.3 本课程设计的主要内容 (2) 第2章步进电机转速实时控制 (3) 2.1 设计方案 (3) 2.2 硬件系统基本原理 (3) 2.2.1 步进电机35BYJ46 (3) 2.2.2 可编程并行接口芯片8255A (6) 2.3 系统软件 (8) 2.3.1 软件框图 (8) 2.3.2 程序代码 (10) 第3章结束语 (15) 参考文献 (17) 第1章绪论 1.1 研究背景 在普通旋转电机的基础上产生的各种控制电机与普通电机本质上并没有差别，只是着重点不同。普通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标，而控制电机主要是对控制信号进行传递和变换,要求有反应快、精度高、运行可靠等控制性能。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。步进电机就是一种应用非常广泛的控制电机。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。当电机连续不断地收到脉冲信号，电机就一步一步地转动，这就是步进电机名称的由来。这一线性关系的存在，加上输入的脉冲与其位移量有严格的对应关系,不会产生步距脚累积误差的特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变化非常简单。如各种数控机床、自动绘图仪、机器人等。[1] 步进电动机经过几十年的发展，已成为除直流电动机和交流电动机以外的应用最广泛的第三类电动机。在开环高分辨率的定位系统中，至今还没有发现更合适取代它的产品，特别是在一些功率相当小的系统中，步进电机更具有无可替代的主流地位。预计未来步进电机的研究还会持续深入下去，研究方向之一是电机与驱动的一体化，使步进电机体积更小巧、性能更优越，性价比更高，在大量的民用设备中批量化使用，如家庭机器人、民用智能化设备等；研究方向之二是在功率或机座号相对较大的步进电动机中，与属于BIDCM(稀土永磁无刷直流电机)的交流伺服电动机系统会合，具体来说可能会借鉴交流伺服系统的控制技术，但保留了部分步进电动机的特点，形成一种新的“步进伺服电动机”或“伺服步进电动机”，在克服低频振荡、高频过载能力小、快速性不足和效率低等方面取得突破性进展，从而在现代军事、精密机械加工、航空航天等领域的应用越来越深入。[2] 1.2 选题的目的和意义 步进电机已被广泛地应用并且其应用前景十分乐观，因此学习和掌握步进电机是非常必要的。但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此通过运用所学的专业知识，掌握四相步进电机接口电路 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°。 步进电机一个脉冲运动距离怎么算？ 步进电机一个脉冲运动距离怎么算？能不能给个公式在举个例子？ 答案： 用360度去除以步距角，就是电机转一圈的脉冲数，当然如果细分的话，还要乘以细分倍数。电机转一圈丝杠前进一个导程，用导程除以一圈的脉冲数就是脉冲运动距离。 第一步确定步进电机的步距角，这个电机上会标明的。比如说，1.8度，则一个圆周360/1.8=200，也就是说电机旋转一周需要200个脉冲。 第二步确定电机驱动器设了细分细分没有，查清细分数，可以看驱动器上的拨码。比如说4细分，则承上所述，200*4=800，等于说800个脉冲电机才旋转一周。第三步确定电机轴一周的长度或者说导程：如果是丝杠，螺距*螺纹头数=导程，如果是齿轮齿条传动，分度圆直径(m*z)即为导程，导程/脉冲个数=一个脉冲的线位移。 什么是细分呢？和几相是一个意思吗？和几相没关系吗？ 细分和相数没关系。以1.8度为例，原来一个脉冲走1.8度，现在改为4细分，那么现在一个脉冲只能走1.8/4度了。细分越多，每个脉冲的步进长度越短。细分的多少可由驱动器设置。 控制步进电机转多少最主要你得通过步进电机步距角度计算出电机转一圈需要多少脉冲，比如步距角度为0.9°则电机转一圈需要给步进电机驱动器360/0.9=400个脉冲，转半圈就是200个脉冲。步进电机驱动器资料你先了解下！ 步进电机转速则通过改变脉冲频率来控制，用plc的pwm输出控制是比较方便的，速度的快慢不影响步进电机的行程，行程多少取决于脉冲数量。 注意一点步进电机速度越快转矩越小，请根据你的应用调节速度以防失步，造成走位不准确。步进电机是接收步进驱动器给过来的脉冲信号，比如两相的步进，AB相分别轮流输出正反脉冲（按一定顺序），步进电机就可以运行了，相当于一定的脉冲步进马达对应走一定旋转角度。而PLC也可以发出脉冲，但脉冲电压不够，所以需要把PLC输出的脉冲给步进驱动器放大来驱动步进驱动器，相当于PLC的脉冲就是指令脉冲。一般PLC驱动步进时候有两路信号，一路是角度脉冲，另外一路是方向脉冲，PLC里边一般配所谓位移指令，发梯形脉冲给步进驱动器，这样可以缓冲启动带来的力冲击。 51单片机控制两相四线步进电机的问题 单片机为AT89S52。。步进电机为：57HS5630A4步进电机。链接：Error! Hyperlink reference not valid.步进电机驱动器为：M542中性步进电机驱动器。链接：Error! Hyperlink reference not valid. 现在的问题是：步进电机我已经和驱动器连接好了，现在步进电机驱动器有6 个线和51单片机相连，分别是PUL+、PUL-、DIR+、DIR-、ENA+、ENA- 。我想知道的是，比如这六个和单片机的P1.X口相连。怎么在单片机上控制步进电机正转反转，转的角度，转的速度。 答案： 首先，六根线的三根负线可以全部接地..和单片机P1相连的只需三根即可..这三根线为了保证能驱动起步进电机驱动器，应该分别上拉2K电阻.. 然后，在驱动器上的拨码处设置细分,,所谓细分是指电机转一圈所需多少脉冲..例如设置为800细分，即为电机转一圈需要800个脉冲..那么一个脉冲就会对应0.45度..单片机发出的脉冲频率高，那么电机转的就快..让电机转多少角度，就发出相应的脉冲数即可，例如转45度，就发出100个脉冲即可，在0.125s内发出100个脉冲，那转速就为1转/s。。 摘要 本文介绍的是在DICE-AT2型自控原理实验箱上，通过编写汇编语言实现对步进电机转速的调节以及正转—停止—反转的控制。 在试验箱上将电路搭好，打开软件，输入程序，将宏汇编程序经过汇编，连接后形成.EXE文件装入系统，运行程序观察电机转速及转向的变化。 程序运行后电机的变化跟预期相符，各项步骤运行正常。 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。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。 关键词：步进电机；汇编编程；8088cpu；计算机控制 Abstract Is introduced in this paper on the DICE - AT2 control principle experiment box, by writing assembly language implementation of the stepping motor speed regulation and control forward, stop, reverse. In test chamber, general layout is good, open software, input program, the macro assembler after assembly, connection formation. EXE file into the system, run the program to observe the changes of motor speed and steering. Program is running after the change of the motor with expectations, the various steps to run normally. Stepper motor is the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement of open loop control stepping motor. Stepper motor as the executive element, it is one of the key products of electromechanical integration, widely used in all kinds of automation control system. With the development of microelectronics and computer technology, step ? Keywords:Stepping motor; Assembler programming; 8088 CPU; The computer control 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 步进电机转速与频率计 算公式 集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY- 步进电机的转速可以用频率来控制，步进电机的运行频率跟转速成正比，可以通过计算公式，计算出步进电机的转速。步进电机转速=频率*60/((360/T)*x) 步进电机的转速单位是：转/分 频率单位是：赫兹 x实指细分倍数 T:固有步进角 举例说明： 步进电机采用整步，即1细分；频率1K，即1000赫兹；套用公式：1000*60/200= 300转/分 注意事项：此公式适应于两相步进电机。 步进电机空载最高转速的真正意义是什么 发布者：admin 发布时间：2010-4-12 阅读：474次 两相步进电机的空载转速最高可以达到2000转/分钟以上，不过它只是一个参考值，没有什么实际意义，因为步进电机的转矩随着转速的升高下降很快，转速高到一定程度时力矩几乎为零。步进电机在整步无细分情况下（每200个脉冲转一圈）提高时钟频率，人们往往发现电机在远未达到空载最高速度时即发生堵转，以至于搞不清最高转速到底是多少，甚至怀疑自己的系统是否正常，这就是其中的真正原因所在。 步进电机在低速下的运行性能才有实际意义，一般是每分钟300转到600转，考虑到用户使用机械减速装置带负载，要使电机提供足够的力矩，电机的常态速度常常被选择在每分钟几十转，此时电机供力大、效率高、噪音低，至于振动问题，则要靠增加驱动器细分的方法加以解决了。 最高空载转速的计算公式为： 空载转速（转/分）=60 乘以时钟频率 / 200乘以细分数 (M是细分数） 假如M=16，时钟频率=150KHZ 则最高空载转速约等于2800转/分钟 即60乘以150000，再除以200与16的积，得出的结果。 南京理工大学 课程设计说明书(论文) 姓名: 高建宽学号：0902030109 专业: 机电一体化 题目: 基于单片机的步进电机调速系统设计 张平 指导者： 2013 年 2 月 课程设计说明书（论文）中文摘要 课程设计说明书（论文）外文摘要 目次 1 绪论 (1) 2 步进电机简介 (2) 2.1 步进电机的概念 (2) 2.2 步进电机的分类 (2) 2.3 步进电机的基本参数 (2) 2.3.1 空载启动频率 (2) 2.3.2 电机固有步距角 (2) 2.3.3 步进电机的相数 (3) 2.3.4 保持转矩 (3) 2.4 步进电机动态指标及术语： (3) 2.5 步进电机的调速的控制原理 (4) 3 基本方案设定和硬件设计 (5) 3.1 基本方案确定 (5) 3.2 硬件设计 (5) 3.2.1 单片机的选择：AT89S52 (5) 3.2.2 驱动芯片的选择：ULN2003A (9) 3.3.3 步进电机的选择：四相反应式步进电机 (9) 4 软件设计 (10) 5 调试与仿真 (11) 5.1 keil调试 (11) 5.2 Proteus仿真 (12) 结论 (13) 致谢 (14) 参考文献 (15) 附录A (16) 附录B (17) 1 绪论 步进电动机作为执行元件，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，步进电动机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。1920年步进电机的实际应用才开始，称为VR（Variable Reluctance变磁阻）型步进电机，被英国海军用作定位控制和远程遥控。混合式HB(Hybrid 的缩写，是VR与PM复合的意思)型步进电机的产生，大约在1952年，由美国GE公司的Karl Feiertag 开发的发电机演变而来。步进电机的大规模应用是在1977年开始，两相步进电机被应用于FDD(floppy disk drive 软盘驱动器)输出轴的驱动上。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。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，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。 大连理工大学本科设计报告题目：步进电机转速控制系统设计 课程名称：单片机综合设计 学院（系）：电子信息与电气工程学部 专业： 班级： 学号： 学生姓名： 成绩： 2013 年7 月20 日 题目：步进电机转速控制系统设计 1 设计要求 1)利用ZLG7290的键盘控制直流电机（或步进电机的转速、转向）； 2)也可以利用ADC模块（与电位器配合），利用电位器控制转速； 3)利用ZLG7290的8位LED数码管显示电机转向、转速参数显示。 2 设计分析及系统方案设计 实验要求使用步进电机作为被控制对象，由ZLG7290做人机对话平台，利用单片机的P1（8位）和P3（部分口线）构造系统。实验最终实现功能、设计思路以及方案设计如以下几个小节所述。 2.1 系统设计实现功能 根据设计要求、现有设备以及知识储备，完成功能如下： ①由按键S1~S8实现转速切换，其中S1~S4正转，S5~S8反转 ②按键S16作为停止键，按下S10后步进电机停止转动，再按S1~S16步进电机按 照按键对应转速以及转向转动 ③按键S10作为复位键，当按下S10后，无论当前处于何种状态，系统恢复至初 始态 ④8为LED数码管显示当前步进电机转速（speed=0/1 1~4），转速前0表示正转， 1表示反转 ⑤若按下停止键，数码管显示当前转速；若按下复位键，数码管显示初始态speed=00 2.2 设计思路 本次的设计是LED显示与步进电机相结合以及若干功能键的组合的一种设计。根据之前学习的按键中断显示实验和定时器实验，使用INT0和INT1，INT0作为按键中断，INT1作为定时器。在主程序中实现LED初始显示、定时器计时初始、按键中断初始。INT0中断调用中断服务子程序实现对按键键值的判断，并根据相应的按键值实现对应步进电机的变化，并显示该按键对应的转速。INT1定时器中断根据INT0的按键键值，对定时器设定相应的初值，实现步进电机按规定的转速转动。对于按键停止，则是利用中断优先级，当INT0的中断优先级高时，系统进入中断，此时INT1停止计时，也就实现了步进电机的停止，当改变定时器与按键中断的优先级时，即把INT0设为低优先级，INT1设为高优先级，步进电机重新开始转动。此时添加一个对INT0位地址的查询，若有按键即正/反转的4档转速所对应的按键，步进电机开始重新转动。对于复位功能，则同样是利用按键键值的判断，在对应键值下控制电机初始化。 电子器件市场调研与系统设计实践 专业:*** 名: 号: 指导教师: **** —大^学 ****学院 **** 年**月**日 基于单片机的步进电机调速与正反转控制系统 1 系统要求 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。本设计基于单片机控制的步进电机设计课题是以单片机为主控制模块，从而实现电机的启停、正反转和调速的目的的一个设计课题。在课题设计之前，通过互联网了解到了当前步进电机的发展状况及发展前景。同时也了解了当今最先进的步进电机所具备的功能，方便为课题设计提供参考和借鉴；最后，通过画原理框图的形式，以最直观的方式为整个课题设计制定了流程及要求。 1.1 设计目的 《电子器件市场调研与系统设计实践》是本专业的重要实践教学环节，强调实际应用技能训练。结合自动化专业系列课程的学习，培养我们对电子器件的认知，锻炼我们的市场调研能力，加深我们对自动化专业系列课程知识的掌握。通过课程设计环节培养学生与人交往、独立思考和处理问题的能力。 1.2 设计内容及要求 本次课程设计所选的步进电机是四相步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。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，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。本次课程设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速的级别。另外通过单片机实现它的正反转，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， 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 -- -------- 步进电机的转速可以用频率来控制，步进电机的运行频率跟转速成正比，可以通过计算公式，计算出步进 电机的转速。 步进电机转速 = 频率 * 60 /((360/T)*x) 步进电机的转速单位是： 转 / 分 频率单位是：赫兹 x 实指细分倍数 T: 固有步进角 举例说明： 步进电机采用整步，即 1 细分；频率 1K ，即 1000 赫兹；套用公式： 1000 * 60/200=300 转/ 分 注意事项：此公式适应于两相步进电机。 步进电机空载最高转速的真正意义是什么 发布者： admi n 发布时间： 2010-4-12 阅读： 474 次 两相步进电机的空载转速最高可以达到 2000 转 /分钟以上，不过它只是一个参考值，没有什么实际意义，因为步进电机的转矩随着 转速的升高下降很快，转速高到一定程度时力矩几乎为零。步进电机在整步无细分情况下（每 200 个脉冲转一圈）提高时钟频率， 人们往往发现电机在远未达到空载最高速度时即发生堵转，以至于搞不清最高转速到底是多少，甚至怀疑自己的系统是否正常，这 就是其中的真正原因所在。 步进电机在低速下的运行性能才有实际意义，一般是每分钟 300 转到 600 转，考虑到用户使用机械减速装置带负载，要使电机提供足够的力矩，电机的常态速度常常被选择在每分钟几十转，此时电机供力大、效率高、噪音低，至于振动问题，则要靠增加驱动器细分的方法加以解决了。 最高空载转速的计算公式为： 空载转速（转 /分） =60 乘以 时钟频率 / 200 乘以 细分数 (M 是细分数） 假如 M=16 ，时钟频率 =150KHZ 则最高空载转速约等于 2800 转/ 分钟 即 60 乘以 150000，再除以 200 与 16 的积，得出的结果。 基于51系列单片机控制步进电机调速实验 实验指导书 仇国庆编写 重庆邮电大学自动化学院 自动化专业实验中心 2009年2月 基于51系列单片机控制步进电机调速实验 实验目的及要求： 1、熟悉步进电机的工作原理 2、熟悉51系列单片机的工作原理及调试方法 3、设计基于51系列单片机控制的步进电机调速原理图(要求实现电机的速度反馈测量，测量方式：数字测量) 4、实现51系列单片机对步进电机的速度控制(步进电机由实验中心提供，具体型号42BYG )由按钮控制步进电机的启动与停止；实现加速、匀速、和减速控制。速度设定由键盘设定，步进电机的反馈速度由LED 数码管显示。 实验原理： 步进电机控制原理 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。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。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。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号 可以由单片机产生。 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图：(图2所示) 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 步进电机选择的详细 计算过程 1，如何正确选择伺服电机和步进电机？ 主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。 2，选择步进电机还是伺服电机系统？ 其实，选择什么样的电机应根据具体应用情况而定，各有其特点。请见下表，自然明白。 步进电机系统伺服电机系统 力矩范围中小力矩（一般在20Nm以下）小中大，全范围 速度范围低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM）高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达1~2万转/分 控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式平滑性低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善）好，运行平滑 精度一般较低，细分型驱动时较高高（具体要看反馈装置的分辨率） 矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬 过载特性过载时会失步可3~10倍过载（短时） 反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步闭环方式，编码器反馈 编码器类型 - 光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型 响应速度一般快 耐振动好一般（旋转变压器型可耐振动） 温升运行温度高一般 维护性基本可以免维护较好 价格低高 3，如何配用步进电机驱动器？ 根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。 4，2相和5相步进电机有何区别，如何选择？ 2相电机成本低，但在低速时的震动较大，高速时的力矩下降快。5相电机则振动较小，高速性能好，比2相电机的速度高30~50%，可在部分场合取代伺服电机。 5，何时选用直流伺服系统，它和交流伺服有何区别？ 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 6，使用电机时要注意的问题？步进电机控制实验
步进电机的计算与选型---实用计算
步进电机的速度控制
步进电动机控制方法
步进电机转速实时控制课程设计word文档
三相步进电机原理与控制方法资料(精)
步进电机脉冲数量与运动距离的计算 (1)
步进电机调速
西门子200系列PLC直流步进电机控制方法
步进电机转速与频率计算公式
基于单片机的步进电机调速系统设计论文
单片机汇编语言步进电机转速控制系统
基于单片机的步进电机转速控制
步进电机控制速度的方法
步进电机转速与频率计算公式
基于51系列单片机控制步进电机调速实验 (自动保存的)
步进电机控制方法
步进电机选择的详细计算过程上课讲义
- 基于51单片机的步进电机调速系统(含完整代码)
- PLC实现步进电机的正反转及调整控制
- 步进电机调速
- 步进电机调速控制系统
- 步进电机的PLC控制调速方法之探索
- 步进电机调速系统
- 微机原理课程设计 步进电机的正反转及调速控制
- 基于51系列单片机控制步进电机调速实验 (自动保存的)
- 步进电机速度控制的研究与实现
- PLC实现步进电机正反转和调速控制
- 步进电机的PLC控制调速方法之探索
- 用单片机实现步进电机变速控制的方法
- 自己做的四相八拍步进电机调速
- 基于S7-200PLC步进电机调速控制
- 基于51单片机的步进电机调速系统(含完整代码)
- PID步进电机的调速
- 步进电机调速控制程序
- 步进电机的调速控制
- PLC实现步进电机的正反转及调整控制
- 步进电机调速控制系统设计C语言程序及说明