步进电机控制技术论文
关于电机控制技术的论文1
步进电机控制系统
摘要:步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种自动控制系统中。随着微电子技术和计算机技术的发展，步进电机的需求量日益增加，并已应用于国民经济的各个领域。
关键词:步进电机；执行要素；电脑；发展
1步进电机的原理及特点
1.1步进电机的发展现状
步进电机是一种开环控制元件，将电脉冲信号转换成角位移或线位移。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它驱动步进电机按设定的方向旋转一个固定的角度(称为？步角？)，它的旋转以固定的角度一步一步的运行。可以通过控制脉冲的个数来控制角位移，从而达到精确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机旋转的速度和加速度，从而达到调速的目的。在非过载的情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响，即电机加一个脉冲信号，电机转过一个步距角。这种线性关系的存在，加上步进电机只有周期误差，没有累积误差等特点。在速度、位置等控制领域，使用步进电机进行控制变得非常简单。步进电机可以作为控制的专用电机，因其无累积误差(精度为100%)而广泛应用于各种开环控制中。
1.2步进电机的特点
1.步进电机工作时，各相绕组不是不断通电，而是按照一定的规律依次通电。2.每次输入脉冲电信号时转子旋转的角度称为步距角。3.步进电机可以根据具体指令进行角度或速度控制。角度控制中，每输入一个脉冲，定子绕组切换一次，输出轴旋转一个角度，步数与脉冲数一致，输出轴的角位移与输入脉冲成正比。速度控制时，连续脉冲馈入步进电机的绕组，每相绕组轮流不断通电，步进电机连续旋转，其转速与脉冲频率成正比。改变通电顺序，即改变定子磁场的旋转方向，可以控制电机正转或反转。
1.3步进电机的一些典型应用
①步进电机主要用于一些有定位要求的场合。比如:线切割拖台、植毛机拖台(孔定位)、包装机拖台(定长)。基本上是用在涉及定位的场合。
②广泛应用于ATM机、喷墨打印机、雕刻机、照片打印机、喷涂设备、医疗仪器设备、计算机外设和海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适用于要求运行稳定、噪音低、响应快、寿命长、输出扭矩大的应用场合。
③步进电机广泛应用于电脑绣花机和其他纺织机械设备中。这种步进电机的特点是转矩小，频繁启动时响应速度快，运行噪音低，运行稳定，控制性能好，综合成本低。
目前电脑绣花机使用的步进电机多为三相混合式步进电机，细分驱动技术的应用可以大大提高步进电机的运行质量，减小转矩波动，抑制振荡，降低噪声，提高步距分辨率。
1.4步进电机的工作原理及结构
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。一般来说，步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机按设定的方向旋转一个固定的角度(和步进角度)。可以通过控制脉冲的个数来控制角位移，从而达到精确定位的目的；还可以通过控制脉冲频率来控制电机旋转的速度和加速度，从而达到调速的目的。
在非过载的情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响，即电机加一个脉冲信号，电机转过一个步距角。这种线性关系的存在，加上步进电机只有周期误差，没有累积误差等特点。
1.5旋转
如果A相通电，B相和C相断电，由于磁场的作用，齿1与A对齐(转子不受任何力，以下同样适用)。如果b相通电，而a相和c相断电，齿2应与b对齐。此时，转子通过1/3て.向右移动此时，齿3和c被1/3て偏移，齿4和a被偏移(て-1/3 て).如果c相通电，a相和b相未通电，齿3应与c对齐。此时，转子向右移动1/3て，齿4和a的偏移量为1/3て.如果a相通电，b相和c相断电，齿4与a相对齐，转子通过1/3て.向右移动
这样，当A、B、C、A分别通电时，齿4(即齿1之前的齿)运动到A相，电机转子向右旋转一个节距。如果通过按下a、b、c和a持续通电，电机将在1/3て.的每一步(每一个脉冲)向右旋转如果按a、c、b和a通电，电机将反转。通过导通次数(脉冲数)和频率可以看出电机的位置和速度是一一对应的。并且方向由传导顺序决定。
2电路设计分析
2.1 8253和8255驱动步进电机电路
①按图连接电路，使用8255输出脉冲序列。开关K0 ~ K6控制步进电机的转速，K7控制步进电机的转向。8255 CS接288H~28FH。PA0~PA3与BA ~ BD相连；PC0~PC7与K0 ~ K7相连。
②编程:当K0 ~ K6中的一个开关为？1?当步进电机开大时，电机的转速是不同的。K7。按下电机向前旋转，按下电机向后旋转。
2.2重要实验参数的计算
根据实际测试，当步数设置为59步左右时。步进电机旋转一周。
根据实验要求:先顺时针，每分钟6次，转十分钟。大概的步数是59 * 6 * 10 = 3540。
停三秒:机器周期为1/5 MHz . 3s = 1/5 MHz * 15 * exp6的8086条指令，即15M个机器周期。
逆时针转，每分钟30次，转十分钟。大概的步数是59 * 30 * 10 = 17700。
2.3实际问题和解决方案
(1)硬件连接和软件编程不够熟练，通过各种资料、阅读书籍，确定硬件和软件的设计方案和具体设计内容。
②键盘和LED显示控制不理想。经过对程序的仔细解读，最终达到了设计目的。按下键10显示0。。。0030，按12键显示1。。。0006，按14键开始操作，按15键停止操作。(3)速度控制，一开始不够准确。经过反复测试，最终确定为每圈59步。计算6R/MIN和30R/MIN的设定步长。
3总结经验
首先利用Star Research的集成环境软件编辑运行程序，在STAR ES598PCI实验仪上调试实验结果，并对实验程序和硬件电路进行分析。然后在使用原源程序进行实验时，电机的速度控制不明显，需要修改控制步距Takesetpcount和分频数8253的值，使电机转速达到6r/min和30r/min。其次，调整8259控制键盘和显示器，最终实现速度和方向的实时显示，并用键盘控制其启动和停止。因为步进电机的运行是由电脉冲信号控制的，步进电机的角位移或线位移与脉冲数成正比，给定每个脉冲，步进电机旋转一个角度(步角)或前进/后退一步，所以希望能看清电机的这个特性。通过设置步速和速度，我们可以观察电机的步进和一次旋转的步数。
参考
1王忠民等。微型计算机原理(第二版)。Xi安:西安电子科技大学出版社，2007。
2江，董秀峰。模拟电子技术(第三版)。Xi安:西安电子科技大学出版社，2009。
李三人。单片机原理及接口技术。北京:高等教育出版社，2010。
步进电机控制系统
韩浩
(西安文理学院物理与机电工程系，陕西xi 710000)
摘要:步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种自动控制系统中。随着微电子技术和计算机技术的发展，步进电机的需求量日益增加，并已应用于国民经济的各个领域。
关键词:步进电机；执行要素；电脑；发展
1步进电机的原理及特点
1.1步进电机的发展现状
步进电机是一种开环控制元件，将电脉冲信号转换成角位移或线位移。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它驱动步进电机按设定的方向旋转一个固定的角度(称为？步角？)，它的旋转以固定的角度一步步运行。可以通过控制脉冲的个数来控制角位移，从而达到精确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机旋转的速度和加速度，从而达到调速的目的。在非过载的情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响，即电机加一个脉冲信号，电机转过一个步距角。这种线性关系的存在，加上步进电机只有周期误差，没有累积误差等特点。在速度、位置等控制领域，使用步进电机进行控制变得非常简单。步进电机可以作为控制的专用电机，因其无累积误差(精度为100%)而广泛应用于各种开环控制中。
1.2步进电机的特点
1.步进电机工作时，各相绕组不是不断通电，而是按照一定的规律依次通电。2.每次输入脉冲电信号时转子旋转的角度称为步距角。3.步进电机可以根据具体指令进行角度或速度控制。角度控制中，每输入一个脉冲，定子绕组切换一次，输出轴旋转一个角度，步数与脉冲数一致，输出轴的角位移与输入脉冲成正比。速度控制时，连续脉冲馈入步进电机的绕组，每相绕组轮流不断通电，步进电机连续旋转，其转速与脉冲频率成正比。改变通电顺序，即改变定子磁场的旋转方向，可以控制电机正转或反转。
1.3步进电机的一些典型应用
①步进电机主要用于一些有定位要求的场合。比如:线切割拖台、植毛机拖台(孔定位)、包装机拖台(定长)。基本上是用在涉及定位的场合。
②广泛应用于ATM机、喷墨打印机、雕刻机、照片打印机、喷涂设备、医疗仪器设备、计算机外设和海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适用于要求运行稳定、噪音低、响应快、寿命长、输出扭矩大的应用场合。
③步进电机广泛应用于电脑绣花机和其他纺织机械设备中。这种步进电机的特点是转矩小，频繁启动时响应速度快，运行噪音低，运行稳定，控制性能好，综合成本低。
目前电脑绣花机使用的步进电机多为三相混合式步进电机，细分驱动技术的应用可以大大提高步进电机的运行质量，减小转矩波动，抑制振荡，降低噪声，提高步距分辨率。
1.4步进电机的工作原理及结构
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。一般来说，步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机按设定的方向旋转一个固定的角度(和步进角度)。可以通过控制脉冲的个数来控制角位移，从而达到精确定位的目的；还可以通过控制脉冲频率来控制电机旋转的速度和加速度，从而达到调速的目的。
在非过载的情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响，即电机加一个脉冲信号，电机转过一个步距角。这种线性关系的存在，加上步进电机只有周期误差，没有累积误差等特点。
1.5旋转
如果A相通电，B相和C相断电，由于磁场的作用，齿1与A对齐(转子不受任何力，以下同样适用)。如果b相通电，而a相和c相断电，齿2应与b对齐。此时，转子通过1/3て.向右移动此时，齿3和c被1/3て偏移，齿4和a被偏移(て-1/3 て).如果c相通电，a相和b相未通电，齿3应与c对齐。此时，转子向右移动1/3て，齿4和a的偏移量为1/3て.如果a相通电，b相和c相断电，齿4与a相对齐，转子通过1/3て.向右移动
这样，当A、B、C、A分别通电时，齿4(即齿1之前的齿)运动到A相，电机转子向右旋转一个节距。如果通过按下a、b、c和a持续通电，电机将在1/3て.的每一步(每一个脉冲)向右旋转如果按a、c、b和a通电，电机将反转。通过导通次数(脉冲数)和频率可以看出电机的位置和速度是一一对应的关系。并且方向由传导顺序决定。2电路设计分析
2.1 8253和8255驱动步进电机电路
①按图连接电路，使用8255输出脉冲序列。开关K0 ~ K6控制步进电机的转速，K7控制步进电机的转向。8255 CS接288H~28FH。PA0~PA3与BA ~ BD相连；PC0~PC7与K0 ~ K7相连。
②编程:当K0 ~ K6中的一个开关为？1?当步进电机开大时，电机的转速是不同的。K7。按下电机向前旋转，按下电机向后旋转。
2.2重要实验参数的计算
根据实际测试，当步数设置为59步左右时。步进电机旋转一周。
根据实验要求:先顺时针，每分钟6次，转十分钟。大概的步数是59 * 6 * 10 = 3540。
停三秒:机器周期为1/5 MHz . 3s = 1/5 MHz * 15 * exp6的8086条指令，即15M个机器周期。
逆时针转，每分钟30次，转十分钟。大概的步数是59 * 30 * 10 = 17700。
2.3实际问题和解决方案
(1)硬件连接和软件编程不够熟练，通过各种资料、阅读书籍，确定硬件和软件的设计方案和具体设计内容。
②键盘和LED显示控制不理想。经过对程序的仔细解读，最终达到了设计目的。按下键10显示0。。。0030，按12键显示1。。。0006，按14键开始操作，按15键停止操作。
(3)速度控制，一开始不够准确。经过反复测试，最终确定为每圈59步。计算6R/MIN和30R/MIN的设定步长。
3总结经验
首先利用Star Research的集成环境软件编辑运行程序，在STAR ES598PCI实验仪上调试实验结果，并对实验程序和硬件电路进行分析。然后在使用原源程序进行实验时，电机的速度控制不明显，需要修改控制步距Takesetpcount和分频数8253的值，使电机转速达到6r/min和30r/min。其次，调整8259控制键盘和显示器，最终实现速度和方向的实时显示，并用键盘控制其启动和停止。因为步进电机的运行是由电脉冲信号控制的，步进电机的角位移或线位移与脉冲数成正比，给定每个脉冲，步进电机旋转一个角度(步角)或前进/后退一步，所以希望能看清电机的这个特性。通过设置步速和速度，我们可以观察电机的步进和一次旋转的步数。
参考
1王忠民等。微型计算机原理(第二版)。Xi安:西安电子科技大学出版社，2007。
2江，董秀峰。模拟电子技术(第三版)。Xi安:西安电子科技大学出版社，2009。
李三人。单片机原理及接口技术。北京:高等教育出版社，2010。
电机控制技术论文2
步进电机的加减速控制
文摘:详细分析了步进电机及其工作原理，设计了基于MCS-51系列单片机的步进电机数字控制系统。设计中加入了步进电机细分技术和恒频脉宽调制技术。结合脉冲分配器的使用，研制了一种简单的细分驱动控制电路。
[关键词]步进电机；单片机；分段控制
中国图书馆分类号:F140文献识别码:A文号:1009-914x(2015)40-0038-01。
一.导言
随着科学技术的发展和微电子控制技术的应用，步进电机作为一种可以精确控制的电机，广泛应用于高精密加工机床、微型机器人控制、空间卫星等高科技领域。
二、步进电机的原理
步进电机是一种特殊的控制电机。它不能像传统电机那样通过输入交流或DC电流直接运行，而是需要输入脉冲电流来控制电机的转动，所以步进电机也叫脉冲电机。它的作用是将脉冲电信号转换成相应的角位移或线位移，即给一个脉冲电信号，电机就会旋转一个角度或向前运动。按励磁方式可分为无功式、永磁式、混合式三种。本设计选用反应式步进电机，其结构如图1所示。
这是四相反应式步进电机的典型结构。* * *有四组定子控制绕组。缠绕在两个完全相反的磁极上的一组绕组为一相，也就是说，定子上两个相对的大齿为一相。如果电机按照A-B-C-D-A的顺序连续打开和关闭控制绕组，转子将连续逐步旋转。其转速取决于各控制绕组的通断电频率，即输入脉冲频率。旋转方向取决于每个控制绕组依次通电的顺序。
三、步进电机的驱动控制
步进电机不能直接连接到DC或交流电源，因此必须使用专用的步进电机驱动控制器。步进电机和步进电机驱动器构成了步进电机驱动系统。步进电机驱动系统的性能不仅取决于步进电机本身的性能，还取决于步进电机驱动器的质量。
步进电机有多种驱动方式，包括单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分驱动、集成电路驱动和双极驱动。本设计采用恒频脉宽调制细分驱动控制方式，是在斩波恒流驱动基础上的进一步改进，既能使细分步距角均匀，又避免了复杂的计算。
第四，恒频脉宽调制细分电路的设计
1，实现脉冲分配
在步进电机的单片机控制中，控制信号是由单片机产生的。其通电换向顺序严格按照步进电机的工作模式进行。通常我们把上电换向脉冲分配的过程称为。本设计选用8713脉冲分配器芯片来控制换向。
2.系统控制电路的设计。
步进电机控制系统的主电路设计如图2所示。
从上图可以看出，8713脉冲分配器的5、6、7脚都接高电平，所以这是一个控制四相步进电机四相八拍运行的控制电路。8751单片机的端口P1.0和P1.1分别与8713脉冲分配器的引脚3和4相连。步进脉冲由8751单片机的P1.0端提供，P1端控制步进电机的转向，输出高电平，步进电机正向传输；输出电平低，步进电机反转。单片机仍然是控制的主体。它通过定时器T0输出20kHz方波，作为恒频信号送到D触发器。同时利用8713脉冲分配器的脉冲输出端输出的方波脉冲信号作为控制信号，其方波电压的每一次变化都使转子旋转一步。
当8713脉冲分配器的脉冲输出端输出的方波脉冲信号Ua保持不变时，恒频信号CLK的上升沿使D触发器输出Ub为高，使开关管T1和T2导通，绕组中的电流上升，采样电阻R2两端的压降增大。当压降大于Ua时，比较器输出低电平，使得D触发器输出Ub为低，T1和T2关断，绕组电流下降。这使得R2上的压降小于Ua，比较器输出高电平，D触发器输出高电平，T1和T2导通，使绕组中的电流再次上升。这个过程反复进行，使得绕组电流的波峰呈之字形。因为CLK的频率很高，锯齿波将会很小。
当Ua突然上升时，采样电阻上的电压降小于Ua，电流上升时间长，电流幅值大幅度上升一级，但只有一个上升级因为这里输出的是方波信号而不是阶梯信号，这是什么意思？踏步信号？只包含一步，每一步不细分为许多步，而是增加输出脉冲信号上升和下降的梯度，使原来的方波输出变得平滑，控制信号平滑得像梯形，如图3所示。
同样，当Ua突然下降时，采样电阻上的压降比Ua长，比较器输出低电平，CLK的上升沿会立即清零D触发器输出1。电源总是被切断，这大大降低了电流幅度到一个新的阶段。
重复上述过程。Ua的每一次变化都会使转子转动一个细分步长。
该电路最突出的特点之一是用8713脉冲分配器输出的脉冲信号代替了典型恒频脉宽细分电路中D/A转换器提供的梯形控制信号。这种设计大大简化了电路，降低了脉冲分配的控制难度。虽然用方波信号代替了阶梯波信号，降低了单相运行的细分程度，但由于步进电机的四相绕组共同工作，也可以达到步进电机细分驱动控制的目的。
不及物动词结束语
目前，步进电机的应用正在深入到日常生活和工业制造的各个方面，国内外对步进电机及其控制技术的研究也在不断取得进展。这些知识的掌握对以后的工作和生活会起到非常积极的作用。
参考
[1]吴守真，臧英杰，等.电气传动脉宽调制控制技术[M].北京:机械工业出版社，2002。
[2]王小明。电机的单片机控制[M].北京航空航天大学出版社，2002。
[3]李建中，主编。单片机原理及应用[M]。Xi安:西安电子科技大学出版社，2008。
李仁鼎主编。电机的微机控制[M]。北京:机械工业出版社，2004。
黄勇，廖宇，高林。基于单片机的步进电机运动控制系统的设计[J].电子测量技术，2008，31(5):150-154。
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