步進電機控制技術論文
電機控制技術論文篇壹
步進電機控制系統
摘要：步進電機作為執行元件， 是機電壹體化的關鍵產品之壹，廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展， 步進電機的需求量與日俱增， 在各個國民經濟領域都有應用。
關鍵詞：步進電機;執行元件;計算機;發展
1步進電機原理及特征
1.1步進電機的目前發展情況
步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。當步進驅動器接收到壹個脈沖信號， 它就驅動步進電機按設定的方向轉動壹個固定的角度(稱為?步距角?)， 它的旋轉是以固定的角度壹步壹步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量， 從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度， 從而達到調速的目的。在非超載的情況下， 電機的轉速、停止的位置只取決於脈沖信號的頻率和脈沖數， 而不受負載變化的影響， 即給電機加壹個脈沖信號， 電機則轉過壹個步距角。這壹線性關系的存在， 加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域使用步進電機進行控制變得非常簡單。步進電機可以作為壹種控制用的特種電機， 利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用於各種開環控制。
1.2步進電機的特點
1.步進電動機工作時每相繞組不是恒定地通電， 而是按壹定的規律輪流通電。 2.每輸入壹個脈沖電信號轉子轉過的角度稱為步距角。 3.步進電機可以按特定指令進行角度控制， 也可以進行速度控制。角度控制時， 每輸入壹個脈沖， 定子繞組就換接壹次， 輸出軸就轉過壹個角度， 其步數與脈沖數壹致， 輸出軸轉動的角位移量與輸入脈沖成正比。速度控制時， 步進電機繞組中送入的是連續脈沖， 各相繞組不斷地輪流通電， 步進電機連續動轉， 它的轉速與脈沖頻率成正比。改變通電順序， 即改變定子磁場旋轉方向， 就可以控制電機正轉或是反轉。
1.3步進電機的壹些典型運用場合
①步進電機主要用於壹些有定位要求的場合。例如：線切割的工作臺拖動，植毛機工作臺(毛孔定位)，包裝機(定長度)。基本上涉及到定位的場合都用得到。
②廣泛應用於ATM機、噴繪機、刻字機、寫真機、噴塗設備、醫療儀器及設備、計算機外設及海量存儲設備、精密儀器、工業控制系統、辦公自動化、機器人等領域。特別適合要求運行平穩、低噪音、響應快、使用壽命長、高輸出扭矩的應用場合。
③步進電機在電腦繡花機等紡織機械設備中有著廣泛的應用，這類步進電機的特點是保持轉矩不高，頻繁啟動反應速度快、運轉噪音低、運行平穩、控制性能好、整機成本低。
目前用於電腦繡花機的步進電機多數為三相混合式步進電機，並采用細分驅動技術可以大大改善步進電機的運行品質，減少轉矩波動，抑制振蕩，降低噪音，提高步矩分辨率。
1.4 步進電機的運轉原理及結構
步進電機是壹種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗壹點講：當步進驅動器接收到壹個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動壹個固定的角度(及步進角)。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決於脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加壹個脈沖信號，電機則轉過壹個步距角。這壹線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。
1.5 旋轉
如A相通電，B，C相不通電時，由於磁場作用，齒1與A對齊，(轉子不受任何力，以下均同)。如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移(て-1/3て)=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3て。
這樣經過A、B、C、A分別通電狀態，齒4(即齒1前壹齒)移到A相，電機轉子向右轉過壹個齒距，如果不斷地按A，B，C，A?通電，電機就每步(每脈沖)1/3て，向右旋轉。如按A，C，B，A?通電，電機就反轉。由此可見：電機的位置和速度由導電次數(脈沖數)和頻率成壹壹對應關系。而方向由導電順序決定。
2電路設計分析
2.1 8253及8255驅動步進電機電路
①按圖連接線路，利用8255 輸出脈沖序列，開關K0～K6 控制步進電機轉速，K7控制步進電機轉向。8255 CS 接288H～28FH。PA0～PA3 接BA～BD;PC0～PC7 接K0～K7。
②編程：當K0～K6 中某壹開關為?1?(向上撥)時步進電機啟動，並且電機轉動速度大小不同。K7 向上打電機正轉，向下打電機反轉。
2.2實驗重要參數計算
由實際測試得，stepcount步數設定為約59步時。步進電機轉動壹圈。
由實驗要求：先順時針，每分鐘6圈，轉十分鐘。約得stepcount=59*6*10=3540。
停止三秒：8086機器周期為1/5MHz.3s=1/5MHz*15*exp6即15M個機器周期的指令。
後逆時針，每分鐘30圈，轉十分鐘。約得stepcount=59*30*10=17700。
2.3 實際問題及解決方法
①硬件連接及軟件程序不夠熟練，經多方面查資料，翻閱書籍，確定設計方案及硬件軟件的具體設計內容。
②鍵盤及LED顯示的控制不夠理想，經程序的細心解讀，最終達到了設計的目的。按10號鍵顯示0。。。0030，按12號鍵顯示1。。。0006，按14號鍵啟動運行，按15號鍵停止運行。 ③轉速控制，開始不夠精確。經反復測試，最終確定為59步每圈。並計算出6R/MIN，30R/MIN的設定步數。
3總結體會
首先，利用星研集成環境軟件編輯並運行程序，在STAR ES598PCI實驗儀上調試實驗結果，分析實驗程序及硬件電路;然後，在利用原有源程序進行實驗時，電機的轉速控制不是很明顯，這就要求修改控制步速Takesetpcount的數值，及8253的分頻數，以使電機轉速達到6r/min和30r/min。其次，調節8259控制鍵盤及顯示，最終達到實時顯示轉速及轉動方向，並用鍵盤控制其啟動與停止。由於步進電動機的運轉是由電脈沖信號控制的，步進電動機的角位移量或線位移量與脈沖數成正比，每給壹個脈沖，步進電機就轉動壹個角度(步距角)或前進/倒退壹步，所以希望清晰的看到電機的此特性。我們通過設定步速及轉速，此時可以觀測到電機的步進及轉動壹圈的步數。
參考文獻
1王忠民，等。微型計算機原理(第二版)。西安：西安電子科技大學出版社，2007
2江曉安，董秀峰。模擬電子技術(第三版)。西安：西安電子科技大學出版社，2009
3李全利。單片機原理及接口技術。北京：高等教育出版社，2010
步進電機控制系統
韓 浩
(西安文理學院物理與機械電子工程系 陜西西安 710000)
摘要：步進電機作為執行元件， 是機電壹體化的關鍵產品之壹，廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展， 步進電機的需求量與日俱增， 在各個國民經濟領域都有應用。
關鍵詞：步進電機;執行元件;計算機;發展
1步進電機原理及特征
1.1步進電機的目前發展情況
步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。當步進驅動器接收到壹個脈沖信號， 它就驅動步進電機按設定的方向轉動壹個固定的角度(稱為?步距角?)， 它的旋轉是以固定的角度壹步壹步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量， 從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度， 從而達到調速的目的。在非超載的情況下， 電機的轉速、停止的位置只取決於脈沖信號的頻率和脈沖數， 而不受負載變化的影響， 即給電機加壹個脈沖信號， 電機則轉過壹個步距角。這壹線性關系的存在， 加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域使用步進電機進行控制變得非常簡單。步進電機可以作為壹種控制用的特種電機， 利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用於各種開環控制。
1.2步進電機的特點
1.步進電動機工作時每相繞組不是恒定地通電， 而是按壹定的規律輪流通電。 2.每輸入壹個脈沖電信號轉子轉過的角度稱為步距角。 3.步進電機可以按特定指令進行角度控制， 也可以進行速度控制。角度控制時， 每輸入壹個脈沖， 定子繞組就換接壹次， 輸出軸就轉過壹個角度， 其步數與脈沖數壹致， 輸出軸轉動的角位移量與輸入脈沖成正比。速度控制時， 步進電機繞組中送入的是連續脈沖， 各相繞組不斷地輪流通電， 步進電機連續動轉， 它的轉速與脈沖頻率成正比。改變通電順序， 即改變定子磁場旋轉方向， 就可以控制電機正轉或是反轉。
1.3步進電機的壹些典型運用場合
①步進電機主要用於壹些有定位要求的場合。例如：線切割的工作臺拖動，植毛機工作臺(毛孔定位)，包裝機(定長度)。基本上涉及到定位的場合都用得到。
②廣泛應用於ATM機、噴繪機、刻字機、寫真機、噴塗設備、醫療儀器及設備、計算機外設及海量存儲設備、精密儀器、工業控制系統、辦公自動化、機器人等領域。特別適合要求運行平穩、低噪音、響應快、使用壽命長、高輸出扭矩的應用場合。
③步進電機在電腦繡花機等紡織機械設備中有著廣泛的應用，這類步進電機的特點是保持轉矩不高，頻繁啟動反應速度快、運轉噪音低、運行平穩、控制性能好、整機成本低。
目前用於電腦繡花機的步進電機多數為三相混合式步進電機，並采用細分驅動技術可以大大改善步進電機的運行品質，減少轉矩波動，抑制振蕩，降低噪音，提高步矩分辨率。
1.4 步進電機的運轉原理及結構
步進電機是壹種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗壹點講：當步進驅動器接收到壹個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動壹個固定的角度(及步進角)。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決於脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加壹個脈沖信號，電機則轉過壹個步距角。這壹線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。
1.5 旋轉
如A相通電，B，C相不通電時，由於磁場作用，齒1與A對齊，(轉子不受任何力，以下均同)。如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移(て-1/3て)=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3て。
這樣經過A、B、C、A分別通電狀態，齒4(即齒1前壹齒)移到A相，電機轉子向右轉過壹個齒距，如果不斷地按A，B，C，A?通電，電機就每步(每脈沖)1/3て，向右旋轉。如按A，C，B，A?通電，電機就反轉。由此可見：電機的位置和速度由導電次數(脈沖數)和頻率成壹壹對應關系。而方向由導電順序決定。 2電路設計分析
2.1 8253及8255驅動步進電機電路
①按圖連接線路，利用8255 輸出脈沖序列，開關K0～K6 控制步進電機轉速，K7控制步進電機轉向。8255 CS 接288H～28FH。PA0～PA3 接BA～BD;PC0～PC7 接K0～K7。
②編程：當K0～K6 中某壹開關為?1?(向上撥)時步進電機啟動，並且電機轉動速度大小不同。K7 向上打電機正轉，向下打電機反轉。
2.2實驗重要參數計算
由實際測試得，stepcount步數設定為約59步時。步進電機轉動壹圈。
由實驗要求：先順時針，每分鐘6圈，轉十分鐘。約得stepcount=59*6*10=3540。
停止三秒：8086機器周期為1/5MHz.3s=1/5MHz*15*exp6即15M個機器周期的指令。
後逆時針，每分鐘30圈，轉十分鐘。約得stepcount=59*30*10=17700。
2.3 實際問題及解決方法
①硬件連接及軟件程序不夠熟練，經多方面查資料，翻閱書籍，確定設計方案及硬件軟件的具體設計內容。
②鍵盤及LED顯示的控制不夠理想，經程序的細心解讀，最終達到了設計的目的。按10號鍵顯示0。。。0030，按12號鍵顯示1。。。0006，按14號鍵啟動運行，按15號鍵停止運行。
③轉速控制，開始不夠精確。經反復測試，最終確定為59步每圈。並計算出6R/MIN，30R/MIN的設定步數。
3總結體會
首先，利用星研集成環境軟件編輯並運行程序，在STAR ES598PCI實驗儀上調試實驗結果，分析實驗程序及硬件電路;然後，在利用原有源程序進行實驗時，電機的轉速控制不是很明顯，這就要求修改控制步速Takesetpcount的數值，及8253的分頻數，以使電機轉速達到6r/min和30r/min。其次，調節8259控制鍵盤及顯示，最終達到實時顯示轉速及轉動方向，並用鍵盤控制其啟動與停止。由於步進電動機的運轉是由電脈沖信號控制的，步進電動機的角位移量或線位移量與脈沖數成正比，每給壹個脈沖，步進電機就轉動壹個角度(步距角)或前進/倒退壹步，所以希望清晰的看到電機的此特性。我們通過設定步速及轉速，此時可以觀測到電機的步進及轉動壹圈的步數。
參考文獻
1王忠民，等。微型計算機原理(第二版)。西安：西安電子科技大學出版社，2007
2江曉安，董秀峰。模擬電子技術(第三版)。西安：西安電子科技大學出版社，2009
3李全利。單片機原理及接口技術。北京：高等教育出版社，2010
電機控制技術論文篇二
步進電機的加減速控制
[摘 要]本文詳細分析了步進電機及其工作原理，並基於MCS-51系列單片機設計步進電機的數字控制系統。在設計中加入了步進電機的細分技術和恒頻脈寬調制技術。結合脈沖分配器的使用，開發了簡單的細分驅動控制電路。
[關鍵詞]步進電機;單片機;細分控制
中圖分類號：F140 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X(2015)40-0038-01
壹、引言
隨著科學技術的發展和微電子控制技術的應用，步進電機作為壹種可以精確控制的電機，廣泛應用在高精密加工機床，微型機器人控制，航天衛星等高科技領域。
二、 步進電機的原理
步進電機是壹種控制用的特種電機，它無法像傳統電機那樣直接通過輸入交流或直流電流使其運行，而是需要輸入脈沖電流來控制電機的轉動，所以步進電機又稱為脈沖電機。其功能是將脈沖電信號變換為相應的角位移或直線位移，即給壹個脈沖電信號，電機就轉動壹個角度或前進壹步。按勵磁方式可以分為反應式、永磁式和混合式三種類型，本設計中選用的是反應式步進電機，其結構如圖1所示。
這是壹臺四相反應式步進電機的典型結構。***有4套定子控制繞組，繞在徑向相對的兩個磁極上的壹套繞組為壹相，也就是說定子上兩個相對的大齒就是壹個相，電機按照A―B―C―D―A?的順序不斷接通和斷開控制繞組，轉子就會壹步壹步的連續轉動。其轉速取決與各控制繞組通電和斷電的頻率，即輸入的脈沖頻率。旋轉的方向則取決與各控制繞組輪流通電的順序。
三、步進電機的驅動控制
步進電機不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專門的步進電機驅動控制器。步進電機和步進電機驅動器構成步進電機驅動系統。步進電機驅動系統的性能，不僅取決於步進電機自身的性能，也取決於步進電機驅動器的優劣。
步進電機的驅動方式有很多種，包括單電壓驅動、雙電壓驅動、斬波驅動、細分驅動、集成電路驅動和雙極性驅動。本設計選用的是恒頻脈寬調制細分驅動控制方式，這是在斬波恒流驅動的基礎上的進壹步改進，既可以使細分後的步距角均勻壹致，又可以避免復雜的計算。
四、恒頻脈寬調制細分電路的設計
1、脈沖分配的實現
在步進電機的單片機控制中，控制信號由單片機產生。它的通電換相順序嚴格按照步進電機的工作方式進行。通常我們把通電換相這壹過程稱為脈沖分配。本設計中選用8713脈沖分配器芯片來進行通電換相控制。
2、系統控制電路設計
步進電機控制系統主電路設計如圖2所示。
從上圖可以看出，8713脈沖分配器的5、6、7引腳均接高電平，所以這是壹個控制四相步進電機按四相八拍運行的控制電路。8751單片機的P1.0和P1.1端口分別與8713脈沖分配器的3引腳和4引腳相連。由8751單片機的P1.0端提供步進脈沖，P1.1端則控制步進電機的轉向，輸出高電平，步進電機正傳;輸出低電平，步進電機反轉。單片機依然是控制的主體，它通過定時器T0輸出20kHz的方波，送D觸發器，作為恒頻信號。同時，由8713脈沖分配器的脈沖輸出端輸出的方波脈沖信號作為控制信號，它的方波電壓的每壹次變化，都使轉子轉動壹步。
當8713脈沖分配器的脈沖輸出端輸出的方波脈沖信號Ua不變時，恒頻信號CLK的上升沿使D觸發器輸出Ub高電平，使開關管T1、T2導通，繞組中的電流上升，采樣電阻上R2上壓降增加。當這個壓降大於Ua時，比較器輸出低電平，使D觸發器輸出Ub低電平，T1、T2截止，繞組的電流下降。這使得R2上的壓降小於Ua，比較器輸出高電平，使D觸發器輸出高電平，T1、T2導通，繞組中的電流重新上升。這樣的過程反復進行，使繞組電流的波頂呈鋸齒形。因為CLK的頻率較高，鋸齒形波紋會很小。
當Ua上升突變時，采樣電阻上的壓降小於Ua，電流有較長的上升時間，電流幅值大幅增長，上升了壹個階段，但由於這裏輸出的是方波信號而不是階梯信號，所以只有壹個上升階段，也就是說這個?階梯信號?只包含了壹個階，並沒有把每壹步細分成許多步，而是令輸出脈沖信號上升和下降的坡度變大，使原本的方波輸出變的圓滑，實現了控制信號類似梯形的平滑處理，如圖3所示。
同樣，當Ua下降突變時，采樣電阻上的壓降有較長時間大於Ua，比較器輸出低電平，CLK的上升沿即使會讓D觸發器輸出1也馬上清零。電源始終被切斷，使電流幅值大幅下降，降到新的階段為止。
以上過程重復進行。Ua每壹次變化，就會使轉子轉過壹個細分步。
在這個電路中有壹個最突出的特點，那就是用8713脈沖分配器所輸出的脈沖信號取代了典型恒頻脈寬細分電路中D/A轉換器所提供的階梯控制信號。這樣的設計極大的簡化了電路，並且降低了脈沖分配的控制難度。雖然用方波信號取代了階梯波信號，使得單壹相運行時的細分程度有所降低，但是由於步進電機的四相繞組是同進進行工作的，所以也可以達到了步進電機細分驅動控制的目的。
六、結束語
當前，步進電機的應用正不斷深入到日常生活和工業制造的各個方面，並且國內外對步進電機及其控制技術的研究也在不斷的進步。這些知識的掌握在今後的工作和生活之中將會起到非常積極的影響。
參考文獻
[1] 吳守箴，臧英傑等.電氣傳動的脈寬調制控制技術[M].北京： 機械工業出版社，2002.
[2] 王曉明.電機的單片機控制[M].北京航空航天大學出版社，2002.
[3] 李建忠主編.單片機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.
[4] 李仁定主編.電機的微機控制[M].北京：機械工業出版社，2004.
[5] 黃勇，廖宇，高林.基於單片機的步進電機運動控制系統設計[J].電子測量技術，2008，31(5)：150-154.
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