步进电机控制系统设计
基于PID控制的步进电机位置闭环控制系统设计
基于PID控制的步进电机位置闭环控制系统设计一、引言在现代自动化控制系统中，步进电机广泛应用于各种精密定位和定量控制需求的场景。
步进电机的控制涉及到位置的精确定位和稳定性的维持，这就需要一个有效的闭环控制系统来实现。
PID控制器被广泛应用于步进电机的闭环控制系统设计中，本文将探讨基于PID控制的步进电机位置闭环控制系统的设计原理和实现方法。
二、步进电机简介步进电机是一种特殊的直流电动机，通过控制脉冲信号的频率和顺序来实现精确控制。
步进电机的圆周分为若干等角度的步进角，每个步进角对应一个旋转角度，这使得步进电机在控制方面更加便捷和精确。
由于步进电机无需传感器反馈，因此常用于定量控制和精确位置控制的场合。
三、PID控制器原理PID控制器是一种经典的闭环控制器，其由比例（P）、积分（I）、微分（D）三个部分组成。
比例控制决定输出与偏差的比例关系，积分控制消除系统稳态误差和提高系统的响应速度，微分控制用于抑制系统对于负荷变化的敏感性。
PID控制器采用反馈控制策略，利用实际输出和期望输出之间的偏差来调整控制量。
四、步进电机位置闭环控制系统设计步进电机的位置闭环控制系统设计基于PID控制器。
首先，需要传感器来获得实际位置信息，然后与期望位置进行比较以获取偏差。
接下来，将偏差作为输入，经过PID控制器计算出控制量，并输出给步进电机驱动器。
步进电机驱动器根据控制量控制步进电机的旋转，从而实现位置的精确控制。
五、传感器选择为了获取步进电机的实际位置信息，需要选择合适的传感器。
常用的传感器包括光电编码器和霍尔传感器。
光电编码器具有高精度和高分辨率的特点，但价格较高；霍尔传感器则具有较低的价格和较高的可靠性，但分辨率较低。
根据具体需求和预算可选择合适的传感器。
六、PID参数调整PID控制器的性能很大程度上取决于参数的选择。
比例参数决定了响应的速度和稳定性，过大的比例参数会导致系统震荡，过小则导致响应速度慢；积分参数消除稳态误差，过大的积分参数会导致系统震荡，过小则无法消除稳态误差；微分参数能够抑制系统对负荷变化的敏感性，过大的微分参数会导致系统噪声，过小则无法起到抑制作用。
步进电机控制系统设计
摘要步进电机是一种将输入的电脉冲信号变换为阶跃性角位移或直线位移的电机,既给一个脉冲信号,电机就转动一个角度或前进一步,故而又称为脉冲电机。
它输出的角位移与输入的脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比。
步近电机必须与驱动器、控制器配套使用才能完成工作要求。
本设计既有硬件电路设计，也包括软件电路设计。
其中硬件电路设计主要有键盘电路，串行显示电路，驱动电路等。
软件设计主要有主程序，键盘扫描子程序，串行显示子程序和延时子程序等。
硬件设计采用57BYG350A型号的步进电机，与其配套的驱动器型号为MS-3H057M系列驱动器。
采用AT89S51单片机对步进电机进行控制，通过4×4矩阵键盘对步进电机的状态进行控制，采用LED数码管来显示步进电机的运行步数和运行速度。
关键字：步进电机，AT89C51，硬件接口电路，软件模块AbstractTread into the electrical engineering(The Stepping Motors) is a kind of electricity pulse signal transformation that will input to jumpssex Cape move or the straight line to move for the rank of electrical engineering, since give a pulse signal, the electrical engineering turns to move an angle or fronts further, hence be called the pulse electrical engineering again.Its output's Cape move with the importation of pulse the number becomes the direct proportion, turning to become the direct proportion with the pulse frequency soon.Tread the near electrical engineering must then can complete the work request with actuator, the controller kit usage.The design of both hardware circuit design, including software design. One major hardware circuit design circuit has a keyboard, serial show circuit, the driver circuit. Software Design main main program, keyboard scanning routines, serial display routines and routines, and so delayed. 57 BYG350A hardware design using models of stepping motor, instead of supporting the drive models for MS-3H057M series drives. AT89S51 microcontroller used to stepping motor control, through the 4 × 4 matrix key board on the status of stepping motor control, the use of LED digital display of the stepping motor running steps and speed.Keyword: stepping motor，AT89S51, Hardware circuit, Software module1 绪论1.1 课题背景步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的机电执行元件，每外加一个控制脉冲,电机就运行一步故称为步进电机或脉冲马达。
步进电机的PLC控制系统设计
Design of PLC Control System for Stepper MotorWu Ziming，Zhao Weixue（Heilongjiang University of Business and Technology, Harbin, Heilongjiang 150025, CHN）【Abstract】Firstly, designs the overall scheme of the stepper motor speed regulation electrical control system, and analyzes and selects the functions of the existing stepper drive functional mod⁃ules based on the corresponding modules. It mainly includes PLC control module, sensor module, motor drive module, power supply, and other parts. Secondly, a programming tool for the stepper motor speed control electrical control system was provided to control the sensors and the specific program for controlling the motor, and automatic cyclic positioning was achieved. In the field ex⁃periment, the specific methods of multiple working modes of the system are debugged, the physical objects of step positioning are analyzed, and the man-machine interface is added to realize the vi⁃sualization of the step motor speed control system.Key words:stepper motor；PLC；sensors；man-machine interface1引言在工业4.0的时代，步进驱动自动化的应用越来越广泛，其中，又以基于PLC的自动化控制系统最先进。
基于51单片机的步进电机控制系统设计与实现
步进电机工作原理
步进电机是一种基于磁场的控制系统，工作原理是当电流通过定子绕组时，会 产生一个磁场，该磁场会吸引转子铁芯到相应的位置，从而产生一定的角位移。 步进电机的角位移量与输入的脉冲数量成正比，因此，通过控制输入的脉冲数 量和频率，可以实现精确的角位移和速度控制。同时，步进电机具有较高的分 辨率和灵敏度，可以满足各种高精度应用场景的需求。
二、系统设计
1、硬件设计
本系统主要包括51单片机、步进电机、驱动器、按键和LED显示等部分。其中， 51单片机负责接收按键输入并控制步进电机的运动；步进电机用于驱动负载运 动；驱动器负责将51单片机的输出信号放大，以驱动步进电机。LED显示用于 显示当前步进电机的状态。
2、软件设计
软件部分主要包括按键处理、步进电机控制和LED显示等模块。按键处理模块 负责接收用户输入，并根据输入控制步进电机的运动；步进电机控制模块根据 按键输入和当前步进电机的状态，计算出步进电机下一步的运动状态；LED显 示模块则负责实时更新LED显示。
三、系统实现
1、按键输入的实现
为了实现按键输入，我们需要在主程序中定义按键处理函数。当按键被按下时， 函数将读取按键的值，并将其存储在全局变量中。这样，主程序可以根据按键 的值来控制步进电机的转动。
2、显示输出的实现
为了实现显示输出，我们需要使用单片机的输出口来控制显示模块的输入。在 中断服务程序中，我们根据设定的值来更新显示模块的输出，以反映步进电机 的实时转动状态。
基于单片机的步进电机控制系统需要硬件部分主要包括单片机、步进电机、驱 动器、按键和显示模块等。其中，单片机作为系统的核心，负责处理按键输入、 控制步进电机转动以及显示输出等功能。步进电机选用四相八拍步进电机，驱 动器选择适合该电机的驱动器，按键用于输入设定值，显示模块用于显示当前 步进电机的转动状态。
基于stm32103的步进电机控制系统设计
基于stm32103的步进电机控制系统设计步进电机是一类常用的电机，广泛应用于控制系统中。
本文旨在介绍步进电机及其在控制系统中的应用，并概述本文的研究目的和重要性。
步进电机是一种将电脉冲信号转换为旋转运动的电机。
构成和工作方式步进电机由定子、转子和驱动电路组成。
定子是电磁铁，可以根据输入的电流控制电磁铁产生磁场。
转子是由磁性材料制成的旋转部分，定子的磁场会使得转子受到磁力的作用而旋转。
步进电机的工作方式是通过不断输入脉冲信号来控制电机的运动。
每一次输入一个脉冲信号，步进电机就会转动一定的步进角度。
步进角度取决于步进电机的类型和驱动电路的设置，常见的步进角度有1.8度和0.9度。
输入脉冲信号旋转的步进角度输入脉冲信号的频率和方向决定了步进电机的转动速度和方向。
每一个脉冲信号的到来，步进电机会按照预定的步进角度旋转。
例如，若步进电机的步进角度为1.8度，那么每接收一个脉冲信号，步进电机就会旋转1.8度的角度。
综上所述，步进电机通过输入脉冲信号实现了精确而可控的旋转运动。
本文将阐述基于STM单片机的步进电机控制系统设计。
该设计包括硬件电路设计和软件程序设计。
本文将介绍如何通过STM与步进电机进行通信和控制，以实现预定的步进运动。
步进电机控制系统的硬件电路设计主要包括以下部分：步进电机驱动电路：通过STM的GPIO口控制步进电机驱动电路，实现电机的正转、反转和停止等操作。
电源电路：为步进电机提供稳定的电源供电，保证系统正常工作。
外设接口：设计相应的接口电路，实现STM与外部设备的连接。
步进电机控制系统的软件程序设计主要涉及以下方面：初始化设置：在程序开始运行时，对STM进行初始化设置，包括引脚配置、时钟设置等。
步进电机驱动程序：编写相应的程序代码，通过GPIO口控制步进电机的驱动电路，实现电机的正转、反转和停止等操作。
运动控制程序：编写相应的程序代码，通过控制步进电机的驱动电路，实现预定的步进运动，包括移动一定的步数、以特定的速度旋转等。
步进电机控制系统设计
INC AL
JZ MAIN1
CALL XIAN
MOV AL,[DI]
OUT DX,AL
CALL DLY
INC DI
DEC BL
JNZ SHSIF2
DEC CL
JNZ SHSIF0
JMP WAIT00
MAIN11:JMP MAIN1
;四相八拍正转
SIBAZH:
MOV AL,02H
MOV DX,MY8255_C
OUT DX,AL
CALL DLY
INC DI
DEC BL
JNZ SIBAF2
SIBAF0:MOV AH,0BH
INT 21H
INC AL
JZ MAIN11
LEA BX,TABLE1
MOV AL,CL
XLAT
MOV DX,MY8255_A
OUT DX,AL
SIBAF1:
MOV BL,08H
MOV DX,MY8255_B
LEA DI,TABBF
SIBAF2:CALL XIAN
MOV AL,[DI]
OUT DX,AL
CALL DLY
INC DI
DEC BL
JNZ FANSI2
DEC CL
JNZ FANSI0
JMP WAIT00
;中间跳转
SIBA0: JMP SIBAZH
SIBA1: JMP SIBAF
MAIN1: JMP MAIN
QUIT1: JMP QUIT
;双四拍正转
SHSIZH:
MOV AL,02H
3.2流程图- 6 -
4结束语- 6 -
1
步进电动机是一种将电脉冲信号转换相应的角位移的特种电动机。是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一。步进电动机具有快速起动能力，而且精度高，在数字控制系统中可以直接接受来自计算机的数字信号，不需要进行数/模转换，所以步进电动机在定位场合得到了广泛应用。
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设计引言：步进电机是一种常用的电机类型，具有精准的位置控制、高效的能量转换等特点。
在许多自动化设备中广泛应用，如数控机床、3D打印机、机器人等。
本文将以基于单片机的步进电机控制系统设计为主题，介绍系统的硬件设计、软件设计以及实验验证。
一、硬件设计1.步进电机选型：根据实际应用需求，选择适当的步进电机。
包括步距角、转速范围、扭矩要求等等。
2.电源设计：步进电机需要驱动电压和电流，根据步进电机的额定电压和电流选用适当的电源。
3.驱动电路设计：步进电机通常需要驱动电路来控制电流和脉冲序列。
常见的驱动电路有全桥驱动器、半桥驱动器等。
4.信号发生器设计：步进电机通过脉冲信号来控制转动角度和速度，因此需要信号发生器来产生合适的脉冲序列。
常见的信号发生器有定时器、计数器等。
5.单片机接口设计：单片机作为步进电机控制系统的核心，需要与其他硬件进行通信。
因此需要设计合适的接口电路，将单片机的输出信号转换为驱动电路和信号发生器所需的电压和电流。
二、软件设计1.单片机程序框架设计：根据具体的单片机型号和开发环境，设计合适的程序框架。
包括初始化设置、主循环、中断处理等。
2.脉冲生成程序设计：根据步进电机的控制方式（如全步进、半步进、微步进等），设计脉冲生成程序。
通过适当的延时和输出信号控制，产生合适的脉冲序列。
3.运动控制程序设计：设计运动控制程序，实现步进电机的前进、后退、加速、减速等功能。
根据具体需求，可以设计不同的运动控制算法，如速度环控制、位置环控制等。
4.保护机制设计：为了保护步进电机和控制系统，设计合适的保护机制。
如过流保护、过压保护、过载保护等。
三、实验验证1.硬件连接：将步进电机、驱动电路和单片机按照设计进行连接。
2.软件调试：通过单片机编程，调试程序代码。
确保脉冲生成、运动控制等功能正常工作。
3.功能测试：对步进电机控制系统进行功能测试，包括正转、反转、加速、减速等功能。
通过观察步进电机的运动状态和测量相关参数来验证系统设计的正确性和性能。
基于51单片机的步进电机红外控制系统的设计
文章标题：基于51单片机的步进电机红外控制系统的设计引言在现代科技发展迅速的时代，控制系统已经被广泛应用于各个领域。
其中，基于51单片机的步进电机红外控制系统的设计，不仅在工业领域有着重要的作用，同时也在家电领域、智能家居等方面得到了广泛的应用。
本文将从步进电机控制系统的设计原理、红外控制的基本概念以及基于51单片机的系统设计方案等方面展开深入探讨。
一、步进电机控制系统的设计原理步进电机是一种将电脉冲信号转换为机械位移的执行元件，其控制系统设计原理是核心。
以步进电机为执行元件的控制系统通常包括电脉冲发生电路、电流驱动电路、位置控制逻辑电路以及接口电路等模块。
在系统设计中，需要考虑步进电机的类型、工作方式、转动角度以及控制精度等因素，以选择合适的控制方案和相关元器件。
针对步进电机的控制系统设计，首先需要从硬件电路和软件控制两个方面进行综合考虑。
硬件方面需要设计合适的脉冲发生电路和驱动电路，并根据具体场景考虑相关的接口电路，以实现步进电机的控制和驱动。
而软件控制方面，则需要编写相应的控制程序，使得系统能够根据具体的控制要求进行精准的控制和调节。
二、红外控制的基本概念红外控制是一种常见的无线遥控技术，通过使用红外线传输信号来实现对设备的控制。
通常包括红外发射器和红外接收器两个部分，发射器将控制信号转换成红外信号发送出去，接收器接收红外信号并将其转换成电信号进行处理。
在实际应用中，红外控制技术已经被广泛应用于各种家电遥控器、智能家居系统以及工业自动化领域。
红外控制的基本原理是在发射器和接收器之间通过红外线进行双向通信，通过调制解调的方式进行信号的传输和解析。
设计基于红外控制的步进电机系统需要考虑红外信号的发射和接收过程，以及相关的解析算法和信号处理。
信号的稳定性、抗干扰能力以及传输距离等也是需要考虑的重要因素。
三、基于51单片机的系统设计方案在步进电机红外控制系统的设计中，选择合适的控制芯片和处理器是至关重要的。
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摘要：着重对步进电动机的PLC控制系统作了研究。
步进电动机的
拍数控制采用步进指令，分别实现单三拍、双三拍、六拍控制的独立模块，按照指令执行相应的模块即可。
正反转控制是用一个输出继电器实现输出脉冲顺序的控制。
速度的控制就是对输出脉冲时间的控制，本设计用时间继电器指令、数据加减1指令、数据比较指令、位数据传输指令等实现了它的控制。
采用PLC控制步进电动机可以用很低的成本实现很复杂的控制方案，而且由于PLC编程的灵活性，使修改控制方案成为轻而易举的事情，只要重新编程序即可。
关键词：步进电机单三拍双三拍六拍
1、目的与要求
综合运用所学的《单片机原理与应用》理论知识，通过实践加强对所学知识的理解，具备设计单片机应用系统的能力，以单片机为核心设计一个步进电机控制系统，要求能够通过键盘设置步进电机的转向和转速，并在LED显示器上显示步进电机转速或工作状态。
本课题以单片机为核心，设计并制作出步进电机控制系统，设计要求：
1、按下不同的键，分别使步进电机实现顺时针和逆时针旋转。
2、电机运转状态可以是正反转，加速减速，五种不同速度的各种组
合。
3、通过LED数码管显示电机运行状态。
2、步进电机的原理介绍
2.1 步进电机的工作原理
步进电机是纯粹的数字控制电动机。
它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。
如下图所示，驱动方式为二相四拍方式各线圈通通电顺序如下表：
A B A’B’
相
顺序
0 1 1 0 0
1 0 1 1 0
2 0 0 1 1
3 1 0 0 1
表1-1
电机正反转控制和速度控制：
当电机绕组通电时序为AB-BA’-A’B’-B’A-AB时为正转，通电时序为AB-B’A-A’B’-BA’-AB时为反转。
步进电机的驱动电路，微电脑向步进电机输入端传送1或0信息，则可实现上述操作。
通过不同长度的延时来得到不同频率的步进电机输入脉冲，从而得到多种步进速度，也就是改变电机的转动速度。
2.2 步进电机的基本术语
2.2.1 相数
产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。
2.2.2 拍数
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以两相电机为例，有两相四拍运行方式即AB-BA’-A’B’-B’A-AB，
两相八拍运行方式AB-B-BA’-A’-A’B’-B’-B’A-A-AB。
2.2.3 步距角
对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二相，转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。
2.2.4 信号分配
二相步进电机，工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。
两相四拍为AB-BA’-A’B’-B’A-AB,步距角为1.8度；两相八拍为
AB-B-BA’-A’-A’B’-B’-B’A-A-AB,步距角为0.9度。
这里选取四拍的的工作方式。
3 、设计总体思路
3.1 方案与思路
因为步进电机的控制是通过脉冲信号来控制的，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
所以怎样产生这个脉冲信号和产生怎样的信号是电机控制的关键。
用单片机来产生这个脉冲信号，通过单片机的P1口输出脉冲信号，因为所选电机是两相的，所以只需要P1口的低四位P1.0~P1.3分别接到电机的四根电线上。
定时器定时来调整电机的转速，通过键盘的按钮，就可以改变定时初值从而改变了电机的转速，P0口接LED数码管，可以显示当前的电机转速和按钮状态。
4、程序设计
4.1 主程序
进入主程序显示初始化状态，主程序由键盘程序、显示程序、步进电机驱动程序三部分组成，主程序首先初始化各变量，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，然后调用键盘程序，并作判断，有键按下，则调用键盘程序，并显示出状态。
图4-1开始
显示初始化状态
“—00”
按键检测
Flag==0 Flag==1 Flag==2
以初始速度正向旋转“0—10”以初始速度反向旋转“1—10”
加速减速减速
加速
是否为极限速度是否为极限速度
保持速度显示上限速度加/减
显示改变
保持速度
显示上限
速度加/减
显示改变
结束
N
Y
N
Y
N
Y
N
Y
4.2 显示子程序
转速的显示是给用户最直观的概念，知道电机的转的快慢，知道电机当前的转速，而需要怎样的速度，再对它进行加减速。
而这个显示是调用显示子程序。
具体流程图如下：
图4-2
显示
Flag==0? 第一个数码管显示“0”（正传）
Y
Flag==2
？ N
第一个数码管显示“1”（反转）
N
复位显示
“—00” Y
第二位显示
“—” 第3、4位显示转速。
第三位显示转速/10，第四位显示转速%10 NEXT
4.3 键盘扫描子程序
键盘是我们唯一和电机沟通的桥梁，通过键盘的输入从而改变电机的运行状态，这里所需要的键盘数量不多，可以根据学习板做成独立式键盘，键盘的焊接是行线接单片机P3口的p3.0~p3.4,通过调用KEY 扫描键盘，调用延时程序，再判断是否有键按下，如果无键按下就返回继续扫描，如果有键按下，则调用delay 延时去抖动，再读键值，等待键释放，具体流程如下图：
图4-3
键盘扫描
复位是否按下 正转是否按下 Flag==0转速为10
反转是否按下 Flag==1转速为10
减？ 为最高速度？
速度加1
保持20
加？
为最低速度？
速度减1
保持1
返回
Flag==2 转速=0
N Y
Y
N
N
Y
Y
N
N Y
Y
N
Y
N
五、硬件设计
5.1 硬件的设计与选取
5.1.1步进电机的特点
感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。
因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。
感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。
一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。
（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。
5.1.2 步进电机的分类
感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。
以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。
5.1.3步进电机的注意点
步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。
这里规定电机转速1~20转每分钟。
步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。
这里要求不高，使用整步状态。
于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12V的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。
应遵循先选电机后选驱动的原则。
综上所述，电机选取42BYG系列感应子式步进电机，两相四拍整步状态。
第8章参考文献
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[2]张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术.北京：国防工业出版社
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社
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