步进电机控制及高速脉冲指令的设计
大学毕业设计 C51程序控制步进电机
题目：简易步进电机控制步进电机控制摘要：本设计采用ATMEL公司DIP-40封装的AT89S52单片机实现对四相步进电机的手动和按键控制。
由单片机产生的脉冲信号经过分配后分解出对应的四相脉冲，分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。
转速的调节和状态的改变由按键进行选择，此过程由程序直接进行控制。
通过键盘扫描把选择的信息反馈给单片机，单片机根据反馈信息做出相应的判断并改变输出脉冲的频率或转动状态信号。
电机转动的不同状态由液晶LCD1602显示出来。
而设计的扩展部分可以通过红外信号的发射由另一块单片机和红外线LED完成，用红外万能接收头接收红外信号，可以实现对电机的控制进行红外遥控。
关键字：四相步进电机单片机功率放大 LCD1602步进电机控制 (1)摘要 (1)关键字 (1)前言 (3)1系统总体方案设计及硬件设计 (4)1.1步进电机 (4)1.1.1 步进电机的种类 (4)1.1.2 步进电机的特点 (4)1.1.3 步进电机的原理 (5)1.2 控制系统电路设计 (7)1.3 液晶显示LCD1602 (7)1.4 AT89S52核心部件及系统SCH原理图 (9)1.5 LN2003A驱动 (10)2软件设计及调试 (13)2.1程序流程 (13)2.2软件设计及调试 (14)3 扩展功能说明 (15)4设计总结 (16)5 设计源程序 (16)6 附录 (21)参考文献 (22)附2：系统原理图及实物图 (23)步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。
目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。
分散器件组成的环形脉冲分配器体积比较大，同时由于分散器件的延时，其可靠性大大降低;软件环形分配器要占用主机的运行时间，降低了速度;专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高、可靠性好，但其适应性受到限制，同时开发周期长、需求费用较高。
基于PLC的步进电机控制 (课程设计)
本文介绍了本实验旨在完成使用PLC（Programmable Logic Controller）控制步进电机的整步运行、正反转运行、快慢速运行以及定位运行。
文中指出本次使用的编程思想主要为模块化设计即为完成任务可对程序划分为主程序及子程序。
由于步进电机需要脉冲来运行，所以本程序使用PTO高速脉冲输出脉冲。
在定位程序中则应用到中断子程序命令。
另外，本文为更好的阐述实验内容，加入了与之前完全不同的方式的对比实验。
在对比试验中则应用计时器来完成步进电机的脉冲产生，另步进电机的各种功能则使用了一般的设计方式来实现。
二者完成完全相同的功能。
关键词：PLC 步进电机 PTO高速脉冲1 实验内容 (1)1.1实验任务 (1)1.2实验要求 (1)2 实验设备 (2)2.1步进电机简介 (2)2.2 PLC简介 (2)3 设计过程 (3)3.1设计思想 (3)3.2程序设计 (4)4 对比实验 (12)4.1对比程序思想 (12)4.2对比程序 (14)谢辞 (15)参考文献 (16)1实验内容1.1实验任务本次实验要求改变PLC脉冲输出信号的频率，实现步进电机的速度控制。
同时按下K1、K2、K3按钮，步进电机进行整步运行。
按下慢/快按钮，电机慢/快速运行。
用PLC 输出脉冲的个数，实现步进电机的精确定位。
在整步运行状态下，设脉冲数为一固定值，并用计数器进行计数，实现电机的精确定位控制。
按下停止按钮，系统停止工作。
1.2实验要求本设计要求使用步进电机。
选用的步进电机为二项混合式，供电电压24VDC，功率30W，电流1.7A，转矩0.35NM，步矩角1.8º/0.9º,并配有细分驱动器，实现细分运行，减少震荡。
本设计要求选用PLC设计出输出频率可变的控制程序，实现对步进电机的速度、方向、定位、细分等控制功能。
本设计旨在培养综合设计能力、创新能力、分析问题与解决问题的能力。
掌握PLC 控制的步进电机控制系统的构成及设计方法；掌握PLC控制程序设计、调试的方法。
利用DSP实现的步进电机控制器的设计
利用DSP实现的步进电机控制器的设计数字信号处理(Digital Signal Processing,简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。
20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。
数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。
在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。
德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。
TMS320LF2407是TI公司主推的一种高性能、低价格DSP处理器，其处理速度达到30 MIPS,片内处理集成RAM、Flash及定时器外，还集成了A/D转换器、PWM控制器及CAN总线控制器等模块，特别适合于电机、电源变换等实时要求高的控制系统。
但是通常设计DSP程序的方法是，在DSP的集成开发环境CCS中用C语言设计，需要花费大量的时间用来编写和输入程序代码。
在Matlab中用图形化的方式设计DSP的程序，能够缩短产品的开发时间。
本文所介绍的是一种基于TMS320LF2407实现的步进电机控制系统的设计。
1 系统硬件构成整个系统分为五个部分组成：DSP中央控制器TMS320LF2407,步进电机及驱动，光电编码器，键盘及液晶显示部分，以及整个系统的外围电源电路及看门狗复位电路组成，。
在这个系统设计中，由键盘设定给定转速(位置)，通过中央控制器TMS320LF2407来产生PWM脉冲信号来控制步进电机的转速(位置)，可以采用光电编码器对步进电机的转速(位置)进行采样检测实现闭环控制，也可以采用开环控制无需转速(位置)信号，以上过程中的多个变量、参数可以在液晶显示屏上得到直观地反映。
整个硬件结构简单直观，中央控制器TMS320LF2407还剩余丰富的I/O及中断资源，在此设计基础上具有一定的扩展空间。
步进电机定位控制
02
反应式步进电机
03
混合式步进电机
转子为软磁材料，结构简单、步 矩角小、精度较高，但动态性能 较差。
结合了永磁式和反应式的优点， 具有较高的精度和动态性能，但 结构复杂、成本较高。
步进电机的主要应用领域
01 数控机床：用于工件的精确加工和定位。
02 机器人：用于机器人的关节驱动和定位控 制。
03
自动化生产线：用于自动化生产线的物料 搬运和定位控制。
04
打印机、复印机等办公设备：用于纸张的 进给和定位控制。
02
CHAPTER
步进电机定位控制系统
定位控制系统的基本组成
控制器
用于接收输入的定位指令，并按照控制算法 生成驱动脉冲信号。
驱动器
将控制器输出的脉冲信号放大，驱动步进电 机转动。
步进电机
步进电机定位控制的软件实现
软件实现概述
软件实现是实现步进电机定位控制的 重要组成部分，主要包括脉冲发生、 运动控制和通信等功能。
脉冲发生
根据控制算法输出的控制信号，生成 相应的脉冲信号，驱动步进电机运动。
运动控制
实时监测步进电机的运动状态，根据 反馈信息调整控制信号，确保电机按 照预定轨迹运动。
通信功能
工作原理：步进电机内部通常由一组带有齿槽的转子构成，定子上有多相励磁绕组。当给定一个脉冲信号时，定子上的励磁 绕组会按一定的顺序通电，从而在转子上产生一个磁极，该磁极与定子上的齿槽对齐时，转子会转动一个步进角。步进角的 大小取决于转子的齿数和通电的相数。
步进电机的种类与特点
01
永磁式步进电机
结构简单、成本低、步矩角大， 但精度较低。
接受驱动器发出的脉冲信号，按照设定的步 数和方向转动。
第3章 步进电动机的控制-1
这种反应式步进电动机的步距角较大，不适合一般用途的要求。
4.小步距角步进电动机
图3-1所示为三相反应式步进电动机。设m为相数，z为 转子的齿数则齿距：
tb 360 z
因为每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，各 相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。故步距角：
b
齿距 拍数 齿距 Km 360 Km z
通电方式: 从一相通电改换成另一相通电，即通电方式改变一次叫 “一拍”。步进电动机有单相轮流通电、双相轮流通电和单 双相轮流通电的方式。
3.多段反应式步进电机结构及工作原理
前面介绍的单段反应式步进电机是按 径向分相的，此外，还有一种反应式 步进电机是按轴向分相，这种步进电 机又称为多段反应式步进电机。 多段反应式步进电机是沿轴向分成磁 性相对独立的几段，每一段都有一组 励磁绕组，形成一相，因此，三相电 动机有三段，其结构如图3-2所示。 图3-2 三段三相反应式步进电动 机结构原理图
一、步进电动机的种类
1.按运动方式来分：分为旋转运动、直线运动、平面运动（印刷绕组式）和 滚切运动式步进电机。 2.按工作原理来分：分为反应式(磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁感应式 （混合式）步进电机。 3.按其工作方式来分：分为功率式和伺服式。前者输出转矩较大，能直接带 动较大的负载；后者输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通 过液压放大元件来传动。 4.按结构来分：分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。 5.按相数来分：分为三相、四相、五相、六相等。 6.按使用频率来分：分为高频步进电机和低频步进电机。 不同类型步进电机其工作原理、驱动装臵也不完全一样，但其工作过程 基本是相同的。
（3-2）
若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角应满足:
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。
步进电机控制及高速脉冲指令
一脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继处在激磁状态， 则电机转轴将移动半个步距角，停在相邻两个整步位置的 中间。如此循环地对两相线圈进行单相然后双相激磁步进 电机将以每个脉冲0.90度的半步方式转动。所有 Leadshine公司的整/半步驱动器都可以执行整步和半步驱 动，由驱动器拨码开关的拨位进行选择。和整步方式相比， 半步方式具有精度高一倍和低速运行时振动较小的优点， 所以实际使用整/半步驱动器时一般选用半步模式。
在没有设置细分时步距角是1.8°，即 200个脉冲/转。设置成4细分后，则是 800脉冲/转。相当一个导程需要800个 脉冲。
高速脉冲输出
高速脉冲输出有脉冲串输出PTO和脉宽调制输出PWM 两种形式。 每个CPU有两个PTO/PWM发生器，一个发生器分配给
输出端Q0.0，另一个分配给Q0.1。当Q0.0或Q0.1设定
细分驱动
细分驱动模式具有低速振动极小和定位精度高两大优点。 对于有时需要低速运行（即电机转轴有时工作在60rpm以 下）或定位精度要求小于0.90度的步进应用中，细分驱动 器获得广泛应用。其基本原理是对电机的两个线圈分别按 正弦和余弦形的台阶进行精密电流控制，从而使得一个步 距角的距离分成若干个细分步完成。如上图所示。例如十 六细分的驱动方式可使每圈200标准步的步进电机达到每 圈200*16=3200步的运行精度（即0.1125°）。Leadshine 公司可提供规格齐全、性能优越、品质可靠、价格优惠的 十余款细分驱动器。
式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依此类推。
步进驱动器原理
从步进电机的转动原理可以看出，要使步进电机
正常运行，必须按规律控制步进电机的每一相绕
组得电。步进驱动器接收外部的信号是方向信号
PLC高速脉冲输出控制步进电机
PLC高速脉冲输出控制步进电机1. 背景介绍步进电机是一种常见的电动机类型，它具有精准的位置控制和高速运动的特点。
在很多工业自动化应用中，步进电机常常需要与PLC（可编程逻辑控制器）配合使用，以实现精准的位置控制和高速脉冲输出。
本文档将介绍如何通过PLC实现高速脉冲输出控制步进电机的方法和步骤。
2. 所需材料在开始之前，我们需要准备以下材料：•PLC控制器•步进电机驱动器•步进电机•连接线•电源请确保以上材料齐全并符合各自的规格要求。
3. PLC高速脉冲输出控制步进电机的步骤步骤一：连接电源和PLC控制器首先，将电源连接到PLC控制器上。
确保电源的电压和PLC控制器的额定电压匹配。
然后将PLC控制器的电源线连接到电源上，并确保连接牢固。
步骤二：连接步进电机驱动器和PLC控制器将步进电机驱动器的电源线连接到电源上，并确保连接牢固。
然后，将步进电机驱动器的控制线连接到PLC控制器上，确保连接正确。
步骤三：连接步进电机和步进电机驱动器将步进电机的线束连接到步进电机驱动器上，确保连接正确。
根据步进电机的规格要求，选择正确的接线方法。
步骤四：PLC编程在PLC编程软件中进行编程，以实现高速脉冲输出控制步进电机。
以下是一个简单的PLC编程示例：BEGINVARmotor_output: BOOL := FALSE; -- 步进电机控制信号pulse_delay: TIME := T#10MS; -- 脉冲延迟时间，控制步进电机的速度END_VAR-- 主程序WHILE TRUE DO-- 输出一个脉冲信号控制步进电机运动motor_output := NOT motor_output;DELAY pulse_delay; -- 延迟一段时间，控制步进电机的速度END_WHILE;END;以上的PLC程序实现了一个简单的高速脉冲输出控制步进电机的功能。
在主程序中，通过循环不断地输出一个脉冲信号来控制步进电机的运动，同时通过调整延迟时间来控制步进电机的速度。
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步进驱动器
• 环型分配器的功能： 主要是把外部CP端送 入的脉冲进行分配， 给功率放大器，功率 放大器相应的晶体管 导通，步进电机的线 圈得电。
步进电机、步进驱动器和PLC之间的连接
步进驱动器工作模式
• 有三种基本的步进电机驱动模式：整步、半步、 细分。其主要区别在于电机线圈电流的控制精度 （即激磁方式）。 • 整步驱动按输出力矩大 小按定子数 按各相绕组分 布
步进电机的结构
目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。 在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种 轴向分相：各相绕组按轴向依次排列。 径向分相：各相绕组按圆周依次排列。
轴 向 分 布
步进电机工作原理
步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。
当某相定子励磁后：它吸引转子，转子的齿与该相定子磁 极上的齿对齐，转子转动一个角度，换一相得电时，转子 又转过一个角度，如此每相不停地轮流通电，转子不停地 转动。
步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角 度α称为步距角。
步进电机工作原理
三相单三拍。得电相序为A-B-C-A 步进电机逆时针旋转
步进电机工作原理
• 综上所述，可以得到如下结论： (1) 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转 过一个确定的角度，即步进电机的步距角α； (2) 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之 改变； (3) 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转 的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高； (4) 步进电机步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通 电方式k有关，可用下式表示：
步进驱动器有关细分的设置
• 什么叫细分？ • 为了提高步进电机控制的精度，现在的步进驱动器都有细 分功能，所谓细分就是通过驱动器中电路的方法把把步距 角减小。 • 例如把步进驱动器设置成5细分，假设原来步距角为1.8°， 那么设置成5细分后，步距角就是0.36°。即原来一步可 以走完的，设置成细分后需要走5步。
步进电机的种类
分 类 方 式 按力矩产生的 原理 具 体 类 型 （1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应 力矩实现步进运行 （2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁 钢），由电磁力矩实现步进运行 （1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（N· m） 只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动 机床工作台等较大的负载 （2）功率式：输出力矩在5-50 N· m以上，可以直接驱动机 床工作台等较大的负载 （1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式 （1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列 （2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列
式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依此类推。
步进驱动器原理
• 从步进电机的转动原理可以看出，要使步进电机
正常运行，必须按规律控制步进电机的每一相绕
组得电。步进驱动器接收外部的信号是方向信号
（DIR）和脉冲信号（CP）。另外步进电机在停止 时，通常有一相得电，电机的转子被锁住，所以 当需要转子松开时，可以使用脱机信号（FREE）.
三相单三拍。得电相序为A-C-B-A 步进电机顺时针旋转
• 电机的运行方向与通电的相序有关，改变通电的相序，电
机的运行方向会改变。
步进电机工作原理
• 上面所述的这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相六拍的通电方 式，它的通电顺序是：顺时针为A → AB → B → BC → C → CA → A … ；逆时针为A → AC → C→ CB → B → BA →A…。 • 若以三相六拍通电方式工作，当A相通电转为A和B同时通电时，转子 的磁极将同时受到A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸 引，转子的磁极只好停在A和B两相磁极之间，这时它的步距角α等于 30°。当由A和B两相同时通电转为B相通电时，转子磁极再沿顺时针 旋转30°，与B相磁极对齐。其余依此类推。采用三相六拍通电方式， 可使步距角α缩小一半。
在整步运行中，同一种步进电机既可配整/半步驱动器也可配细分驱 动器，但运行效果不同。步进驱动器按脉冲/方向指令对两相步进电 机的两个线圈循环激磁（即将线圈充电设定电流），这种驱动方式的 每个脉冲将使电机移动一个基本步距角，即1.80 度(标准两相电机的 一圈共有200个步距角)。
• 半步驱动
• 在单相激磁时，电机转轴停至整步位置上，驱动器收到下
步进控制系统的组成
控制器 1.PLC、单片机、位置控 制模块等。 2.产生脉冲和方向信号。
步进驱动器 1.对控制器送来的 脉冲和方向信号进 行放大和分配。
步进电机和工作台 步进电机按照分配 来的信号运行驱动 工作台。
步进电机结构和工作原理
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。 脉冲数越多电机转动的角度越大。 脉冲的频率越高电机的转速越快，但不能超过最高频率否 则电机的力矩会迅速减小，电机不转。
• 细分驱动
• 细分驱动模式具有低速振动极小和定位精度高两大优点。 对于有时需要低速运行（即电机转轴有时工作在60rpm以 下）或定位精度要求小于0.90度的步进应用中，细分驱动 器获得广泛应用。其基本原理是对电机的两个线圈分别按 正弦和余弦形的台阶进行精密电流控制，从而使得一个步 距角的距离分成若干个细分步完成。如上图所示。例如十 六细分的驱动方式可使每圈200标准步的步进电机达到每 圈200*16=3200步的运行精度（即0.1125°）。Leadshine 公司可提供规格齐全、性能优越、品质可靠、价格优惠的 十余款细分驱动器。
一脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继处在激磁状态， 则电机转轴将移动半个步距角，停在相邻两个整步位置的 中间。如此循环地对两相线圈进行单相然后双相激磁步进 电机将以每个脉冲0.90度的半步方式转动。所有 Leadshine公司的整/半步驱动器都可以执行整步和半步驱 动，由驱动器拨码开关的拨位进行选择。和整步方式相比， 半步方式具有精度高一倍和低速运行时振动较小的优点， 所以实际使用整/半步驱动器时一般选用半步模式。