步进电机控制系统原理
步进电机控制系统原理
步进电机控制系统原理步进电机控制系统的原理是控制步进电机运动，使其按照既定的速度和步长进行转动。
步进电机是一种特殊的电机，它通过控制输入的脉冲信号来驱动转子旋转一定的角度，步进电机每接收到一个脉冲信号，转子就会转动一定的角度，因此可以精确控制电机的位置和速度。
控制器是步进电机控制系统的核心部分，它通过软件算法生成脉冲信号来控制步进电机转动。
脉冲信号的频率和脉宽可以调节，频率决定步进电机转动的速度，脉宽决定步进电机转动的步长。
通常采用微处理器作为控制器，通过编程来控制脉冲信号的生成。
驱动器是将控制器产生的脉冲信号转换为电流信号，驱动步进电机转动。
驱动器通常由一个或多个功率晶体管组成，通过开关控制来产生恰当的电流信号。
驱动器还可以采用电流反馈回路来实现闭环控制，提高步进电机的控制精度。
步进电机是根据驱动器的电流信号转动的执行部件，它通过电磁力和磁场相互作用来实现转动。
步进电机根据控制器产生的脉冲信号确定转动的角度和速度。
步进电机一般由定子和转子组成，定子上有若干个电磁线圈，转子上有若干个永磁体。
当驱动器给定一个电流信号时，电流通过定子线圈产生磁场，与转子上的永磁体相互作用，使转子转动一定的角度。
当驱动器改变电流信号时，磁场方向改变，转子转动的角度和方向也会改变。
步进电机控制系统的原理就是通过控制器产生脉冲信号，驱动器将脉冲信号转换为电流信号，通过电流信号驱动步进电机转动。
控制器根据需要调整脉冲信号的频率和脉宽，从而控制步进电机的转动速度和步长。
驱动器根据电流信号的大小和方向控制步进电机的转动角度和方向。
步进电机根据电磁力和磁场相互作用来实现转动。
通过调节脉冲信号的频率和脉宽，可以实现对步进电机的精确控制。
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。
步进电机结构及原理
步进电机结构及原理
步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
它利用电磁学原理，将电能转换为机械能。
其结构通常包括前后端盖、轴承、中心轴、转子铁芯、定子铁芯、定子组件、波纹垫圈和螺钉等部分。
步进电机的工作原理基于电磁感应定律。
当施加在电机线圈上的电脉冲信号产生磁场时，磁场与定子铁芯相互作用产生转矩，驱动转子旋转。
通过控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序、频率和数量，可以实现对步进电机的转向、速度和旋转角度的控制。
每接收一个脉冲信号，步进电机就按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，其旋转是以固定的角度一步一步运行的。
步进电机具有一些显著的特点。
首先，它们是开环控制系统的一部分，这意味着它们不依赖于位置反馈来调节运动。
其次，步进电机具有高精度的定位能力，这使得它们在需要精确控制位置的应用中非常有用。
此外，步进电机可以在不同的负载条件下保持恒定的速度，因为电机的转速只取决于脉冲信号的频率，而不受负载变化的影响。
总的来说，步进电机是一种功能强大且适应性强的电机类型，广泛应用于各种需要精确控制位置和速度的场合。
如需了解更多信息，建议咨询电机方面的专家或查阅相关专业书籍。
步进电机控制系统原理
图7 CH250三相双三拍接法
图8 CH250三相六拍接法
CH250环形脉冲分配器的功能关系如表1所列
讨论：
• 单片机输出步进脉冲后,再由脉冲分配电路按事先确定的顺序控制各相的 通断.
二、由软件完成脉冲分配工作
• 用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成 • 串行脉冲序列,并实现方向控制. • 只要负载是在步进电机允许的范围之内, • 每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度. • 根据步距角的大小及实际走的步数,只要知道初始 • 位置,便可知道步进电机的最终位置. • 特点：由软件完成脉冲分配工作,不仅使线路简化,成本下
LOOP2： MOV A,R3 ADD A,#07H MOV R3,A AJAMP LOOP1
DELAY：
；求反向控制模型的偏移量 ；延时程序
POINT
COUNT POINT
DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H ；正向控制模型 DB 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H ；反向控制模型 EQU 30H, EQU 0150H
01 100
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
总之, 只要按一定的顺序
改变 P1.0～P1.2 三位通电的状况, 即可控制步进电机依选定的方向步进.
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
由于步进电机运行时功率较大,可在微型机与驱动器 之间增加一级光电隔离器,以防强功率的干扰信号反 串为进什么主步控进系电统机.功如率图驱所动示电路. 采用光电隔离？
2、步进电机控制系统原理
第3章步进电动机的控制
升速 恒速 减速 低速
起点
终点
（时间） t
图3-24
点、位控制中的加减速控制
15
变速控制的方法有：
改变控制方式的变速控制：最简单的变速控制可利用改变步进电 机的控制方式实现。例如：对于三相步进电机系统，启动或停止时 用三相六拍，大约0.1s以后，改用三相三拍，快到达终点时再采用 三相六拍，以达到减速控制的目的。 均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制：步进电机的加速（或减速） 控制，可以用均匀地改变脉冲时间间隔来实现。 采用定时器的变速控制：单片机控制系统中，用单片机内部的定 时器来提供延时时间。方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间， 由定时器向CPU申请一次中断，CPU响应中断后，便发出一次控制脉 冲。此时只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加速（或 减速）的目的。这种方法可以提高控制系统的效率。
脉冲 方向控制
步进控制器
功率放大器
步进电机
负载
图3-19 步进电机控制系统的组成
2
随着电子技术的发展，除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软 件实现。采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器，不仅简化了 线路，降低了成本而且可靠性也大为提高，同时，根据系统的需要可 灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。典型的微型机控制 步进电机系统原理图如图3-20所示。 使用微型机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。 步 进 电 机
6
二、步进电动机的闭环控制
在开环步进电动机系统中，电动机的输出转矩在很大程度上取决于驱 动电源和控制方式。对于不同的步进电动机或同一种步进电动机而不 同负载，励磁电流和失调角发生改变，输出转矩都会随之发生改变， 很难找到通用的控速规律，因此，也很难提高步进电机的技术指标。 闭环系统是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适 当处理自动给出驱动脉冲串。因此采用闭环控制可以获得更精确的位 置控制和更高、更平稳的转速，从而提高步进电动机的性能指标。 步进电动机的输出转矩是励磁电流和失调角的函数。为了获得较高的 输出转矩，必须考虑到电流的变化和失调角的大小，这对于开环控制 来说是很难实现的。
步进电机工作原理
步进电机工作原理
步进电机是一种控制精度较高的电机，它的工作原理是通过对电机的电流进行精确控制来实现旋转。
步进电机通常由一个固定的磁体和一个旋转的转子组成。
固定磁体中有若干个磁极，而转子上也有相应的磁极。
这些磁极的排列方式决定了电机的工作方式。
步进电机的转动是通过改变电流的方向和大小来实现的。
当电流通过固定磁体时，会产生一个磁场，这个磁场会与转子上的磁场相互作用，从而使得转子旋转到一个新的位置。
当电流的方向和大小改变时，转子也会相应地改变位置。
为了精确定位，步进电机通常会将转子分为几个等距的位置，每个位置都与一个特定的电流模式相对应。
通过改变电流的方式，可以使转子逐步移动到下一个位置，从而实现精确的旋转。
步进电机的转子移动是离散的，而不是连续的。
这意味着它可以精确定位，并且不需要使用传统的位置反馈设备来监测转子的位置。
步进电机适用于需要精确控制和定位的应用，如打印机、数控机床和机器人等。
总之，步进电机通过精确控制电流来实现转子的旋转，从而实现精确的位置控制。
它的工作原理基于磁场的相互作用，使得转子可以按照离散的步进来旋转。
两相步进电机控制原理
两相步进电机控制原理1.步进电机原理步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构。
每个电脉冲信号对应于步进电机的一个步进角，因此步进电机可以通过接收一系列脉冲信号来精确控制其旋转角度。
步进电机按其工作原理可分为反应式、永磁式和混合式三种，其中在微特电机中应用最广泛的是混合式步进电机。
2.电机驱动方式根据不同的电源和控制方式，步进电机驱动可分为单极性驱动和双极性驱动。
单极性驱动是只给一个线圈通电，通过改变通电方向来控制步进电机的旋转方向；而双极性驱动是给两个线圈同时通电，通过改变两个线圈电流的方向和大小来控制步进电机的旋转方向和速度。
双极性驱动又可分为二二拍、四拍、八拍等多种驱动方式。
3.脉冲信号控制步进电机的旋转角度严格正比于输入脉冲的个数。
控制输入脉冲的个数就可以实现对步进电机的旋转角度进行精确控制。
为了防止步进电机失步，需要保证每个脉冲信号的宽度足够长，一般要大于6-7ms。
4.方向控制通过给步进电机驱动器输入不同的控制信号，可以改变步进电机的旋转方向。
通常情况下，控制信号需要与原脉冲信号反相，从而实现步进电机的反向旋转。
5.速度控制步进电机的旋转速度与输入脉冲的频率成正比。
通过改变输入脉冲的频率就可以实现对步进电机的旋转速度进行控制。
6.细分控制细分控制是指通过细分驱动器将步进电机的步距角进一步细分，从而减小步进电机的步距角，提高步进电机的旋转精度。
细分驱动器可以通过对输入脉冲进行不同的分配和叠加来实现细分控制。
7.防抖动控制由于步进电机采用的是开环控制系统，因此在其旋转过程中容易受到外界干扰而产生抖动现象。
为了减少抖动现象对控制系统稳定性的影响，需要进行防抖动控制。
常用的防抖动方法包括采用消抖电路、采用细分驱动器、选用质量好的编码器等。
8.系统集成与调试在完成以上各部分的设计后，需要进行系统集成和调试。
系统集成是将所有硬件和软件组合在一起，并进行调试的过程。
调试过程中需要逐步检查每个接口是否连接良好、程序运行是否正常等。
步进电机控制方法
步进电机控制方法步进电机是一种常见的电动执行器，广泛应用于各个领域的控制系统中。
它具有结构简单、控制方便、定位精度高等优点，是现代自动化控制系统中必不可少的重要组成部分。
本文将从基本原理、控制方法、应用案例等方面对步进电机进行详细介绍。
1. 基本原理步进电机是一种通过输入控制信号使电机转动一个固定角度的电机。
其基本原理是借助于电磁原理，通过交替激励电机的不同线圈，使电机以一个固定的步距旋转。
步进电机通常由定子和转子两部分组成，定子上布置有若干个线圈，而转子则包含若干个极对磁体。
2. 控制方法步进电机的控制方法主要包括开环控制和闭环控制两种。
开环控制是指根据既定的输入信号频率和相位来驱动电机，控制电机旋转到所需位置。
这种方法简单直接，但存在定位误差和系统响应不稳定的问题。
闭环控制则是在开环控制的基础上，增加了位置反馈系统，通过不断校正电机的实际位置来实现更精确的控制。
闭环控制方法相对复杂，但可以提高系统的定位精度和响应速度。
3. 控制算法控制步进电机的常用算法有两种，一种是全步进算法，另一种是半步进算法。
全步进算法是指将电流逐个向电机的不同线圈通入，使其按照固定的步长旋转。
而半步进算法则是将电流逐渐增加或减小，使电机能够以更小的步长进行旋转。
半步进算法相对全步进算法而言，可以实现更高的旋转精度和更平滑的运动。
4. 应用案例步进电机广泛应用于各个领域的控制系统中。
例如，在机械领域中，步进电机被用于驱动数控机床、3D打印机等设备，实现精确的定位和运动控制。
在医疗设备领域，步进电机被应用于手术机器人、影像设备等，为医疗操作提供准确定位和精确运动。
此外，步进电机还广泛应用于家用电器、汽车控制、航空航天等领域。
总结：步进电机作为一种常见的电动执行器，具有结构简单、控制方便、定位精度高等优点，在自动化控制系统中扮演着重要的角色。
通过本文的介绍，我们了解到步进电机的基本原理、控制方法、算法以及应用案例等方面的知识。
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2、 步进电机控制系统原理
图2、步进电机控制系统的组成
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2、 步进电机控制系统原理
1）步进控制器 ① 包括：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及
正、反转向控制门等。 ② 作用: 把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。
2）功率放大器 把环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。
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2、步进电机控制系统原理
★ 三相单三拍
控制位
工作 控制
步 序 PC.7 PC.6 PC.5 PC.4 PC.3 PC.2 PC.1 PC.0 状 态 模 型
C相 B相 A相
1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H 2 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02H
3 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04H
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步进电机与MCS-51单片机的接口
步进电机与单片机的连接一般有两种形式： 一、由硬件完成脉冲分配的功能
二、由软件完成脉冲分配工作
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2、步进电机控制系统原理
图3、用微型机控制步进电机原理
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一、由硬件完成脉冲分配的功能
2．方向控制
步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。 三相步进电机有三种工作方式：
★ 单三拍，通电顺序为 ABC ； ★ 双三拍， 通电顺序为 ABBCCA ； ★ 三相六拍，通电顺序为
AABBBCCCA ；
改变通电顺序可以改变步进电机的转向 精品培训课件PPT
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2、步进电机控制系统原理
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2 、步进电机控制系统原理
1．脉冲序列的生成
图精4品培脉训冲课件序PP列T
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2、步进电机控制系统原理
★ 脉冲幅值 由数字元件电平决定。 TTL 0 ～ 5V CMOS 0 ～ 10V
★ 接通和断开时间可用延时的办法控制。
要求：确保步进到位。
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2、步进电机控制系统原理
特点：由软件完成脉冲分配工作，不仅使线路简化，成本 下降，而且可根据应用系统的需要，灵活地改变步进电机的 控制方案。
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2、步进电机控制系统原理
主要解决如下几个问题： (1) 用软件的方法实现脉冲序列； (2) 步进电机的方向控制； (3) 步进电机控制程序的设计。
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3、步进电机与微型机的接口及程序设计
图5 步进电机与微型机接口电路之一 01
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3、步进电机与微型机的接口及程序设计
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2、步进电机控制系统原理
★ 三相双三拍
用 P1口 的 P1.2 、P1.1、P1.0 对应 C、B、A 相 进行控制 。
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2、步进电机控制系统原理
★同理，可以得出双三拍和三相六拍的控制模型： 双三拍 03H，06H，05H
★ 三相六拍 01H，03H，02H，06H，04H，05H 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型， 如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。
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3、步进电机与微型机的接口及程序设计
4.步进电机与微型机的接口电路
（1）由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的 连接都需要专门的接口及驱动电路。
• 接口电路可以是锁存器，也可以是可编程接口芯片，如 8255、 8155等。
• 驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。 光电隔离器，一是抗干扰，二是电隔离，
在这种形式里，脉冲分配器（CH250）、驱动电路由硬件 完成。单片机只提供步进脉冲和正、反转控制信号，步进脉冲 的产生与停止、步进脉冲的频率和个数都可用软件控制。
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• 脉冲分配器中由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根 据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步 进电动机按确定的运行方式工作。下面着重介绍CH250环形 脉冲分配器。
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讨论：
• 单片机输出步进脉冲后，再由脉冲分配电路按事先确定的顺序控制各相的 通断。
• 一般来说，硬件一旦确定下来，不易更改，这种方案，硬设备成本高，它 的应用受到了限制。
• 怎样用软件产生步进脉冲呢？所谓软件产生就是用软件控制P3．0为1 或 为0的次序和长短。如果先令P3．0=1，延时一段时间，再令P3.0＝0，再 延时一段时间后，又令P3．0=1，如此循环，就可构成脉冲序列。延时时 间的长短决定了脉冲序列的周期，而脉冲序列的周期又与步进电机的步矩 有关。
• CH250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器， 通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不 同工作方式，如图7、图8所示。
图7 CH250三相双三拍接法 精品培训课件PPT 图8 CH250三相六拍接法 现代网络技术
CH250环形脉冲分配器的功能关系如表1所列
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3.步进电机通电模型的建立：
（1）用微型机输出接口的每一位控制一相绕组，
【例如】用 8255 控制三相步进电机时， 可用 PC.O、PC.1、PC.2 分别接至步进电机的 A、 B、 C 三相绕组。
（2）根据所选定的步进电机及控制方式，写出相应控制方 式的数学模型。
上面讲的三种控制方式的数学模型分别为：
1、 步进电机工作原理
图1 步进电机原理图
பைடு நூலகம்
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步进电机有如下特点：
• 给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转； • 步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢； • 改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机的运行方式； • 改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。
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二、由软件完成脉冲分配工作
• 用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成 串行脉冲序列，并实现方向控制。 • 只要负载是在步进电机允许的范围之内， 每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。 • 根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始 位置，便可知道步进电机的最终位置。