步进电机控制方法
步进电机控制方法及编程实例
步进电机控制方法及编程实例
步进电机在现代自动化控制系统中广泛应用，其精准的位置控制和相对简单的驱动方式使其成为许多工业和家用设备中的理想选择。
本文将介绍步进电机的控制方法及编程实例，帮助读者更好地理解和应用这一技术。
步进电机的基本原理
步进电机是一种将电能转换为机械能的电机，其运行原理基于磁场相互作用。
步进电机内部包含多个电磁线圈，根据电流方向和大小的不同来控制转子的运动。
通过逐个激活线圈，可以实现步进电机的准确位置控制，使其能够按照指定的步长旋转。
步进电机的控制方法
1.单相激励控制：最简单的步进电机控制方式之一。
通过依次激活每一相的线圈，
使电机按照固定步长旋转。
这种方法控制简单，但稳定性较差。
2.双相正交控制：采用两相电流的正交控制方式，提高了步进电机的稳定性和精
度。
可以实现正向和反向旋转，常用于对位置要求较高的应用场景。
3.微步进控制：将步进电机每个步进细分为多个微步进，以提高控制精度和减小振
动。
虽然增加了控制复杂度，但可以获得更平滑的运动和更高的分辨率。
步进电机的编程实例
下面以Python语言为例，演示如何通过控制步进电机的相序来实现简单的旋转控制。
通过以上代码，可以实现对步进电机的简单控制，按照设定的相序进行旋转，实现基本的位置控制功能。
结语
步进电机是一种常用的精准位置控制设备，掌握其控制方法和编程技巧对于工程师和爱好者来说都是有益的。
希望本文介绍的步进电机控制方法及编程实例能够帮助读者更好地理解和应用这一技术。
步进电机的细分控制
步进电机的细分控制
步进电机的细分控制是指通过对电机的控制信号进行细分，使电机的转动角度变得更精确。
通常情况下，步进电机有固定的步距角度，比如1.8度、0.9度等。
但通过细分控制，可以将
这个步距角度进一步细分，从而实现更精确的控制。
细分控制常用的方法是使用微步驱动器。
微步驱动器可以将电机的控制信号进行细分，使电机能够以更小的步距角度运动。
常见的微步数有2、4、8、16、32、64等。
例如，如果一个步进电机的步距角度为1.8度，通过设置微步数为16，就可以将每个步进分为16个微步，从而实现步距角度为0.1125度的细
分控制。
细分控制可以提高步进电机的精度和平滑性，减小震动和噪音。
但同时也增加了系统的复杂性和控制难度。
细分控制还可以实现步进电机的微调和精确定位，适用于需要高精度的应用场合，如3D打印机、数控机床和精密仪器等。
需要注意的是，细分控制会增加步进电机的功耗和热量产生，需要考虑电机和驱动器的散热问题。
此外，选择合适的驱动器和控制方式也是细分控制的关键，不同的电机和应用场景可能需要不同的控制方法和参数设置。
s7-200步进电机控制s-200步进电机控制s7-200步进电机控制s7-200步进电机控制
PTOx_RUN子程序（运行轮廓）
• PTOx_RUN子程序（运行轮廓）命 令PLC执行存储于配置／轮廓表的 特定轮廓中的运动操作。开启EN位 会启用此子程序。在懲瓿蓲位发出 子程序执行已经完成的信号前，请 确定EN位保持开启。
• 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、 永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相 式步进电机等。
• 电机固有步距角：
• 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所 转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值 。
• 如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表 示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°）， 这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它 不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的 步距角和驱动器有关。
• Error（错误）参数包含本子程序的结果。 如果PTO向导的HSC计数器功能已启用， C_Pos参数包含用脉冲数目表示的模块； 否则此数值始终为零。
编程
运行。 • 脉宽时间 = 0 占空比为0%：输出关闭。 • 周期 < 2个时间单位 周期的默认值为两个时间单
位。
• PTO操作
• PTO为指定的脉冲数和指定的周期提供方 波（50%占空比）输出。PTO可提供单脉冲 串或多脉冲串（使用脉冲轮廓）。您指定 脉冲数和周期（以微秒或毫秒递增）。
• 周期范围从10微秒至65,535微秒或从2毫秒 至65,535毫秒。
产生一个高速脉冲串或一个脉冲调制波形。 • Q0.0 • Q0.1
• 当Q0.0/Q0.1作为高速输出点使用时，其普 通输出点禁用，反之。
步进电机常用升降速控制方法说明
步进电机常用升降速控制方法说明步进电机常用的升降频控制方法有两种：直线升降频和指数曲线升降频。
指数曲线法具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性差。
直线法平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。
以恒定的加速度升降，规律简练，用软件实现比较简单。
步进电机驱动执行机构从一个位置向另一个位置移动时，要经历升速、恒速和减速过程。
当信浓步进电机的运行频率低于其本身起动频率时，可以用运行频率直接起动并以此频率运行，需要停止时，可从运行频率直接降到零速。
当步进电机运行频率fbfa（有载起动时的起动频率）时，若直接用fb频率起动会造成步进电机失步甚至堵转。
同样在fb频率下突然停止时，由于惯性作用，步进电机会发生过冲，影响定位精度。
如果非常缓慢的升降速，信浓步进电机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。
所以对信浓步进电机加减速要保证在不失步和过冲前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到指定位置。
1。
步进电机的开环控制和闭环控制
步进电机的开环控制和闭环控制一、步进电机的开环掌握1、步进电机开环伺服系统的一般构成图1 步进电机开环伺服系统步进电动机的电枢通断电次数和各相通电挨次打算了输出角位移和运动方向，掌握脉冲安排频率可实现步进电动机的速度掌握。
因此，步进电机掌握系统一般采纳开环掌握方式。
图为开环步进电动机掌握系统框图，系统主要由掌握器、功率放大器、步进电动机等组成。
2、步进电机的掌握器1、步进电机的硬件掌握步进电动机在—个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因而只要掌握肯定的脉冲数，即可精确掌握步进电动机转过的相应的角度。
但步进电动机的各绕组必需按肯定的挨次通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通断电挨次按输入脉冲的掌握而循环变化的过程称为环形脉冲安排。
实现环形安排的方法有两种。
一种是计算机软件安排，采纳查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满意速度和方向要求的环形安排脉冲信号。
这种方法能充分利用计算机软件资源，以削减硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲安排更显示出它的优点。
但由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。
另一种是硬件环形安排，采纳数字电路搭建或专用的环形安排器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。
采纳数字电路搭建的环形安排器通常由分立元件（如触发器、规律门等）构成，特点是体积大、成本高、牢靠性差。
2、步进电机的微机掌握：目前，伺服系统的数字掌握大都是采纳硬件与软件相结合的掌握方式，其中软件掌握方式一般是利用微机实现的。
这是由于基于微机实现的数字伺服掌握器与模拟伺服掌握器相比，具有下列优点：（1）能明显地降低掌握器硬件成本。
速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，硬件费用会变得很廉价。
体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。
（2）可显著改善掌握的牢靠性。
集成电路和大规模集成电路的平均无故障时（MTBF）大大长于分立元件电子电路。
（3）数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。
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:
步进电机的调速原理
步进电机的调速原理
调速原理是指控制步进电机转速的方法。
常见的调速原理有以下几种：
1. 定常电流控制：通过控制步进电机的驱动电流大小来实现调速。
电机转速与驱动电流成正比关系，增大电流可以提高转速，减小电流可以降低转速。
2. 单微步调速：通过改变步进电机的微步数来实现调速。
步进电机分为全步和微步两种工作模式，全步每转一周，电机转动一个完整的步距角，而微步则是将步距角进一步细分。
通常通过控制电机可执行的微步数，来调控电机的转速。
3. 物理机械调速：通过改变步进电机的负载来实现调速。
例如，在电机轴上增加负载可以降低转速，减小负载则可以提高转速。
4. 闭环调速：通过反馈系统来实现闭环控制，实时调整电机驱动信号以达到预定转速。
常见的闭环调速方法有位置反馈和速度反馈。
位置反馈通常使用编码器等装置来实时监测电机转动角度，根据误差信号调整驱动信号；速度反馈则是通过速度传感器实时监测电机转速，并根据误差信号进行调整。
这些调速原理可以根据实际需求进行选择和组合，以实现步进电机的精确调速。
如何控制步进电机速度(即如何计算脉冲频率)
如何控制步进电机速度（即如何计算脉冲频率）步进电机是一种常用的控制器件，它通过接收脉冲信号来进行精确的位置控制。
控制步进电机的速度就是控制脉冲的频率，也就是发送给电机的脉冲数目和时间的关系。
下面将介绍几种常见的方法来控制步进电机的速度。
1.简单定频控制方法：这种方法通过固定每秒脉冲数（也称为频率）来控制步进电机的速度。
通常，在开发步进电机控制系统时，我们会选择一个合适的频率，然后通过改变脉冲的间隔时间来调整步进电机的速度。
脉冲频率可以通过以下公式计算：频率=目标速度（转/秒）×每转需要的脉冲数。
2.脉冲宽度调制（PWM）控制方法：使用PWM调制技术可以在不改变脉冲频率的情况下改变脉冲的时间宽度，从而控制步进电机的速度。
通过改变每个脉冲的高电平时间和低电平时间的比例，可以实现步进电机的速度控制。
较长的高电平时间会导致步进电机转动较快，而较短的高电平时间会导致步进电机转动较慢。
3.脉冲加速与减速控制方法：步进电机的加速和减速是通过改变脉冲信号的频率和间隔时间来实现的。
在加速时，脉冲的频率逐渐增加，间隔时间逐渐减小，从而使步进电机从静止状态加速到目标速度。
在减速时，脉冲的频率逐渐减小，间隔时间逐渐增加，从而使步进电机从目标速度减速到静止状态。
在实际应用中，可以通过编程控制脉冲信号的频率来控制步进电机的速度。
根据不同的需求，可以选择适合的控制方法来实现步进电机的精准控制。
除了控制脉冲频率，步进电机的速度还受到其他因素的影响，如驱动器的最大输出速度、电机的最大速度等。
因此，在进行步进电机速度控制时，还需要考虑这些因素，并做好相应的调整以确保步进电机的正常运行。
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第四节 步进电机的控制与驱动
步进电机的控制与驱动流程如图4-11所示。
主要包括脉冲信号发生器、环形脉冲分配器和功率驱动电路三大部分。
步进脉冲
方向电平
图4-11 步进电机的控制驱动流程
二、步进电机的脉冲分配
环形分配器是步进电机驱动系统中的一个重要组成部分，环形分配器通常分为硬环分和软环分两种。
硬环分由数字逻辑电路构成，一般放在驱动器的内部，硬环分的优点是分配脉冲速度快，不占用CPU的时间，缺点是不易实现变拍驱动，增加的硬件电路降低了驱动器的可靠性；软环分由控制系统用软件编程来实现，易于实现变拍驱动，节省了硬件电路，提高了系统的可靠性。
1．采用硬环分时的脉冲分配
采用硬环分时，步进电机的通电节拍由硬件电路来决定，编制软件时可以不考虑。
控制器与硬环分电路的连接只需两根信号线：一根方向线，一根脉冲线（或者一根正转脉冲线，一根反转脉冲线）。
假定控制器为AT89S52单片机，晶振频率为12MHz，如图4-18：P1.0输出方向信号，P1.1输出脉冲信号。
则控制电机走步的程序如下：
（1）电机正转100步
MOV 0FH，#100D ；准备走100步
CONT1： SETB P1.0 ；正转时P1.0=1
CLR P1.1 ；发步进脉冲的下降沿（设驱动器对于脉冲的下降沿有效）
NOP ；延时（延时的目的是让驱动电路的光耦充分导通）
NOP ；延时（根据驱动器的需要，调整延时）
SETB P1.1 ；发步进脉冲的上升沿
MOV 0EH，#4EH ；两脉冲之间延时20000μs（决定电机的转速）
MOV 0DH，#20H ；20000的HEX码为4E20
CALL DELAY ；调用延时子程序
DJNZ 0FH，CONT1 ；循环次数减1后，若不为0则继续，循环100次
RET
（2）电机反转100步
MOV 0FH，#100D ；准备走100步
CONT2： CLR P1.0 ；反转时P1.0=0
CLR P1.1 ；发步进脉冲的下降沿（设驱动器对于脉冲的下降沿有效）
NOP ；延时（延时的目的是让驱动电路的光耦充分导通）
NOP ；延时（根据驱动器的需要，调整延时）
SETB P1.1 ；发步进脉冲的上升沿
MOV 0EH，#4EH ；两脉冲之间延时20000μs （决定电机的转速）
MOV 0DH，#20H ；20000的HEX 码为4E20
CALL DELAY ；调用延时子程序 DJNZ 0FH，CONT2 ；循环次数减1后，若不为0则继续，循环100次
RET
2．采用软环分时的脉冲分配
如图4-19所示，该系统基于AT89S52单片机，利用扩展的可编程接口芯片8255A 的PB 口送出步进脉冲信号，经过驱动放大后，分别控制X 轴、Z 轴两个三相六拍反应式步进电机激磁绕组的通电顺序，以控制刀架在X、Z 两个方向的运动。
根据步进电机的工作原理，只要不断改变绕组的通电状态，步进电机即按规定的方向运转。
软件分配脉冲采用查表法，按正向运转的通电顺序（如图4-20所示），列出各相绕组的脉冲分配表（如表4-11所示，表中“0”表示通电）。
每个电机设置一个指针寄存器，初始化时使指针指向分配表的表首。
步进电机需要正向运行一步时，指针下移一行，同时输出该行的状态，当指针超出分配表表尾时自动回到表首；步进电机反向运行时，指针上移一行，并输出该行的脉冲值，当指针超出表首时又自动回到表尾。
表4-11 步进电机绕组通电顺序表
图4-19 软环分时的绕组通电布置
正 转 反 转
图4-20 步机电机正、反转时的绕组通电顺序（三相六拍方式）
电机绕组通电顺序 地 址 指 针 代 码 选通信号 A B C MOTB+1 1 0BH 1 0 1 1 MOTB+2 2 09H 1 0 0 1 MOTB+3 3 0DH 1 1 0 1 MOTB+4 4 0CH 1 1 0 0 MOTB+5 5 0EH 1 1 1 0 MOTB+6 6 0AH 1 0 1 0
设R6、R7分别为X、Z向电机的指针寄存器，正常情况下R6与R7的取值应在1～6之间（六拍之一）。
则Z向电机脉冲分配的具体程序如下（采用MCS-51汇编语言）。
BDZ1P： INC R7 ；Z向电机正转一步（若DEC R7，则反转一步）
OTZ： CJNE R7，#07H，AA0
MOV R7，#01H ；指针超出分配表的表尾（R7=#07H）时，自动回到表首（R7=#01H）
JMP AA1
AA0： CJNE R7，#00H，AA1
MOV R7，#06H ；指针超出分配表的表首（R7=#00H）时，自动回到表尾（R7=#06H）AA1： MOV DPTR，#MOTB ；16位数据指针指向脉冲分配表的首地址
MOV A，R7 ；Z向指针送给A
MOVC A，@A+DPTR ；查表取出Z向电机绕组通电状态，存于A
MOV B，A ；再送寄存器B中暂存
MOV A，R6 ；取X向指针送给A
MOVC A，@A+DPTR ；查表取出X向电机绕组通电状态，送给A
SWAP A ；将A的高4位与低4位交换，之后，低4位全为0
ADD A，B ；A与B相加后，A的高4位为X通电状态，低4位为Z通电状态
ANL A，#11110111B
；将A的D3位置0，选择Z向电机输出，X电机保持原有通电状态 MOV DPTR，#2FFDH；8255A的PB 口地址
MOVX @DPTR,A ；同时输出X、Z向电机绕组通电状态至8255A的PB口
RET ；X向电机转子保持不动，Z向电机转子转过一拍
MOTB： DB 0FH ；不用 （地址：MOTB+0）
DB 0BH ；A相通电 （地址：MOTB+1）
DB 09H ；AB相通电 （地址：MOTB+2）
DB 0DH ；B相通电 （地址：MOTB+3）
DB 0CH ；BC相通电 （地址：MOTB+4）
DB 0EH ；C相通电 （地址：MOTB+5）
DB 0AH ；CA相通电 （地址：MOTB+6）
设Z向电机连续运转100步，则走步程序为：
MOV 0FH，#100D ；100步
CONT3： CALL BDZ1P ；Z向电机走一步（调用上述的脉冲分配子程序）
MOV 0EH，#4EH ；两脉冲之间延时20000μs（决定电机的转速）
MOV 0DH，#20H ；20000的HEX码为4E20
CALL DELAY ；相邻步之间的延时（决定电机的转速）
DJNZ 0FH，CONT3 ；循环次数减1后，若不为0则继续，循环100次
RET
X向电机的脉冲分配程序与走步程序同Z向相似，在此不再赘述。
从上面的分析可以看出，采用软件来分配步进电机的走步脉冲时，对于每台电机，控制系统硬件电路需要的输出口数目，取决于步进电机的相数,至于节拍的分配方式（大步或小步），则要根据使用要求来决定。
由于采用了软环分，只需改变部分软件，即可实现变拍驱动。