步进电动机控制系统
步进电机的控制原理
步进电机的控制原理步进电机是一种高精度的电动执行器，具有定位准确、不需反馈器和转矩、速度和位置控制的特点，广泛用于数码设备、计算机和机器人控制等领域。
步进电机的控制原理包括三部分：输入信号、驱动电路和电机转动。
一、输入信号步进电机的输入信号有两种：脉冲信号和方向信号。
脉冲信号是由控制器发送给驱动电路的，用来控制电机的转动步数和速度。
步进电机的每一步运动需要一定的脉冲信号，具体步数由控制器编程决定。
方向信号则表示电机转动的正、反方向，一般由控制器通过电平高低来控制。
输入信号是步进电机运动的基础，只有正确的输入信号才能实现精准控制。
二、驱动电路步进电机的控制需要依赖驱动电路，一般为双H桥驱动电路。
它能够根据输入信号的变化，控制步进电机的相序和电流大小，从而实现电机的精准控制。
驱动电路是整个控制系统的核心部分，不同类型的步进电机需要不同的驱动方式，因此制定相应的驱动电路是十分重要的。
三、电机转动步进电机的转动是由驱动电路提供的电流产生的磁场、轴承和转子间的相互作用实现的。
不同类型的步进电机其转动的方式也不同，如单相、两相、五相、六相等。
不同类型的步进电机也需要不同的驱动方式，否则会导致控制不准确或失步。
综上所述，步进电机的控制原理需要在三个方面进行开展：输入信号、驱动电路和电机转动。
只有以正确的方式输入信号，配合正确的驱动电路和电机类型，才能实现精准的电机控制。
在实际应用中，我们需要根据具体情况来选择不同类型的步进电机和相应的控制方式，以实现最优控制效果。
步进电机运动控制系统设计
步进电机运动控制系统设计设计时考虑到CPU在执行指令时可能受到干扰的冲击,导致程序”跑飞”或者进入”死循环”,因此,设计了看门狗电路,使用的是MAXIM公司生产的微处理系统监控集成芯片MAXI813。
本文还详细地给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了该汇编程序。
步进电机最早是在1920年由英国人所开发。
1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。
以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的系统中。
在生产过程中要求自动化、省、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微和技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民领域都有应用。
步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。
步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。
一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。
步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。
在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。
因此非常适合于单片机控制。
步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。
步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。
传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。
第九章-步进电动机传动控制系统
是电机作单步运动
所能带动的极限负载，也称为极限启动转矩。实际电机所 带的负载转矩TL必须小于极限启动转矩才能运行，即电机 所带负载的阻转矩 TL＜
Tst
步距角减少可使相邻矩角特性位移减少， 就可提高极限
启动转矩Tst，增大电机的负载能力。三相六拍时，矩角特
性幅值不变，而步距角小了一半，故极限启动转矩。
(b) (c) 图 三相六拍运行 (a) A相通电； (b) A、 B相通电；(c) B相通电 第8 页
(a)
③三相双三拍运行
通电方式AB→BC→CA→AB‥，一拍转过30 °。
9
步进电动机的结构
10
转子齿数 齿距角
z表示.
转子相邻两齿间的夹角，用θ z 表示。 z 拍和步距角
Tst 时，A相通电时，转子处于a”点；改由B相通电 情况2：负载转矩 TL
时，转子不能前进。
图9.6 最大负载能力的确定
25
•最大负载转矩（起动转矩）
步进电动机在步进运行时所能带动的最大负载，可由相邻
Tst
两条矩角特性交点所对应的电磁转矩
相邻矩角特性的交点所对应的转矩
Tst
来确定。
T A T sm sin e
则B通电时，距角特性为
T B T sm sin( e 120 )
图 A相、B相定子齿相对转子齿的位置
21
当A、B两相同时通电时合成矩角特性应为
T A B T A T B T sm sin e T sm sin( e 120 ) T sm sin( e 60 )
使各相电流平衡。
VD2及Rf2作用是构成续流电路。
这种电源效率较高，起动和运行频 率也比单一电压型电源要高。
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。
单片机步进电动机控制系统设计
前言单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。
它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。
从此，计算机技术在两个重要领域-—通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展，并正在深深地改变着我们的社会。
采用8031单片机控制步进电机，可实现步进电动机正反转控制和步进电动机的无级调速。
分析了步进电机的工作原理,讨论了系统硬件和软件的设计方法,并给出了步进电机的四相八拍单片机控制的具体实现方法。
该系统操作简单，降低了成本，提高了系统的可靠性。
步进电机具有控制方便和体积小等特点,因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用。
近年来大规模集成电路的发展以及各种单片机的迅速发展和普及,为设计功能强、价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源.步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，它的运行需要专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。
每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度,这个角度称为步距角。
脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通电顺序可以改变电机旋转的方向。
在数字控制系统中，它既可以用作驱动电动机，也可以用作伺服电动机.它在工业过程控制中得到广泛的应用，尤其在智能仪表和需要精确定位的场合应用更为广泛。
1 单片机的基本知识1。
1 概述单片微型计算机简称单片机，由于它的结构及功能均是按工业控制要求设计的,所以其确切的名称应是单片微控制器（Single Chip Microcontroller）.它是把微型机算计的各个功能部件：中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、并行I/O接口、定时器/计数器及串行通信接口等集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机系统,故又把它称为单片微型计算机系统（Single Chip Microcomputer）.由于单片机面对的是测控对象，突出的是控制功能，所以它从功能和形态上来说都是应控制领域应用的要求而诞生的.随着单片机技术的发展，它在芯片内集成了许多面对测控对象的接口电路，如ADC、DAC、高速I/O口、PWM、WDT等。
机械电子学-第6章 步进电动机的驱动与控制
认识步进电动机
功能 • 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 • 转角 ∝脉冲信号的个数； • 转速 ∝脉冲信号的频率。 • 转向取决于脉冲信号的相序
f
相
f N
通电脉冲频率 拍数
步进电动机的特点
2) 步距角
步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。
S
360 ZrN
N:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数
如：Zr=40 ,
N=3 时
S
360 40 3
3
1 单拍制
拍数：N=km m:相数 k=
整步
2 双拍制
半步
步距角不受各种干扰因素的影响。
步进电动机的特点
2) 步距角
步进电动机的特点
3) 转速
每输入一个脉冲，电机转过
S
360 ZrN
即转过整个圆周的1/(ZrN）, 也就是1/(ZrN）转
因此每分钟转过的圆周数，即转速为
n
60f ZrN
60f 360 360Z r N
s f
6
(r / min)
步进电动机的特点
4)误差不长期积累。 5）可实现数字信号的开环控制，控制系统廉价。 6）步进电机具有自锁能力
齿距角 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿， 齿宽和齿槽和转子相同。
工作原理：假设是单三拍通电工作方式。
（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含
120/9 = 13 1 齿 3
A 相和 C 相差240，含240/ 9 =26 2个齿。所以， A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，3B 相、C 相不能 对齐，B相的转子、定子相差 1/3 个齿（3），C相的 转子、定子相差2/3个齿（6）。
步进电机的单脉冲控制、双脉冲控制、开环控制和闭环控制
步进电机的单脉冲控制、双脉冲控制、开环控制和闭环控制
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机的单脉冲控制与双脉冲控制步进电机的控制有单电压和高低电压控制之分；
单电压控制用一串脉冲信号控制一个电子开关的通、断来控制电机驱动绕组得电、失电；高低电压控制在单电压控制的基础上，用另一串脉冲控制一个电子开关的通、半导通，两个开关串联，两个控制脉冲同频率但不同相位和宽度。
达到给绕组的供电电压全、一半、迅速关断的目的。
步进电机的开环控制和闭环控制步进电机的开环控制
1、步进电机开环伺服系统的一般构成
步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。
因此，步进电机控制系统一般采用开环控制方式。
图为开环步进电动机控制系统框图，系统主要由控制器、功率放大器、步进电动机等组成。
2、步进电机的控制器
1、步进电机的硬件控制
步进电动机在个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因而只要控制一定的脉冲数，即。
基于stm32的步进电机控制系统设计与实现
基于stm32的步进电机控制系统设计与实现基于STM32的步进电机控制系统设计与实现1. 概述步进电机是一种非常常见的电动机，在许多自动化系统和工控设备中得到广泛应用。
它们具有精准的定位能力和高效的控制性能。
本文将介绍如何使用STM32微控制器来设计和实现步进电机控制系统。
2. 硬件设计首先需要确定步进电机的规格和要求，包括步距角、相数、电流和电压等。
根据步进电机的规格，选择合适的驱动器芯片，常见的有L298N、DRV8825等。
接下来，将选定的驱动器芯片与STM32微控制器相连。
通常，步进电机的控制信号需要使用到微控制器的GPIO引脚，同时由于步进电机的工作电流比较大，需要使用到微控制器的PWM输出信号来调节驱动器芯片的电流限制。
除此之外，还需要一个电源电路来提供驱动器和步进电机所需的电源。
可以选择使用一个电源模块，也可以自行设计电源电路。
3. 软件设计软件设计是步进电机控制系统的核心部分，主要包括步进电机驱动代码的编写和控制算法的实现。
首先，需要在STM32的开发环境中编写步进电机驱动代码。
根据所选的驱动器芯片和步进电机规格，编写相应的GPIO控制代码和PWM输出代码。
同时，可以添加一些保护性的代码，例如过流保护和过热保护等。
接下来，需要设计和实现步进电机的控制算法。
步进电机的控制算法通常是基于位置控制或速度控制的。
对于位置控制，可以使用开环控制或闭环控制，闭环控制通常需要使用到步进电机的编码器。
对于开环控制，可以通过控制步进电机的脉冲数来控制位置。
通过控制脉冲的频率和方向，可以实现步进电机的转动和停止。
这种方法简单直接，但是定位精度有限。
对于闭环控制，可以使用PID控制算法或者更高级的控制算法来实现位置控制。
通过读取步进电机的编码器反馈信号，可以实时调整控制输出。
这种方法可以提高定位精度和抗干扰能力，但是算法实现相对复杂。
4. 系统实现在完成硬件设计和软件设计后，可以进行系统的调试和实现。
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步进电动机必须采用变速
方式工作。
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机电传动与控制（第四版）程宪平
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第9章 步进电动机控制系统
机电传动与控制（第四版）程宪平
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第9章 步进电动机控制系统
9-1 步进电动机的环形分配器
脉冲分配器
当方向电平为低时，脉冲 分配器的输出按A-B-C的顺序 循环产生脉冲。
当方向电平为高时，脉 冲分配器的输出按A-C-B的顺 序循环产生脉冲。
f
f
A
A
B
C
C
B
功率放大器
将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕
11
第9章 步进电动机控制系统
9-1 步进电动机的环形分配器
2．软件环形分配
软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状 态，从而产生一定的脉冲分配输出。
1) 输出接口
输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一 一对应起来。
89C51单片机本身包含4个8 8031
位I/O端口，分别为P0、P1、P2、
能按输入脉冲信号的要求迅速启动、反转和停止， 且能在较宽的范围内通过改变脉冲频率来进行调速。 故步进电动机拖动控制系统不用反馈 也能实现高精度的角度和转速控制。 简化了系统、降低了成本，特别适用于开环数控系统。
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机电传动与控制（第四版）程宪平
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第9章 步进电动机控制系统
步进电动机传动控制系统的主要特点
② 了解不同类型步进电动机的驱动电路及其优缺点； ③ 了解步进电动机的控制及应用。
重点
① 设计步进电动机的环形分配器； ② 分析和设计简单的步进电动机驱动电路；
难点
① 步进电动机的不同脉冲分配方式及其运行性能；
② 驱动电路对步进电动机运行性能的影响。
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机电传动与控制（第四版）
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第9章 步进电动机控制系统
软件环形分配器：由计算机接口电路和相应的软件组成的。 受到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制 的要求。
1.硬件环形分配器
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第9章 步进电动机控制系统
9-1 步进电动机的环形分配器
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机电三传相动与六控制拍（环第四形版）分程宪配平器
为使步进电动机按一定通电方式工作， 需将控制脉冲按规定方式分配到电动机的每相绕组， 这就是环形分配器的任务。
步进电机的驱动系统框图
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第9章 步进电动机控制系统
9-1步进电动机的环形分配器
采用硬件逻辑电路实现这种分配的叫硬件环形分配器， 采用软件实现的叫软件环形分配器。 两种脉冲分配器各有优点，使用时可根据实际情况而定。
步进电机的驱动系统框图
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第9章 步进电动机控制系统
9-1 步进电动机的环形分配器
一、 步进电动机的驱动
步进电动机的控制绕组是按一定的通电方式工作的，为了 实现这种轮流通电，必须依靠环形分配器将控制脉冲按规定的 通电方式分配到各相控制绕组上。
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正转：A-AB-B-BC-C-CA
反转：A-AC-C-CB-B-BC
根据89C51单片机的基本原理，对P1.0、 P1.1、 P1.2位编程使其按表规定 改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。
P1.7
P1.6
P1.5 P1.4
P1.3
ห้องสมุดไป่ตู้
P1.2
P1.1
P1.0
通电相
X
X
X
X
X
0
0
1
A
X
X
X
X
X
0
1
1
AB
组202供0/9电/9 ，使电动机的转机电子传动产与控生制输（第出四版转）矩程宪。平
9
第9章 步进电动机控制系统
9-1 步进电动机的环形分配器
二、步进电动机的脉冲分配器
步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。
硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的 响应速度，且具有直观、维护方便等优点。
P3。 若要实现三相步进电动机
P1.0 P1.1
的脉冲分配，需要三根输出口
P1.2
线，本例中选P1口的P1.0、
P1.1、P1.2位作为脉冲分配的
输20出20/9。/9
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A驱
B
动 器
C
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第9章 步进电动机控制系统
9-1 步进电动机的环形分配器
2) 输出模型
如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即:
目录 ·第9章
第9章 步进电动机控制系统 ➢ 9-1 步进电动机的环形分配器 ➢ 9-2 步进电动机的驱动电路 ➢ 9-3 步进电动机的传动与控制 ➢ 9-4 步进电动机的应用
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机电传动与控制（第四版）
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第9章 步进电动机控制系统
基本要求
① 了解步进电动机环形分配器的基本原理 及其硬、软件的实现方法；
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第9章 步进电动机控制系统
9-3 步进电动机的传动与控制
低速工作时，步进电动机 可以直接启动，并采用恒速工 作方式；
高速启动频率越高，启动 转矩越小，带负载能力越差。 启动时脉冲频率过高会出现失 步。
必须用低速启动，然后再
慢慢加速到高速，实现高速运 行。
④ 电脉冲的频率不能过高， 否则影响步进电动机的启动和正常运行；
⑤ 步进电动机不宜带转动惯量很大的负载， 否则也将影响它的启动和正常运行；
⑥ 步进电动机工作必须采用专用的驱动电源供电， 驱动电源的优劣对系统运行的影响极大。
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第9章 步进电动机控制系统
9-1 步进电动机的环形分配器
步进电动机传动控制系统的组成
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第9章 步进电动机控制系统
步进电动机传动控制系统的主要特点
① 步进电动机的步数和转速 与输入脉冲频率之间有严格的正比关系， 不会因电压的波动、负载的增减以及温度等 外部环境的变化而变化；
② 积累误差等于零，故其控制精度高； ③ 控制性能好，在一定的额率范围内
X
X
X
X
X
0
1
0
B
X
X
X
X
X
1
1
0
BC
X
X
X
X
X
1
0
0
C
X
X
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X
机电X 传动与控制X（第四版）1程宪平 0
1
CA
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第9章 步进电动机控制系统
9-3 步进电动机的传动与控制
一、 步进电动机的升降速控制
n
f
60
2
KmZ
f
60
60
f
2
2
KmZ
当步进电动机的通电方式选定后，其转速只与输入脉冲频 率成正比，改变脉冲频率就可以改变转速，实现无级调速，调 速范围很宽， 它可以使用在不同速度的场合。