步进电机驱动与控制系统的设计_李国厚
一种多轴步进电机控制系统及其控制方法
⼀种多轴步进电机控制系统及其控制⽅法（19）中华⼈民共和国国家知识产权局
（12）发明专利申请
（10）申请公布号
CN110417312A
（43）申请公布⽇ 2019.11.05（21）申请号CN201910699013.5
（22）申请⽇2019.07.31
（71）申请⼈北京航空航天⼤学
地址100191 北京市海淀区学院路37号
（72）发明⼈李豪伟;李慧鹏;宋凝芳;张春熹
（74）专利代理机构
代理⼈
（51）Int.CI
权利要求说明书说明书幅图
（54）发明名称
⼀种多轴步进电机控制系统及其控制⽅法
（57）摘要
本发明公开了⼀种多轴步进电机控制系统
及其控制⽅法，控制电路根据上位机发送的指令
产⽣控制信号，并将控制信号发送给驱动电路，
驱动电路根据控制信号驱动多轴步进电机运动，
通过将步进电机的控制功能与驱动功能集成在⼀
块电路板上，两者不再分⽴，可以实现控制、驱
动⼀体化，⽤户仅凭借该控制系统便可完成对步
进电机的控制和驱动，不需要其他配套产品。
本
发明提供的上述多轴步进电机控制系统，可以对。
步进驱动器控制电机抱闸驱动电路的制作方法
步进驱动器控制电机抱闸驱动电路的制作方法步进驱动器是一种控制电机的装置，通过控制信号输入来驱动电机转动。
而抱闸驱动电路是一种用于控制制动器的电路，可以使电机停止转动并保持在某个特定位置。
步进驱动器控制电机抱闸驱动电路的制作方法如下：1.设计电路图：首先，需要根据步进电机和抱闸制动器的型号和规格，设计电路图。
电路图应包括步进驱动器和抱闸驱动电路的连接方式和元件。
确保电路图的正确性和合理性。
2.配置电路元件：根据电路图，准备所需的电路元件，包括步进驱动器芯片、抱闸驱动器芯片、电容器、电阻器、电感器等。
确保选购到符合工作要求的合适元件。
3.连接步进驱动器：将步进驱动器芯片连接到电路板上，根据引脚定义将芯片正确连接。
通常步进驱动器芯片具有相应的控制引脚，如使能引脚、方向引脚、脉冲引脚等。
根据电路图连接正确的引脚。
4.连接抱闸驱动电路：将抱闸驱动器芯片连接到电路板上，根据引脚定义将芯片正确连接。
抱闸驱动器芯片通常具有制动控制引脚和状态反馈引脚。
根据电路图连接正确的引脚。
5.配置电源：为步进驱动器和抱闸驱动电路提供电源。
根据芯片的电源要求，配置相应电源电压和电流。
通常步进驱动器和抱闸驱动器芯片的电源电压范围在12V到36V之间。
6.连接信号线：根据电路图连接步进驱动器和抱闸驱动电路的信号线。
信号线通常包括脉冲信号、方向信号、使能信号等。
确保信号线的正常连接。
7.调试和测试：经过以上的连接工作之后，对电路进行调试和测试。
通过输入控制信号，观察步进驱动器和抱闸驱动器的工作状态，确保其正常工作和稳定性。
8.完善电路设计：根据实际应用需求，对电路进行进一步的改进和完善。
可以增加保护电路、滤波电路、反馈电路等，提高电路的可靠性和稳定性。
9.封装和固定：将电路板固定在适当的位置，并进行封装，保护电路元件不受外界干扰或损坏。
10.测试验证：对已制作的电路进行长时间运行的测试和验证。
通过多次测试验证，确保电路的可靠性和稳定性。
YHM600A数控铣床的安装与调试
Ｙ ６０ ＨＭ ０ Ａ数控铣 床主 要用 于加工 形状 复 杂的零 件 ，特别适用于 品种 变换 频繁且具复杂 曲面的模具行 业 ，也可用于机械制造 以及其他行业 。该机床具有生 产 与教学培训 为一体 的数控铣削功能 。学 习掌握数控 铣床操作与 安装 、调试 等方面 的操作规程 内容 ，为培 养工程质量 意识 、安全意识及技术经济性具有 一定意
送 至各润滑点 ，保证各润滑点 润滑 良好 ，自动润滑泵 安装 在机床后侧立柱上 ，应定期检查泵 内润滑油是否 足量并及时添加 ，润滑油选用 ４ ０号精密机床导轨油 。 机床主轴轴承和丝杠轴 承采用润滑脂 ，主轴轴承
润滑脂选用进 口高温润 滑脂 。丝杠轴 承润滑脂选用普 通锂基 润滑脂 。润滑脂应两年更换一 次。
主轴交 流变 频电机通过多楔带与多楔带轮将 动力 传 给主轴 ，通过变频器 控制 电机的工作频率 ，改变 电 机工作转速 ，从 而使 主轴获得 ２ ０—６０ ０ｒｍ ｎ的无 ０ ０ ｉ ／
级转速 。
（ ）用 吊车 吊起 机床 时应 将机 床前 部 的不 锈钢 ２ 防护罩拆开 ，用机床前端 的起 吊螺钉及立柱上方 的起
３０ ５
主轴 中心至立柱距 离／ ｍ ｍ 工作 台最 大承 重／ ｇ ｋ
最 小 设 定 单 位／ ｍｍ
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进 给电机 ，实现三轴联动 。
（ ）机床使 用 Ｒ ２ ２通讯 接 口 Ｄ Ｃ功能可 与计 ５ Ｓ３ Ｎ 算机连 接 ，应 用计 算 机 自动 编程 ，Ｄ Ｃ传 输 到数 控 Ｎ
《嵌入式系统及应用》步进电机控制设计
《嵌入式系统及应用》步进电机控制设计目录一、设计任务 (1)二、工作原理 (1)1、步进电机电路工作原理 (1)2、LED显示电路 (2)3、键盘电路原理图 (2)三、设计原理及步骤 (2)四、内存使用分配表 (3)五、设计说明及流程 (3)1、数码管显示字形 (3)2、键盘输入模块 (4)3、步进电机控制模块 (4)六、程序清单 (5)七、设计心得 (11)一、设计任务1)从键盘上输入步进电机正、反转命令，转速参数（16级）和转动步数显示在LED显示器上。
显示器上显示：第一位为0表示正转，为1表示反转；第二位0~F为转速等级，第三到第六位设定步数。
2)单片机依显示器上显示的正、反转命令，转速级数和转动步数进相应动作，转动步数减为零时停止转动。
测量步进电机绕组两端电压，并在显示器上显示。
二、工作原理1、步进电机电路工作原理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。
如图2.1,当有一相绕组被通电激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短路径流向负相齿，为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。
那么,通过对它每相线圈中电流的顺序切换可使电机作步进式旋转。
图2.1步进电机工作原理图2.2 步进电机控制电路2、LED显示电路LED显示电路工作原理如图2.3。
图2.3 LED显示电路工作原理3、键盘电路原理图键盘电路原理如图2.4。
图2.4 键盘电路原理三、设计原理及步骤系统中使用24BYJ-48（四相八拍）型号步进电机，它使用+5V直流电源，步距角为5.625度，电机线圈由A、B、C、D四相组成。
两相步进电机控制系统设计
两相步进电机控制系统设计.综合课程设计题目两相步进电机学院计信学院专业10自动化班级2班学生姓名指导教师文远熔2012 年12 月28 日两相步进电机课程设计报告步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。
控制系统通过单片机存储器、I/O 接口、中断、键盘、LED 显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。
为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。
人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。
此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被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，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，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。
关键字: 步进电机单片机1 设计内容根据给定的任务要求选择合适的单片机和其他电子元件，进行系统硬件电路设计和软件编程，根据系统制作并调试电路板，使之实现任务要求。
两相步进电机，步距角为3度，编程实现下列功能：（1）按键，步进电机按一定速度正转。
x-y工作台文献综述数控专业毕业设计文献综述
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步进电机控制器课程设计
步进电机控制器课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握步进电机的原理、结构及其工作方式；2. 使学生了解步进电机控制器的基本组成、功能及其在自动化控制中的应用；3. 引导学生掌握步进电机控制器的编程方法，能够编写简单的控制程序。
技能目标：1. 培养学生运用步进电机控制器进行实际电路搭建与调试的能力；2. 提高学生分析和解决步进电机控制过程中出现问题的能力；3. 培养学生团队协作、沟通交流的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对步进电机控制器及相关自动化设备的兴趣，激发学生探究精神；2. 增强学生的创新意识，鼓励学生勇于尝试，培养解决问题的自信心；3. 引导学生认识到科技对社会发展的推动作用，增强学生的社会责任感。
课程性质分析：本课程为实践性较强的课程，旨在帮助学生将理论知识与实际应用相结合，提高学生的动手能力和实际操作技能。
学生特点分析：学生在前期已经学习了电机原理、电子技术等相关知识，具备一定的理论基础，但实际操作经验不足。
教学要求：1. 结合学生特点，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力；2. 注重培养学生的团队协作能力和创新能力；3. 关注学生的个体差异，因材施教，提高教学质量。
二、教学内容1. 步进电机原理与结构- 介绍步进电机的种类、原理及特点；- 分析步进电机的结构及其工作方式；- 结合教材第3章第2节内容，阐述步进电机在自动化控制系统中的应用。
2. 步进电机控制器组成与功能- 讲解步进电机控制器的硬件组成及各部分功能；- 介绍步进电机控制器的软件编程方法；- 引导学生阅读教材第4章第1节，了解控制器在自动化设备中的应用实例。
3. 步进电机控制器编程与调试- 教授步进电机控制器编程的基本语法和技巧；- 指导学生编写简单的控制程序，实现步进电机的运动控制；- 结合教材第4章第3节，组织学生进行实际电路搭建与调试，培养学生的动手能力。
4. 步进电机控制应用案例分析- 分析典型的步进电机控制应用案例，如数控机床、机器人等；- 引导学生了解教材第5章相关内容，探讨步进电机在各个领域的应用前景。
实验一直流步进电机综合控制系统设计
实验一直流步进电机综合控制系统设计引言：直流步进电机是一种常用的电动机，具有结构简单、可靠性高、功耗小等特点，广泛应用于机器人、医疗设备、自动化设备和仪器仪表等领域。
本实验旨在设计一个直流步进电机的综合控制系统，通过控制电机转动以实现所要求的功能。
一、设计目标：1.实现直流步进电机的转动控制；2.利用矩阵键盘输入所需转动的步数和转速；3.利用数码管显示电机当前的转动步数和转速。
二、系统设计思路和流程：1.系统硬件设计：使用AT89C52单片机作为控制核心，连接矩阵键盘、数码管和直流步进电机。
2.电机驱动设计：通过L293D电机驱动芯片将单片机输出的控制信号转化为适应直流步进电机的电机驱动信号。
3.矩阵键盘输入设计：通过矩阵键盘输入所需转动的步数和转速，将输入的值存储在单片机的内部存储器中。
4.数码管显示设计：通过数码管显示电机当前的转动步数和转速。
5.电机控制程序设计：根据单片机内部存储器中的值，编写电机控制程序，通过改变电机驱动芯片的控制信号，实现电机的转动。
三、系统实施步骤：1.硬件电路搭建：按照设计思路，搭建系统硬件电路，连接单片机、矩阵键盘、数码管和直流步进电机。
2.单片机程序开发：编写单片机程序，实现与矩阵键盘的交互、数码管的显示和电机的控制。
3.调试和测试：根据实际情况对硬件电路和单片机程序进行调试，确保系统能够正常运行。
4.功能验证：利用矩阵键盘输入所需转动的步数和转速，观察数码管显示结果和电机的转动情况。
5.性能评估和优化：根据实验结果，对系统的性能进行评估和优化，提出改进方案。
四、结论：通过设计和实现直流步进电机综合控制系统，可以实现对电机的转动控制，并且能够通过矩阵键盘输入所需参数进行控制。
通过数码管可以实时显示电机的转动步数和转速，便于用户进行监控和调节。
该系统具有简单、可靠、易于控制和监控的特点，适用于直流步进电机的各种应用场景。
[1]AT89C52数据手册[2]L293D数据手册。
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步进电机驱动与控制系统的设计李国厚(河南科技学院,河南新乡453003)摘要:PLC 由于简单易学和可靠性高等优点而被广泛应用。
步进电机是一种常用的机电执行元件,相应的驱动和控制电路对于其整体性能起着非常重要的作用。
采用PLC 和大功率晶体管实现步进电机的驱动和控制。
整个系统具有结构简单、可靠性高、成本低和实用性强等特点,具有较高的通用性和应用推广价值。
关键词:步进电机;控制器;驱动器中图分类号:TM383.6 文献标志码:A 文章编号:1003-0794(2008)02-0114-03Design of Drive and Control System for Stepper MotorLI Guo -hou(Henan Institute of Science and Technology ,Xinxiang 453003,China )A bstract :PLCs are widely used because of their simplicity and high reliability .The stepper motor is a kind ofconventional electromechanic executive elements ,and the corresponding driving and control circuits have very important effects upon its overall performance .PLC and the high -power transistors are used to implemented driving and control of the stepper motor .The whole system has such features as simple structure ,high reli -ability ,low cost ,and good practibility ,etc .,and possesses better versatility and higher values of application and generalization .Key words :stepper motor ;controller ;driver 0 引言PLC 作为新一代的工业控制器,由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。
步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机,其位移速度与脉冲频率成正比,位移量与脉冲数成正比。
步进电机在结构上也是由定子和转子组成,可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。
当定子上绕组通电时,可产生激励磁场,并与转子形成回路。
如果转子和定子之间的齿没有对齐,由于磁力线力图走磁阻最小的线路,从而带动转子旋转一角度,使转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一致。
当定子绕组矢量磁场旋转一个角度,转子也随着该磁场旋转一个角度。
因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。
每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距角,称为一步。
根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,在供给连续脉冲时,就能一步一步地连续转动,从而使电机旋转。
每转一周的步数相同,在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。
随着电力电子技术的发展,可以实现细分驱动,即将一个步距角细分成若干小步来驱动。
步进电机必须使用专用的步进电机驱动设备才能够正常工作。
步进电机系统的运行性能,除与电机自身的性能有关外,在很大程度上还取决于驱动设备性能的优劣。
1 控制原理常用的步进电机分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等类型,不同的步进电机在控制方式上基本是一样的。
其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。
在实际应用中,反应式步进电机比较常用。
步进电机具有步进数可控、运行平稳,价格便宜等优点。
作为控制执行元件,步进电机是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种控制系统和精密机械等领域。
步进电机可以直接接受数字信号,不需要进行数字与模拟量的转换,具有高精度的快速启停能力。
如果选用三相六拍,步距是1.5°,即进一步,电机转动1.5°,也即200步才能转动1周。
步进电机直接由数字信号控制,其控制程序可以分为脉冲序列的生成、方向的控制、步进电机变速控制程序三部分。
1.1 步进电机控制的基本原理步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制2个方面。
从结构上看,步进电机分为三相、四相、五相等类型,常用的则以三相为主。
三相步进电机—114—第29卷第2期2008年 2月煤 矿 机 械Coal Mine Machinery Vol .29No .2Feb .2008DOI :10.13436/j .m kjx .2008.02.085的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种,下面具体加以阐述:(1)换相顺序的控制通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如,三相步进电机在单三拍的工作方式下,其各相通电顺序为A※B※C※A,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通断。
三相双三拍的通电顺序为AB※BC※CA※AB,三相六拍的通电顺序为A※AB※B※B C※C※C A※A。
(2)步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转。
若步进电机的励磁方式为三相六拍,即A※AB ※B※B C※C※C A※A。
如果按反序通电换相,即A ※AC※C※CB※B※B A※A,则电机就反转。
其他方式情况类似。
(3)步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。
2个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。
调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。
1.2 步进电机的起停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感,即振动感。
为了使电机转动平滑,减小振动,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。
在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机转轴不能自由转动。
1.3 步进电机的加减速控制在步进电机控制系统中,通过实验发现,如果信号变化太快,步进电机由于惯性跟不上电信号的变化,这时就会产生堵转和丢步现象。
所以步进电机在启动时,必须有加速过程,在停止时必须有减速过程。
理想的加速曲线一般为指数曲线,步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。
选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律,能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性好,缩短了升降速的时间,并可防止失步和过冲现象。
在一个实际的控制系统中,要根据负载的情况来选择步进电机。
步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”,与此类似,“停止频率”是指系统控制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。
电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些数据,才能有效地对电机进行加减速控制。
加速过程由突跳频率加加速曲线组成(减速过程反之)。
突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率f0。
步进电机的最高起动频率(突跳频率)一般为0.1kHz到3～4kHz,而最高运行频率则可以达到N×102kHz,以超过最高起动频率的频率直接起动,会产生堵转和丢步的现象。
较为理想的起动曲线应是按指数规律起动。
但实际应用时对起动段的处理可采用按直线拟合的方法,即阶梯加速法。
一般可按2种情况处理:(1)已知突跳频率则按突跳频率分段起动,分段数n=f f0;(2)未知突跳频率,则按段拟合至给定的起动频率,每段频率的递增量(后称阶梯频率)Δf=f8,即采用8段拟合。
在运行控制过程中,将起始的速度(频率)分为n分,作为阶梯频率,采用阶梯加速法将速度连续升到所需要的速度,然后锁定,按预置的曲线运行,如图1所示。
图1 步进电机运行过程中频率变化曲线在一般的应用中,经过大量实践和反复验证,频率如按直线上升或下降,控制效果就可以满足常规的应用要求。
用PLC实现步进电机的加减速控制,实际上就是控制发脉冲的频率。
加速时,使脉冲频率增高,减速时则相反。
如果使用定时器来控制电机的速度,加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。
速度从v1～v2变化,如果是线性增加,则按给定的斜率加减速;如果是突变,则按阶梯加速法处理。
在此过程中要处理好2个问题:(1)速度转换时间应尽量短 为了缩短速度转换的时间,可以采用建立数据表的方法。
结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率,就可以建立一个连续的数据表,并通过转换程序将其转换为定时初值表。
通过在不同的阶段调用相应的定时初值,就可控制电机的运行。
定时初值的计算是在定时中断外实现的,并不占用中断时间,保证电机的高速运行。
(2)保证控制速度的精确性 要从一个速度准—115—确达到另外一个速度,就要建立一个校验机制,以防超过或未达到所需速度。
1.4 步进电机的换向控制步进电机换向时,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向,以免产生较大的冲击而损坏电机。
换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。
对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。
在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速※换向※加速3个过程。
2 PLC控制系统的设计在采用PLC对步进电机进行控制的设计中,根据具体情况可选用多种不同的控制方案。
常见的控制方案是利用PLC的高速脉冲输出功能输出脉冲信号,经过专用的步进电机驱动器去控制步进电机。
由于小型PLC的高速脉冲输出端一般较少,这种控制方案要购置配套的驱动器,以产生控制步进电机的环型脉冲信号。
第2种常见的方案是用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号,并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号,这样就可以省掉专用的步进电机驱动器,降低硬件成本。
但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒,相应的频率只能达到几百赫兹,因此,受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响,步进电机不能在高频下工作,无法实现高速控制。
并且在速度较高时,由于受到扫描周期的影响,相应的控制精度就降低了。
这里也采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号,而速度脉冲信号则采用PLC的定时中断来产生,其最短时间为0.1ms,相应的频率可以达到10kHz,可以满足绝大多数的控制要求。