步进电机题库
一、名词解释
矩角特性：步距角：运行矩频特性：失调角：
二、不定项选择题
1、正常情况下步进电机的转速取决于( )
A.控制绕组通电频率
B.绕组通电方式
C.负载大小
D.绕组的电流
2、某三相反应式步进电机的转子齿数为50，其齿距角为( )
A.7.2°
B.120°
C.360°电角度
D.120°电角度
3、某四相反应式步进电机的转子齿数为60，其步距角为( )
A.1.5°
B.0.75°
C.45°电角度
D.90°电角度
4、某三相反应式步进电机的初始通电顺序为C B A →→，下列可使电机反转的通电顺序为（ ）
A.A B C →→
B.A C B →→
C.B C A →→
D.C A B →→
5、下列关于步进电机的描述正确的是（）
A.抗干扰能力强
B.带负载能力强
C.功能是将电脉冲转化成角位移
D.误差不会积累
三、填空题
1、步进电机的工作原理是 。
2、矩角特性的数学表达式为 。
3、三相反应式步进电机的通电状态包括 、 和 。
4、五相反应式步进电机多相通电时，其最大静转矩为 。
5、提高步进电机的带负载能力的方法有 和 。
四、简答题
1、如何控制步进电机的角位移和转速？步进电机有哪些优点？
2、步进电机的转速和负载大小有关系吗？怎样改变步进电机的转向？
3、为什么转子的一个齿距角可以看作是360°的电角度？
4、反应式步进电机的步距角和那些因素有关？
5、步进电机的负载转矩小于最大静转矩时，电机能否正常步进运行？
6、为什么随着通电频率的增加，步进电机的带负载能力会下降？
五、计算题
1、有一台四相反应式步进电机，其步距角为1.8°/0.9°，试求：
（1）转子齿数是多少？（2）写出四相八拍的一个通电顺序；（3）A 相绕组的电流频率为400Hz 时，电机转速为多少？
2、一台四相步进电动机，若单相通电时矩角特性为正弦波，其幅值为max T ，则：
（1）两相通电时的最大静转矩；（2）作出单相通电时的矩角特性；（3）求四相八拍运行时的最大带负载转矩。
3、一台三相反应式步进电动机，步距角??=5.1/3b θ，其最大静转矩m N T ?=685.0max ，转动部分的转动惯量2510725.1m Kg J ??=-，试求该电机的自由振荡频率和周期。
4、一台五相十拍运行的步进电动机，转子齿数48=R Z ，A 相绕组电流频率为600Hz ，求：
（1）电机步距角；（2）转速；（3）设单相通电时矩角特性曲线幅值为m N ?3，求三相同时通电时的最大静转矩。
六、作图分析题
1、做出三相步进电机两相同时通电的矩角特性，并证明此时矩角特性的幅值不变。
2、做出三相步进电机空载时单步运行的矩角特性曲线，并用电磁符号描述一个循环的运行过程。
3、由于转子存在震荡，通电频率提高时可能会造成失步，作出此时(空载)电机运行的矩角特性，并用电磁符号描述该过程。
步进电机常识与矩频曲线
步进常识 1. 什么是步进电机? 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 2. 步进电机分哪几种? 步进电机分三种：永磁式（PM ,反应式（VR和混合式（HB 永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5 度或15 度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5 度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8 度而五相步进角一般为0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。 3. 什么是保持转矩（HOLDING TORQUE? 保持转矩（HOLDINGORQUE是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进 电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为
了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m 的步进电机。 4. 什么是DETENT TORQU起动转扭） DETENTTORQU是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETEN T ORQUEE国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQ U E 5. 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 6. 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至 于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130 度以上，有的甚至高达摄氏200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90 度完全正常。7. 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越 高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 8. 为什么步进电机低速时可以正常运转, 但若高于一定速度就无法启动, 并伴 有啸叫声?
步进电机的控制程序
mega16的，16和32管脚兼容，只不过flash大小不一样，不过中断向量号也不一样，你看下自己改改。时钟频率：内部RC 1M 芯片：ULN2003 键值：0 小角度快正转。1 小角度快倒。2 大角度快转。3 大角度快倒。4 小角度正慢转。5 小角度倒慢转。6 大角度正慢转。7 大角度倒慢转。********************************************************************/ #include 中国地质大学长城学院 本科课程设计题目:基于80C51单片机的步进电机控制系统 系别信息工程系 学生姓名 专业电气工程及其自动化 学号 指导教师 职称讲师 2014 年6 月11 日 摘要 本文研究基于51系列单片机的步进电机控制系统设计，该系统包括以下几个部分：数据采集、数据处理、终端接收，该系统以汇编语言为单片机的驱动程序语言，单片机控制步进电机，主要任务是把二进制数变成脉冲序列，按相序输入脉冲以实现电机转动方向控制，利用单片机实现对步进电机的远距离实时监控，从而达到高效、节能的控制步进电机工作的目的,该系统具有成本低、控制方便的特点。使用单片机驱动四相步进电机，控制步进电机以四相八拍的方式运行，来实现步进电机正向/反向旋转，P1.0～P1.3分别控制步进电机；P1.5～P1.7分别控制步进电机的停止、正转、反转。 关键词：51单片机；步进电机；数据采集；汇编语言； 目录 摘要 0 1 设计目的 (1) 2设计内容与要求 (1) 3 总体设计方案 (1) 3.1整体方案 (1) 3.2具体方案实现 (1) 4系统硬件设计 (2) 4.1复位电路 (2) 4.2晶振电路 (2) 4.3按键电路 (3) 4.4指示灯电路 (3) 4.5驱动电路 (4) 4.6步进电机 (4) 5程序软件设计 (5) 5.1程序流程图 (5) 5.2源程序 (6) 6系统调试与仿真 (7) 7总结 (8) 1设计目的 1．掌握单片机控制步进电机的硬件接口电路。 2．掌握步进电机驱动程序的设计和调试方法。 3．熟悉步进电动机的工作特性。 2设计内容与要求 1．查阅资料，了解步进电机的工作原理。 2．通过单片机给定参数控制电机转动。 3．通过按钮控制正转、反转和停止。 3总体设计方案 3.1整体方案 本系统主要是由AT89C51，步进电机控制器ULN2004，步进电机，通过单片机编程，实现步进电机控制的脉冲分配，使电机实现正转，反转以及停止等功能 3.2具体实现方案 根据系统要求画出单片机控制步进电机的控制框图，见下图。系统包括单片机、按键、驱动电路和步进电机。 键盘80c51单片机 步进电机 驱动电路 目录 一、设计任务: (2) 二、步进电机概述： (2) 三、题目分析与整体构思: (4) 四、硬件电路设计: (7) 五、硬件验证: (10) 六、程序设计: (10) 七、系统仿真： (15) 八、感应子式步进电机工作原理： (17) 九、心得体会: (24) 参考文献: (25) 一、系统设计要求 步进电机作为一种电脉冲—角位移的转换元件，由于具有价格低廉、易于控、制、无积累误差和计算机接口方面等优点，在机械、仪表、工业控制等领域中获得了广泛的应用。本设计的具体要求是： 1. 设计制作一个步进电机控制电路，可以细分驱动和常规驱动。 2. 常规驱动状态转速四档可调并可实现正反转。 二、步进电机概述 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。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。 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。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5度，但噪声和振动都很大。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。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 （一）步进电机的一些基本参数： 1.电机固有步距角： 电机固有步距角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。 2.步进电机的相数： 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，它们的步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36° 步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。本文重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。 步进电机的构造 如图1所示，步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流的流向如图1所示，并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部，那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则，这样的电流会产生一个北极向上的磁场。 现在假设我们构造一个定子上缠绕有两个绕组的电机，内置一个能够绕中心任意转动的永久磁铁，这个可旋转部分叫做转子。图2给出了一种简单的电机，叫做双相双极电机，因为其定子上有两个绕组，而且其转子有两个磁极。如果我们按图2a所示方向给绕组1输送电流，而绕组2中没有电流流过，那么电机转子的南极就会自然地按图中所示，指向定子磁场的北极。 再假设我们切断绕组1中的电流，而按图2b所示方向给绕组2输送电流，那么定子的磁场就会指向左侧，而转子也会随之旋转，与定子磁场方向保持一致 接着，我们再将绕组2的电流切断，按照图2c的方向给绕组1输送电流，注意：这时绕组1中的电流流向与图2a所示方向相反。于是定子的磁场北极就会指向下，从而导致转子旋转，其南极也指向下方。 然后我们又切断绕组1中的电流，按照图2d所示方向给绕组2输送电流，于是定子磁场又会指向右侧，从而使得转子旋转，其南极也指向右侧。。 最后，我们再一次切断绕组2中的电流，并给绕组1输送如图2a所示的电流， 步进电机基本知识(2009-01-08 13:51:30) 1、步进电机：是一种将电脉冲转化为角位移或线位移的执行机构。其特点是没有积累误差（精度为100%），广泛应用于各种开环控制。 2、步进电机分类：永磁式（PM），反应式（VR），混合式（HB）。 3、保持转矩：是指步进电机通电，但没有转动时，定子锁住转子的力矩。 4、精度：为步进角的3～5%，且不累积。 5、细分驱动器：是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机的运转的。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。对于2，4相电机，细分后的步距角等于电机的整步步距角除以细分数。对于3相反应式电机，细分后的步距角等于电机的半步步距角除以细分数。 6、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°，整步工作时为1.8°）此步距角为电机固有步距角。 7、相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 8、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 9、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 10、最大空载运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 11、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。 12、电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。方向由导电顺序决定。控制步进脉冲信号的频率，可以对电机进行精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机进行精确定位。 13、步进电机驱动器：是把计算机控制系统提供的弱信号放大为步进电机能够接受的强电流信号。 14、拍数：是完成一个磁场周期性变化所需脉冲数。指电机转过一个齿距角所需脉冲数。 15、脱机信号free：此信号为选用信号，并不是必须要用的，只有在一些特殊情况下使用，此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时此功能无效，电机可正常运行，此功能若用户不采用，只需将此端悬空即可。 16、CP脉冲宽度一般要求不小于2us。 17、CP电平方式：对于共阳接法的驱动器要求为负脉冲方式，脉冲状态为低电平，无脉冲时为高电平；对于共阴接法的驱动器要求为正脉冲方式，脉冲状态为高电平，无脉冲时为低电平。 18、dir信号：一定要在电机降速停止后再换向。 19、步进电机在启动时，必须有升速过程；在停止时必须有降速过程，一般来说升速过程和降速过程规律相同。特例：步进电机运行速度不超过突跳频率，这时不存在升降速问题。 20、自动半电流功能：驱动机在步进脉冲信号停止施加2S左右，会自动进入半电流状态，这时电机相电流为运行时的一半，以减少功耗和保护电机。 21、细分优点：完全消除了电机的低频振荡。 22、步进电机的工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和参数。 23、常用的有两相，四相混合式步进电机。 24、电机是有内阻的感性负载。 25、步进电机驱动方式：恒压，恒流，恒流斩波，使同样电机输出更大速度和功率。 26、步进电机启动：A、低初速度，低加速度阶段 用PLC控制步进电机的相关指令 下面介绍的指令只适用于FX1S、FX1N系列的晶体管输出PLC，如高训的FX1N-60MT。这些指令主要是针对用PLC直接联动伺服放大器，目的是可以不借助其他扩展设备（例如1GM模块）来进行简单的点位控制，使用这些指令时最好配合三菱的伺服放大器（如MR-J2）。 然而，我们也可以用这些指令来控制步进电机的运行，如高训810室的实验台架。下面我们来了解相关指令的用法： 1、脉冲输出指令PLSY（FNC57） PLSY指令用于产生指定数量的脉冲。助记法为HZ、数目Y出来。指令执行如下： 2、带加减速的脉冲输出指令PLSR（FNC59） 3、回原点ZRN（FNC156）--------重点撑握 ZRN指令用于校准机械原点。助记法为高速、减速至原点。指令执行如下： 4、增量驱动DRVI（FNC158）--------重点撑握 DRVI为单速增量驱动方式脉冲输出指令。这个指令与脉冲输出指令类似但又有区别， 只是根据数据脉冲的正负多了个转向输出。本指令执行如下： 5、绝对位置驱动指令DRVA（FNC159） 本指令与DRVI增量驱动形式与数值上基本一样，唯一不同之处在于[S1.]： 在增量驱动中，[S1.]指定的是距离，也就是想要发送的脉冲数；而在绝对位置驱动指令中， [S1.]定义的是目标位置与原点间的距离，即目标的绝对位置。 下面以高训810室的设备为例，说明步进电机的驱动方法： 在用步进电机之前，请学员考虑一下几个相关的问题： 1、何谓步进电机的步距角？何为整步、半步？何谓步进电机的细分数？ 2、用步进电机拖动丝杆移动一定的距离，其脉冲数是如何估算的？ 3、在步进顺控中运用点位指令应注意什么？（切断电源的先后问题！） 步进电机测试程序与接线如下： 1、按下启动按钮，丝杆回原点，5秒钟后向中间移动，2秒后回到原点。 几种典型的步进电机闭环控制系统 工业大学 【摘要】系统阐述了步进电动机闭环控制系统的优点，给出了几种典型的闭环控制系统，并提出了步进电动机高精度定位系统的设计思想。 【叙词】步进电机闭环系统／高精度定位 l概述 步进电机是机电一体化产品中的关键元件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。它能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移，是一种离散型自动化执行元件。随着计算机控制系统的发展，步进电动机广泛应用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其它自动化系统中，是高科技发展的一个重要环节。 2步进电动机闭环系统与开环系统比较[1- 步进电机的主要优点之一是适于开环控制。在开环控制下，步进电动机受具有予定时间间隔的脉冲序列所控制，控制系统中无需反馈传感器和相应的电子线路。这种线路具有简单、费用低的特点，使步进电动机的开环控制系统得以广泛的应用。 但是，步进电机的开环控制无法避免步进电动机本身所固有的缺点，即共振、振荡、失步和难以实现高速。另一方面，开环控制的步进电动机系统的精度要高于分级是很困难的，其定位精度比较低。因此，在精度和稳定性标准要求比较高的系统中，就必须果用闭环控制系统。 步进电动机的闭环控制是采用位置反馈和（或）速度反馈来确定与转子位置相适应的相位转换，可大大改进步进电动机的性能。 在闭环控制的步进电机系统中，或可在具有给定精确度下跟踪和反馈时，扩大工作速度围，或可在给定速度下提高跟踪和定位精度，或可得到极限速度指标和极限精度指标。步进电动机的闭环控制性能与开环控制性能相比，具有如下优点： a．随着输出转矩的增加，二者的速度均以非线性形式下降，但是，闭环控制提高了矩频特性。 b．闭环控制下，输出功率／转矩曲线得以提高，原因是，闭环下，电机励磁转换是以转子位置信息为基础的，电流值决定于电机负载，因此，即使在低速度围，电流也能够充分转换成转矩。 c．闭环控制下，效率一转矩曲线提高。 d．采用闭环控制，可得到比开环控制更高的运行速度，更稳定、更光滑的转速。 e.利用闭环控制，步进电动机可自动地、有效地被加速和减速。 f．闭环控制相对开环控制在快速性方面提高的定量评价，可借助比较Ⅳ步通过某个路径间隔的时间得出： 式中n-步进电动机转换拍数(N>n) g．应用闭环驱动，效率可增到7.8倍，输出功率可增到3.3倍，速度可增到3.6倍。 闭环驱动的步进电机的性能在所有方面均优于开环驱动的步进电动机。步进电机闭环驱动具有步进电动机开环驱动和直流无刷伺服电机的优点。因此，在可靠性要求很高的位置控 第一步：步进电机的保持转矩，相当于传统电机所说的“功率”。当然，他们有着本质的区别。步进电机的物理结构，完全不同于普通的交、直流电机，它的输出功率是可变的。通常根据需要的转矩大小，来选择哪种型号的步进电机。大致来说，扭力在0.8n.m以下的，一般选择28、35、39、42；扭力在1N.m左右的，选择57电机较为合适。扭力在几N.m或更大的情况下，就应当选择转矩更大的75、85、86、90、110、130等规格的步进电机。同时，我们还应考虑电机的转速。因为，电机的输出转矩，与转速成反比关系。就是说，步进电机在低速（每分钟几百转或更低转速，其输出转矩较大），在高速旋转状态的转矩就很小了。当然，有些工作环境需要高速电机，就要对步进电机的线圈电阻、电感等指标进行综合权衡。选择电感稍小一些的电机，作为高速电机，能够获得较大输出转矩。反之，要求低速大力矩的情况下，就要选择电感在十几或几十mH,电阻也要大一些为好。 第二步：步进电机空载启动频率，一般称为“空起频率”。这是选购步进电机很重要的一项指标。如果要求在瞬间频繁启动、停止，并且，转速在1000转/分钟左右或更高。最好选择反应式或永磁式步进电机，这些电机的“空起频率”都比较高。 第三步：步进电机的相数选择，这项内容，很多客户几乎没有什么重视，大多是随便购买。其实，不同相数的电机，工作效果是不同的。相数越多，步距角就能够做的比较小，工作时的振动就相对小一些。大多数场合，使用两相、三相、五相混合式步进电机的比较多。在高速大力矩的工作环境，选择三相步进电机是很实用的。 第四步：防水防腐型步进电机能够防水、防油，适用于某些特殊场合。例如水下机器人，就需要放水电机。75BYG系列步进电机大多具有防水结构。对于特种用途的电机，就要针对性选择了。 第五步：特殊规格的步进电机，通常需要和生产厂家沟通，在技术允许的范围内，加工订做。例如，出轴的直径、长短、伸出方向等。 No2．步进电机的噪音控制方法 步进电机的运转难免会有很大的噪音，在工厂这些噪音其实不算什么，工厂里多的是机械，各式各样的，一起运转，那么多的噪音，就好像在开一场演唱会，只是是我们听不懂的，很刺耳的。 噪音大听不到不要紧，但是在工厂里面的操作工难免就要遭罪了，操作工之间讲话都是问题，不用吼得是听不到了，久而久之，他们的听觉也会有一点受到影响。那该如何减少这些机器的噪声呢？ 第一，可以通过改变减速比等机械传动避开共振区； 第二，可以采用带有细分功能的驱动器； 第三，可以换成步距角更小的步进电机； 第四，可以换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声； 第五，可以在电机轴上加磁性阻尼器。 步进电机高速不能直接使用普通的交直流电源，需要专用的伺服控制器，应注意以下特点： 目录 一前言 (1) 二总体方案设计 (1) 1工作原理 (1) 2方案选择 (1) 2.1时钟脉冲 (1) 2.2脉冲分配器 (1) 2.3驱动器 (1) 3 总的框架 (2) 三单元模块设计 (2) 1单片机模块 (2) 1.1复位控制 (3) 1.2单片机频率 (3) 2接口 (3) 3驱动器ULN2003 (4) 4按键模块 (5) 5步进电机 (5) 5.1工作原理 (5) 5.2 28BYJ48型四相八拍 (7) 四整机调试与技术指标测量 (8) 五设计总结 (8) 参考文献 (9) 附录1电路原理图 (10) 附录2 源程序 (11) 一、前言 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件，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。 二、总体方案设计 1、工作原理 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 2、方案选择 （1）时钟脉冲 通常有两种方法实现： 方案一直接有硬件组成如：多谐振荡器 LC 等。 方案二用软件的方式形成优点便于随时更改，调整。 为了方便我们选用软件方式有单片机实现。 （2）脉冲分配器 方案一硬件环形分配器：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。 方案二软件环分：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。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。 考虑到硬件设备的有限和对步进电机的控制我们选择软件环分可以有单片机实现。 （3）驱动器 方案一使用功率场效应管的单电压功放电路。 更多电子资料请登录赛微电子网https://www.sodocs.net/doc/311665042.html, 步进电机原理 作者：Dan Simon，电子与计算机工程系，克里夫兰州立大学 步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。本文重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。 步进电机的构造 （图一，具有双齿槽和单绕组的定子） 如图1所示，步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流的流向如图1所示，并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部，那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则，这样的电流会产生一个北极向上的磁场。 现在假设我们构造一个定子上缠绕有两个绕组的电机，内置一个能够绕中心任意转动的永久磁铁，这个可旋转部分叫做转子。图2给出了一种简单的电机，叫做双相双极电机，因为其定子上有两个绕组，而且其转子有两个磁极。如果我们按图2a所示方向给绕组1输送电流，而绕组2中没有电流流过，那么电机转子的南极就会自然地按图中所示，指向定子磁场的北极 （图2：双相双极电机） 然后我们切断绕组1中的电流，按照图2b所示方向给绕组2输送电流，于是定子磁场会指向左侧，从而使得转子旋转，其南极也指向左侧。 课程设计 课程名称微型计算机控制技术 题目名称步进电机角度控制（1） 学生学院自动化学院 专业班级自动化（4）班 学号 学生姓名 指导教师 2012 年 6 月26 日 一、系统设计说明 1.硬件设计 本次设计要求通过键盘按键实现对步进电机的转动次数和每次转动的角度的控制，并通过数码管显示出来。 本方案中通过按键对步进电机的转动角度进行设定，给各个按键设置不同的键值。按下按键时，给8255A一个信号设定步进电机下一步的动作。8086通过8255A的数据总线读取该信号，并作出反应，通过给8255A一系列的指令驱动其工作，从而驱动步进电机和LED 显示器 2.软件设计 3.显示模块设计说明： 为使显示程序具有通用性和灵活性，在8086内设置一个显示缓冲区，显示缓冲区的每个单元与LED的各位一一对应。当主程序需要显示，只需将要显示的字符送入显示缓冲区，然后调用显示子程序。显示子程序的任务则是逐一取出显示缓冲区中的字符、查字形表转换成相应字型码，然后通过字段口输出显示。显示模块是用四位七段数码管来显示转动次数和每次转动的角度。给八个按键设置不同的子程序，当按下按键时，根据事先设定好的各个按键对应的转动角度的值输出到数码管进行显示。 步进电机模块设计说明： 在此设计中，采用的是八拍步进电机。步进电机控制程序就是完成环形分配器的任务，从而控制电动机的转动，以达到控制转动角度和位移的目的。控制模型可以以立即数的形式一一给出。对于步进电机模块的程序设计采用循环程序设计方法。先把转动的次数和角度的控制模型存放在内存单元中，然后再逐一从单元中取出控制模块并输出。首先启动，按下按键选择步进电机的角度，然后读入转动的控制模型驱动步进电机转动。 二、程序设计流程图 步进电机工作原理、驱动控制系统与选型 一、感应子式步进电机工作原理 （一）反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图： 2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て。 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电， 电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力 F与（dФ/dθ）成正比 其磁通量Ф=Br*S ；Br为磁密；S为导磁面积； F与L*D*Br成正比；L为铁芯有效长度；D为转子直径；Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。 力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态） 因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。 （二）感应子式步进电机 文理学院芙蓉学院课程设计报告 课程名称：专业综合课程设计 专业班级：自动化1001班学号：40 学生：志航 指导教师：建英 完成时间： 2013年 6月13 日 报告成绩： 芙蓉学院教学工作部制 摘要 本文先介绍了混合式步进电机的结构和工作原理，分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用，论述了正弦波细分驱动可以实现等步距角、等力矩均匀细分驱动的原理，提出了一种基于H桥和其他分立元件分配脉冲的驱动技术，该方案可实现步进电机的单拍、半拍、双拍三种工作方式。本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、液晶显示电路组成，单片机是控制系统的核心。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍。 关键词：单片机；正弦脉宽调制；混合式步进电机；细分驱动 Abstract In this paper, the working principle and configuration of three-phase hybrid Stepper are introduced, then based on technologies such as stepper motor controller, PWM inverter and microcontroller. In the thesis, we develop a single chip computer -based digital controlling system for a three-phase hybrid stepper motor that is mainly constructed from a AT89C51 single chip computer and ST7920IC which is used as the core of control parts. The system's whole architecture, the design of hardware and software are introduced in detail. KEY WORDS: Microcontroller，SPWM，Hybrid stepper motor，Micro-stepping driver 电机行业专业求职平台 1.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。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。步进电机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。它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 提及此知识，希望能给予正在对电机选型的客户有所帮助。 2.力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度，则产生力 F与（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=N·I/R N·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。 力矩=力*半径 力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态） 因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。 一、混合式步进电机 电机行业专业求职平台1、特点： 混合式（又称感应子式步进电机）与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 混合式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运 行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C= A ,D=B . 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相， 而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，更可以作二相电机绕组串联或并联使用。 2、分类 混合式步进电机可分二相、三相、四相、五相等，我公司混合式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机: TEB20H,TEB28H,TEB35H,TEB39H,TEB42H,TEB57H,TEB86H,TEB110 H,TEC57H,TEC86H,TEC110H,TEC130H. 3、步进电机的静态指标术语 相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半 步）。 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的） 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电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。。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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 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。步进电机概述 步进电机又称为脉冲电机,基于最基本的电磁铁原理,它是一种可以自由回转的电磁铁,其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。年前后开始以控制为目的的尝试,应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。二十世纪初,在自动交换机中广泛使用了步进电机。由于西方资本主义列强争夺殖民地,步进电机在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中得到了广泛的使用。二十世纪五十年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上,对于数字化的控制变得更为容易。到了八十年代后,由于廉价的微型计算机以 多功能的姿态出现,步进电机的控制方式更加灵活多样。 步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是,它接收数字控制信号电脉冲信号并 转化成与之相对应的角位移或直线位移,它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。而且它可开环位置控制,输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量,这样的所谓增量位置 控制系统与传统的直流控制系统相比,其成本明显减低,几乎不必进行系统调整。步进电机 的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比,而且在时间上与脉冲同步。因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序,即可获得所需的转角、速度和方向。 我国的步进电机在二十世纪七十年代初开始起步,七十年代中期至八十年代中期为成 品发展阶段,新品种和高性能电机不断开发,目前,随着科学技术的发展,特别是永磁材料、半导体技术、计算机技术的发展,使步进电机在众多领域得到了广泛应用。 步进电机控制技术及发展概况 作为一种控制用的特种电机,步进电机无法直接接到直流或交流电源上工作,必须使用专用的驱动电源步进电机驱动器。在微电子技术,特别计算机技术发展以前,控制器脉冲信 号发生器完全由硬件实现,控制系统采用单独的元件或者集成电路组成控制回路,不仅调试 安装复杂,要消耗大量元器件,而且一旦定型之后,要改变控制方案就一定要重新设计电路。这就使得需要针对不同的电机开发不同的驱动器,开发难度和开发成本都很高,控制难度较大,限制了步进电机的推广。 #include "reg52.h" #include "INTRINS.H" #include 单片机基于80C51单片机的步进电机控制系统
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