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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m ax 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。

步进电动机概念及其工作原理 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。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，当有脉冲输入肘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。步进电动机按其输出转矩的大小来分，可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般在N·cm级，可以作为控制小型精密机床的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是N·m级的，可以直接去驱动机床的移动部件。步进电动机按其励磁相数，可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相平均电流会高些，仍而使电动机的转速—转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用3～6相的步进电动机。由于步进电动机的转速随着输入脉冲频率变化而变化，调速范围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度较高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用机床上，提高进给机构的自动化水平。步进电动机按其工作原理来分，主要

有磁电式和反应式两大类，这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理，现用下图的步进电动机的简化图来加以说明。 在电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B 相和C相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。首先有一相线圈(设为A相)通电，则转子1、3两齿被磁极A吸住，转子就停留在图5—5a的位置上。然后，A相断电，6相通电，则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场，磁极召的磁场把离它最近的2、4两齿吸引过去，停止在图b的位置上，这时转子逆时针转了30°。再接下去B相断电，C相通电。根据同样道理，转子又逆时针转了30°，停止在图c的位置上。若再A相通电，C相断开，那么转子再逆转30°，使磁极A的磁场把2、4两个齿吸住。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按A→B→C→A→B→C→A→…次序轮流通电，步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次，步进电动机旋转30°，我们把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成A→C→B→A→C→B→…的顺序，则步进电动机将按顺时针方向旋转，所以要改变步进电动机的旋转方向可以在仸何一相通电时进行。 步进电动机

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

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：

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

第13章步进电动机传动控制系统 教学内容 13.1 步进电动机 13.2 步进电动机的环形分配器 13.3 步进电动机的驱动电路 13.4 步进电动机的运行特性及选用中应注意的问题 教学安排 本章安排2个学时，采用多媒体授课。 知识点及其基本要求 1．掌握步进电动机步矩角和步进电动机转速的数学表达式及其物理意义； 2．掌握步进电动机的结构、运行特性及影响因素。 重点和难点 重点 掌握步进电动机的通电方式和主要性能指标。 难点 步进电动机的矩角特性和矩频特性。 教学设计 1.了解步进电动机的结构和工作原理，掌握步进电动机的通电方式和求解步距角与转速的公式。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移 或线位移的机电执行元件。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。 (1)步进电动机的结构 右图所示为一台三相反应式步进电动机的 结构示意图，定子有6个磁极，每两个相对 的磁极上绕有一相控制绕组。转子上装有四个 凸齿。 图13-1 步进电动机结构图 （2）步进电动机的基本工作原理 步进电机的工作原理同电磁铁的工作原理，磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点。

图13-2 三相反应式步进电动机的工作原理图 通电顺序A-B-C-A，转子便按顺时针方向一步步转动。每换接一次，转子前进一个步距角。通电顺序改为A-C-B-A便可反向旋转。 （3）步进电机的通电方式 三相单三拍 通电顺序：A-B-C-A或A-C-B-A，步距角30度（齿距90度） 特点：每次只有一相控制绕组通电吸引转子，易引起在平衡位置振荡，稳定性差，绕组通电换极时易失步。 双三拍 通电顺序：AB-BC-CA-AB或反过来，步距角30度（齿距90度） 特点：始终有两相通电，感应力矩大，静态误差小，定位精度高，工作稳定，不易失步。 三相六拍 通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A步，距角15度（齿距90度）或A-AB-B-BC-C-CA-A 特点：单、双相轮流通电，通电状态增加一倍、步距角减少一半，但具有双三拍的特点。 （4）小步距角步进电动机 步距角步进电机的一般要求:转子齿数Z必须满足当一相磁极下定子与转子齿数相对时,下一磁极下定子与转子齿的位置错开齿距的1/m,m为相数。

基于单片机的步进电机驱动控制系统的设计 发表时间：2017-06-13T14:46:19.210Z 来源：《电力设备》2017年第6期作者：李广军[导读] 摘要：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。 （天津松正电动汽车技术股份有限公司, 天津 300308） 摘要：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。因此，研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制，利用单片机自身的定时中断，来达到对步进电机的连续调速进行分析，并采用优化合理的步进电机驱动电路，以实现将外围器件有机结合。 关键词：单片机,步进电机,控制系统 1 引言 步进电机作为一种优秀的动力给予设备可以说在当今社会的各个领域中无处不在。随着工业生产水平的不断发展,以步进电机作为控制核心的传动设备在工业控制等领域得到了广泛的应用,包含机器人、工业电子自动化设备、医疗器件、广告器材、计算机外部应用设备等领域,步进电机的影子无处不在。中国作为一个制造业大国,生产车间中的流水线是企业完成产品组装和产品加工的重要场所,而步进电机在流水线设备中起到的动力作用至今仍然无法替代。 本课题的研究思路即为:采用单片机作为控制核心,实现对步进电机的精确控制。并将这种控制系统应用在生产车间的流水线传动设备中,增加了该控制系统的实效性和操作性。同时,由于单片机的高速性和精确性使得系统的设计在大为简化的同时又能实现精确控制,且应用成本低廉,因此可广泛应用在各行各业领域中。 2 步进电机驱动控制系统框图 步进电机控制系统有着精确控制、运行稳定的特性,这一其他电机不能比拟的优势使得步进电机得到了广泛的应用。而一般对步进电机控制系统的驱动必须要包含脉冲信号发生部分,功放部分和驱动控制部分等几个模块电路,我们根据这些通过的模块电路,可将步进电机控制系统的通用框图绘制如下: 在图2-1的步进电机驱动控制系统方框图中,控制步进电机运行状态的脉冲信号一般由集成芯片产生,可以是单片机、PLC等智能芯片,也可以是一般的数字电路集成芯片。信号分配环节则要根据步进电机的型号来选择,如四相步进电机有四相四拍和四相八拍2种信号分配的方式;两相步进电机有两相四拍和八拍等脉冲加载形式。功放部分在驱动环节上显得尤为重要。动态平均电流是步进电机转矩大小的决定因素,前提条件是电机的速度。电机力矩与平均电流成正比,驱动系统对电机的反电势消弱越多,则平均电流就越大。 我们一般可以用恒压和恒压串电阻的方法来驱动,或者在条件允许的情况下我们可以用高低压驱动、恒流和细分数等方法来驱动.实际的应用过程种,多采用数字集成驱动芯片作为步进电机的驱动手段。 由于步进电机是典型的脉冲控制运转设备,而8051系列单片机以其I/O口多,体积小,成本低廉,外围电路连接方便,可编程控制等综合优势越来越多的被引入到步进电机控制系统中使用,逐渐成为国内外控制步进电机的主流方式。本文所设计的步进电机驱动控制系统也是以8051单片机为核心的嵌入式开发控制系统。 3 步进电机驱动控制系统功能 基于单片机的步进电机驱动控制系统是一个实际应用与工业生产的系统。本设计在综合考虑系统设计等各方面因素后,明确该系统应具备如下功能: 硬件部分(1)单片机和步进电机运行所需的平稳电压;(2)液晶显示模块;(3)控制步进电机运行状态的键盘;(5)时钟电路与复位电路;(6)步进电机运行的驱动和功率放大电路设计;(7)用PROTEUS对整个系统进行硬件设计、仿真和对系统输出进行测试。 软件部分(1)系统复位初始化;(2)键盘扫描与处理;(3)液晶显示器初始化扫描程序;(4)定时器中断服务程序;(5)步进电机正转控制程序;(6)步进电机反转控制程序;(7)步进电机加速控制程序;(8)步进电机减速控制程序;(9)步进电机停转控制程序;(10)步进电机运行节拍控制程序。 4 步进电机驱动控制系统原理 本系统以AT89C51单片机作为核心,通过外部扩展其他硬件完成对步进电机运行状态的显示。AT89C51单片机有40个引脚,我们用P1 口的P1.0-P1.4引脚扩展步进电机运行状态控制键盘,设计完成后,包括停止、正转、反转、加速、减速一共五个按键。P0.0,P0. 1, P0.2,P0. 3四个引脚分别和与非门芯片7404的输入端相连用于扩展步进电机运行的驱动控制芯片-ULN2003A。P2口所有引脚和P3口的部分引脚用于外接AMPIRE128*64液晶显示模块。P2口连接AMPIRE128*64液晶显示模块的DB0-DB7,用于单片机和液晶显示模块的数据传输,P3. 2,P3. 4, P3. 5分别与AMPIRE128*64液晶显示模块的RS,R/W, E相连完成数据的显示,具体来说:。R/W为读写信号线,RS为数据指令选择端,E端为使能端子。在实际工作时,当R/W为低电平,E为信号下降沿时锁存DB0-DB7的数据;R/W为高电平,E为信号上升沿时,DDRAM的数据读到DB0-DB7中。P3.0,P3. 1分别与液晶显示模块的CS1 (左半屏片选端)和CS2 (右半屏片选端)相连用于对液晶模块的显示进行编程设置。 步进电机驱动控制部分采用专用芯片ULN2003A进行控制,其输出管脚1C一4C连接四相六线步进电机的相序控制端。COM端连接+12V 电源用于对其工作进行供电。当然IJLN2003A在接入单片机控制脉冲时必须连接限流电阻,。由于单片机和步进电机的供电电压分别是+5V 和+12V,因此本系统电源部分采用的是双电源供电电路,即釆用一套供电电路,分别输出+5V和+12V电压给系统供电。具体设计上采用从220V 市电引入交流电,通过变压器降压得到约15V的交流信号,再通过二极管进行桥式整流得到直流信号,通过滤波电路先与LM7812芯片相连得到+12V电压,再经过滤波处理与LM7805芯片相连得到+5V电压。在实际制作电源PCB电路板的时候,由于电源部分釆用双电源供电且含有较强的交流信号,干扰较大,考虑到步进电机控制系统的稳定性,因此对电源部分单独成板。

第1章绪论 (2) 1.1引言 (2) 1.2步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 (4) 1.2.1常见的步进电机控制方案 (4) 1.2.2步进电机驱动技术 (6) 1.3本文研究的内容 (8) 第2章步进电机概述 (9) 2.1步进电机的分类 (9) 2.2步进电机的工作原理 (10) 2.2.1结构及基本原理 (10) 2.2.2两相电机的步进顺序 (10) 2.3 步进电机的工作特点 (13) 2.4本章小结 (15) 第3章系统的硬件设计 (16) 3.1系统设计方案 (16) 3.1.1系统的方案简述与设计要求 (16) 3.1.2系统的组成及其对应功能简述 (16) 3.2单片机最小系统 (18) 3.2.1AT89S51简介 (18) 3.2.2单片机最小系统设计 (23) 3.2.3单片机端口分配及功能 (24) 3.3串口通信模块 (24) 3.4数码管显示电路设计 (25) 3.4.1共阳数码管简介 (25) 3.4.2共阳数码管电路图 (26) 3.5电机驱动模块设计 (27) 3.5.1L298简介 (27) 3.5.2电机驱动电路设计 (28) 3.6驱动电流检测模块设计 (30) 3.6.1OP07芯片简介 (30) 3.6.2ADC0804芯片简介 (32) 3.6.3电流检测模块电路图 (35) 3.7独立按键电路设计 (36) 3.8本章小结 (36) 第4章系统的软件实现 (37) 4.1系统软件主流程图 (37) 4.2系统初始化流程图 (38) 4.3按键子程序 (39) 结论 (43) 1

第1章绪论 1.1引言 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。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。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一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。步进电机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。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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。 正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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[2]。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了 2

第三节步进电动机及其驱动 一、步进电机的特点与种类 1.步进电机的特点 步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。 步进电动机具有以下特点： ?工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响； ?步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ； ?由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易； ?控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”； ?不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制； ?缺点是能量效率较低。 就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说，可将其分为以下三种： （1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫反应式步进电动机 （2）永磁(PM-Permanent Magnet)型 （3）混合(HB-Hybrid)型 （1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance) 结构原理：该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机。其结构原理如图3.5定子1 上嵌有线圈，转子2朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁阻型。

图3.6 可变式阻步进电机 可变磁阻步进电机的特点： 反应式电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力； 需要将气隙作得尽可能小，例如几个微米； 结构简单，运行频率高，可产生中等转矩，步距角小（0.09~9°） 制造材料费用低； 有些数控机床及工业机器人上使用。 （3）混合(HB-Hybrid)型 结构原理 这类电机是PM式和VR式的复合形式。其定子与VR类似，表面制有小齿，转子由永磁铁和铁心构成，同样切有小齿，为了减小步距角可以在结构上增加转子和定子的齿数。其结构如图3.7所示。 混合式步进电机特点: HB兼有PM和VR式步进电机的特点： 步距角可以做得较小(0.9~3.6°)； 无励磁时具有保持力； 可以产生较大转矩，应用较广。

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。

毕业设计论文 论文题目：基于单片机的步进电机控制电路板设计 摘要 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，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。 本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制，通过IO口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机；同时，用 4个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。 系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括AT89C51单片机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动（集成达林顿ULN2003）模块、数码显示（SM420361K数码管）模块、测速模块（含霍尔片UGN3020）6个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上，对速度进行实时监控显示。软件采用在Keil软件环境下编辑

************* 第1章绪论 1.1 课题背景 当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。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，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品（打印机、照相机、雕刻机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。控制核心采用C51芯片，它以其独特的低成本，小体积广受欢迎，当然其易编程也是不可多得的优点为此，本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统，可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。 1.2 设计目的及系统功能 本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用AT89C51作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。 1

步进电机在控制系统中的应用 摘要：步进系统无需反馈就形成了开环控制系统, 使系统结构大大简化、使用维护更加方便、工作可靠, 在一般使用场合具有足够高的精度等特点步进系统无需反馈就形成了开环控制系统, 使系统结构大 大简化、使用维护更加方便、工作可靠, 在一般使用场合具有足够高的精度等特点步进电动机有上述特点和优点而广泛应用在机械、治金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领 一、步进电机工作原理 步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环 控制元件。给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。 步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号，这种信号大多数由可编程控制器或单片机来完成；二是驱动器(信号放大器)，它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能；三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。 步进电机的速度控制是通过输入的脉冲频率快慢实现的。当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降；反之，速度就加快。还

可以通过频率的改变而提高步进电机的速度或位置精度。步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。二，步进电机的应用 随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用, 步进电动机及驱动器的研制和发展进入了新阶段。步进电机除了结构简单、使用维护方便、工作可靠, 在精度高等特点。还有下列优点: ①步距值不受各种干扰因素的影响。转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率。转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。②误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论步距值之间总有一定的误差, 走任意步数以后, 也总有一定的误差。但每转一圈的累积误差为零, 所以步距的误差不积累。③控制性能好。起动、转向及其他任何运行方式的改变, 都在少数脉冲内完成。在一定的频率范围内运行时, 任何运行方式都不会丢一步的。 由于步进电动机有上述特点和优点而广泛应用在机械、治金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领域。 1．步进电机在物料计量方面的应用 1.粉状物料的计量 螺杆计量是常用的容积式计量方式，它是通过螺杆旋转的圈数多少来达到计量的多少，为了达到计量大小可调和提高计量精度的目

河北xxxxxx学院 课程设计说明 书 题目：步进电机控制系统 学院（系）： 年级专业： 学号： 学生姓名： 同组学生： 指导教师：

步进电机控制系统 设计者：xxxxx 指导老师：xxxx 1摘要： 由于步进电机自身的特点、不需要位置、速度等信号反馈，只需要脉冲发生器产生足够的脉冲数和合适的脉冲频率，就可以控制步进电机移动的距离和速度。步进电机的运转方向的控制为输入电机各绕组的通电顺序。例如，一个三相步进电机的通电顺序为：a—ab—b—bc—c—ca—a--.....，此时点击正转，若通电顺序改为：a—ac—c—cb—b—ba—a--.....时点击反转。既可以通过改变环形分配器的脉冲输出顺序，也可以通过编程改变输出脉冲的顺序，来改变输入到各绕组的通电顺序，达到控制电击方向的目的。 关键词：步进电机 PLC 步进电机驱动器 引言步进电机是一种常用的电气执行原件，一种多相或单相同步点击，在数控机床、包装机械等自动控制及检测仪表等方面得到广泛运用。随着plc的不短发展。其功能越来越强大，除了有简单的逻辑功能和顺序控制外，运算功能的加入、pid和各类高速指令、使得plc对复杂和特殊系统的控制应用更加广泛。Plc与数控技术的结合产生了各种不同类型的数控设备。 2 任务与要求 (1) 了解步进电机的原理 (2) 熟练使用PLC控制步进电机，了解步进电机驱动器原理 3 装置原理介绍 3.1控制系统功能框图 在步进电机控制系统中，首先控制步进电机使之稳步启动，然后高速运动，接近制定位置时，减速之后低速运动一段时间，在准确地停在预定的位置上，最后步进电机停留2s后，按照前进时的加速—高速—减速—低速的步骤返回到起始点，其运动状态转换过程平稳，其功能框图如图3.1所以，其简单工作过程如图3.2所示。 由于步进电机本身的结构特性决定了它要实现高速运转必须有加速过程，如果在启动时突然加载高频脉冲，电机会产生啸叫、失步甚至不能启动，在停止阶段也是这样，当高频脉冲突然降到零时，电机会产生啸叫和振动，所以在启动和停止时，都必须有一个加速和减速过程。 3.2步进电机控制系统硬件设计 由于步进电机的硬件结构特性，所以对输入的脉冲的频率有所限制，对于低频的脉冲输出时，plc可以利用定时器来完成。若要求步进电机的速度较快时，就需要用plc的高速脉冲输出指令，这时就需要在程序中设置相应的步骤来完成对步进电机的控制。 3.21 组建器材 （1）主机plc 根据系统的控制要求，采用三菱FX系统系列的plc作为控制器。（2）限位开关此系统中共用了两个限位开关：左限位开关和右限位开关。这两个限位开关的作用是控制物体的位置，防止物体超出合理的工作范围。 （3）步进电机步进电机是该系统的执行机构

湖南工程学院 课程设计 课程名称微机原理与应用 课题名称步进电机控制系统设计 专业 班级 学号 姓名 指导教师

湖南工程学院 课程设计任务书 课程名称微机原理与应用 课题步进电机控制系统设计 专业班级 学生姓名 学号 指导老师 审批 任务书下达日期 任务完成日期

目录 第1章目的与要求 (4) 第2章步进电机的原理介绍 (5) 2.1 步进电机的工作原理 (5) 2.2 步进电机的基本术语 (5) 2.2.1 相数 (5) 2.2.2 拍数 (6) 2.2.3 步距角 (6) 2.2.4 信号分配 (6) 第3章设计总体思路 (7) 3.1 方案与思路 (7) 3.2 总框图 (7) 第4章程序设计 (8) 4.1 主程序 (8) 4.2 显示子程序 (9) 4.3 键盘扫描子程序 (10) 第5章硬件设计 (11) 5.1 硬件的设计与选取 (11) 5.1.1步进电机的特点 (11) 5.1.2 步进电机的分类 (11) 5.1.3步进电机的注意点 (11) 5.2 单片机的选取 (12) 5.3 四位LED数码管的选取 (14) 5.4 其他零件根据实际情况选取 (14) 5.5 硬件的焊接 (15) 第6章调试与故障分析 (16) 6.1 软件部分 (16) 6.2 硬件部分 (16) 6.3 故障分析及解决 (17) 第7章总结 (18) 第8章参考文献 (19) 附件 (20) 系统原理图 (20) 元器件清单 (21) 源程序清单 (21)

第1章目的与要求 综合运用所学的《单片机原理与应用》理论知识，通过实践加强对所学知识的理解，具备设计单片机应用系统的能力，以单片机为核心设计一个步进电机控制系统，要求能够通过键盘设置步进电机的转向和转速，并在LED显示器上显示步进电机转速或工作状态。本课题以单片机为核心，设计并制作出步进电机控制系统，设计要求： 1、按下不同的键，分别使步进电机实现顺时针和逆时针旋转。 2、电机运转状态可以是正反转，加速减速，五种不同速度的各种组 合。 3、通过LED数码管显示电机运行状态。