2014 ~ 2015 学年第 1 学期《电气控制及PLC 》
课程设计报告
题目：步进电机的PLC控制设计
专业：自动化
班级： 11自动化(1)班
姓名：李勇李亚李新明荆欢
贾伟黄龙飞皇甫趁心
指导教师：江春红
电气工程学院
2014年10月31日
1、任务书
摘要
步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为制执行元件，是电气自动化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。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。软件PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信、PID调节等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种I/O系统的及网络的开放式结构。用PLC控制步进电机的定位、转向、调速、细分有很大的优势与前景。此次设计是利用PLC 的控制方法，上位机的监控功能，在试验室进行模拟实现的。试验结果达到了预期的功能。
关键词：软PLC；步进电机；上位机；定位；转向；调速；细分
目录
1引言 0
2.方案论证与对比 0
2.1 方案一 0
2.2 方案二 (1)
2.3 方案对比与选择 (1)
3、系统设计 (1)
3.1 PLC内部原理 (1)
3.2 二相混合式步进电机工作原理 (3)
3.3 驱动器原理 (4)
3.4硬件与软件设计 (4)
4、组态的设计 (5)
4.1 I/O 口的定义 (5)
4.2 构造数据库 (5)
4.3 建立动画连接 (6)
5、系统功能调试与性能分析 (7)
5.1系统调试中的问题及解决方案 (7)
5.1.1软件调试 (7)
5.1.2、正反转未响应 (7)
5.1.3、定位的误差 (7)
5.1.4、组态设计中的问题 (7)
5.1.5、其它 (7)
6、详细仪器清单 (7)
7、总结与致谢 (8)
参考文献 (9)
附录一梯形图 (9)
附录二源程序 (9)
1引言
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构。由于受脉冲的控制,其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比,通过控制脉冲数量来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;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;通过改变通电顺序,从而达到改变电机旋转方向的目的。步进电机是机电一体化的关键产品，广泛应用于各种自动化控制系统和机电一体化设备中。随着微电子技术和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各行各业都得到了广泛的应用。
可编程逻辑控制器Programmable logic Controller（通常称为PLC）是一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能，能充分适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高，是目前广泛应用的控制装置之一，PLC对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，即可实现对步进电机的控制。利用PLC控制步进电机，其脉冲分配可以有软件实现，也可由硬件组成。
软件PLC（SoftPLC，也称为软逻辑SoftLogic）是一种基于基于PC机开发结构的控制系统，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。软件PLC提供了与硬PLC同样的功能，同时又提供了PC环境的各种优点。
本文中，我们将对软PLC?进行综述，对采用PLC来进行步进电机的设计研究进行介绍。并以三菱的FN2系列的PLC为例，讨论步进电机的PLC控制系统的硬件和软件设计方法，以及利用组态设计，通过上位机进行监控与PLC进行通信，从而实现对系统的控制。
2.方案论证与对比
2.1 方案一
步进电机的控制方式采用开环控制方式，即步进电机驱动系统的输入脉冲不依赖与转子的位置,而是事先按一定规律给定的。负载位置对控制电路没有反馈,因此步进电机必须正确的响应每次励磁变化。
图2.1 步进电机开环控制框图
2.2 方案二
闭环控制是不断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的处理,自动给出脉冲链,使步进电机每一步都响应控制信号的命令,从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。
图2.2 步进电机闭环控制框图
2.3 方案对比与选择
通过对比，步进电机的最显着的优势是不需要位置反馈信号就能够进行精确的位置控制。这种开环控制形式省去了昂贵的位置传感器件，只需对输入指令脉冲信号计数，就能知道电机的位置。在开环控制系统中，电机响应走步指令后的实际运行情况，控制系统是无法预测和监视的。在一些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电机容易失步，而使整个系统趋于失控。这时候，可以对步进电机进行位置闭环控制。控制系统对电动机转子位置进行检测，并将信号反馈至控制单元，使得系统对步进电机发出的走步命令，只有得到相应实际位置响应后，方告完成。因此，闭环控制的最基本任务是防止步进电机失步。
闭环控制的励磁延时设置随负载而变化，它能产生接近最佳的速度曲线和快速的负载定位。并且一般采用直接监视负载位置的方法，因此发生失步的可能性大大减小。但在本实验中因为要求不是很高，所以只要采取最简单的开环控制系统，用来实现步进电动机的正转、反转、加速、减速、定位。
3、系统设计
3.1 PLC内部原理
可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。
可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。
PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一至。如图3.1a PLC硬件的基本结构图所示：
图3.1 PLC硬件的基本结构图
根据设计要求系统的I/O分配表如下：
表 1 I/O分配表
3.2 二相混合式步进电机工作原理
二相步进电机有2个绕组，当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到
→B→A A→B B四个状态此磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向按照A A B
→B时，电机就周而复始进行变化，电机科顺时针转动；通电顺序为A A→B B→A A B
逆时针转动。步进电机是一种将电子数字脉冲信号转变为机械运动的电磁增量运动器件。典型的电机绕组固定在定子上，而转子则由硬磁或软磁材料组成。当控制系统将一个电脉冲信号经功率装置加到定子绕组中，电机便会沿一定的方向旋转一步。脉冲的频率决定电机的转速。电机转动的角度与所输入的电脉冲个数成正比；因此，只要简单地改变输入脉冲的数目，就能控制步进电机的转子运行角度，从而达到位置控制的目的。
步进电机有以下特点：
（1）运行角度正比于输入脉冲，便于开环运行，花费少；
（2）具有锁定转矩；
（3）定位精度高，并且没有累积误差；
（4）具有优良的起动、停止、反转响应；
（5）无电刷和可靠性高；
（6）可低速运行，直接驱动负载；
（7）不适宜的控制会引起振动；
（8）不宜运行于高速状态。
图3.2二相图步进电机内部原理图
3.3 驱动器原理
步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。
图3.3a 开环步进电动机控制系统框图
驱动电路由脉冲信号分配和功率细分驱动电路组成。根据控制器输入的脉冲和方向信号，为步进电机各绕组提供正确的通电顺序，以及电机需要的高电压、大电流；同时提供各种保护措施，如过流、过热等保护。功率驱动器将控制脉冲按照设定的模式转换成步进电机线圈的电流，产生旋转磁场，使得转子只能按固定的步数来改变它的位置。连续的脉冲序列产生与其对应同频率的步序列。
图3.3b步进电机驱动控制电路硬件连接框图
图中I1.0、I1.1和I1.5为输入控制信号端;Q0.0和Q0.1为两路高速脉冲，分别负责驱动电机开启定位和停止控制。
3.4硬件与软件设计
步进电机电机的PLC控制系统是要求用由PLC控制器、二相混合式步进电机、细分驱动器等器件组成，此外应设计要求要利用上位机进行监控，所以要用到上位机。根据设计
要求该系统要实现对步进电机的速度、方向、定位、细分等控制功能，要设计相应的程序才能使之实现，而快速与慢速、以及定位功能的实现都是靠PLC发出的高速脉冲来控制的，改变脉冲的宽度即频率来实现快慢，产生脉冲个数的多少来实现准确的定位，所以控制的关键是控制产生的脉冲。
硬件连接与程序流程图分别如下图3.4a，图3.4b所示：
图3.4a PLC硬件连接图
图3.4b 系统流程图
4、组态的设计
在本系统设计中采用灯的点亮来模拟电机的运行状态，监控软件采用了北京亚控公司的Kingv iew6.5组态王软件。
4.1 I/O 口的定义
首先双击工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”，弹出串口设置对话框，如图6所示。
图 4.1a 串口设置对话框
要用组态软件进行实时监控首先要完成通讯连接，组态王通讯参数应与PLC 的通讯参数设置保持一致。由于本系统是PLC 与组态王间进行通讯，因此将PLC的生产厂家、设备名称、通讯方式等填入相应的对话框即可。然后选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，选择PLC三菱FX2系列产品中“编程口”
4.2 构造数据库
数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。根据梯行图程序中的I/O 配置列表，定义各变量如下表2所示。
表2 I/O 配置列表
4.3 建立动画连接
图4.3动画连接图
根据以上画面中的开关可以来控制PLC设备上的开关按钮，可以监视控制PLC上设备的运行，根据不同情况来调节系统的启停，快速慢速等功能。
5、系统功能调试与性能分析
5.1系统调试中的问题及解决方案
5.1.1软件调试
系统开始运行但没有响应，经试验分析是输入频率过高，所以应输入适当的脉冲频率，脉冲低电平的持续时间不应少于300ns。过高的输入频率将可能得不到正确响应。
5.1.2、正反转未响应
有时在电机运行时按正反转方向键不能正确的响应，理论上信号的改变将使电机运行的方向发生变化，这可能是方向信号未领先脉冲信号输入至少10μs，造成驱动器对脉冲的错误响应，从而不能改变方向。
5.1.3、定位的误差
本系统的定位功能只能在一定范围内实现，不能实现精确的定位，在定位的过程中可以停止但不能回到初始位置，功能有待完善。
5.1.4、组态设计中的问题
在设计实现上位机控制设计组态时注意I/O 配置必需设置好，要与PLC上的设备配套起来，另外就是设置串口实现上位机与PLC的通信，只有设置好了才能进行正常的通信，实现监控。
5.1.5、其它
系统启动时初始设定是正转，必需选择一个慢速或高速才能运行，由于试验器材不够，没有细分驱动器，不能实现细分功能。
6、详细仪器清单
表 3 仪器清单
7、总结与致谢
这次课程设计我们做的是软PLC控制步进电机控制系统的设计，要做好该设计，必须对整个系统有一个全面的了解，因此我最开始是弄清楚各部分的工作原理和特性。
这次设计不仅增强了我的专业方面的能力，在与小组成员的合作中，我们也学会了沟通和合作，学会共同解决问题，互帮互助。对于各自的个题也有更深的理解。也锻炼了我们在问题和困难面前的耐心与毅力，不轻易放弃，一遍不行就试第二遍，相信自己最终都能解决。使我们能更好的完成课程设计。
实践是检验真理的唯一标准。通过本次设计，使我们对平时所学的各科理论知识有了更深更全面的理解，同时也提高了动手能力，最后要感谢本组的所有成员的共同努力。
参考文献
[1]孙平,邢军. PLC控制步进电机驱动系统. 河南师范大学学报(自然科学版), 2001,(04) .
[2]陶涛,赵国豪, 乔渠. 步进电机精确控制问题探讨. 科技信息, 2010, (01) :16-17
[3]范永胜,王岷编. 电气控制与PLC运用（第二版）.北京：中国电力出版社,2007年2月．
[4]高邓波. 电路分析的程序设计. 中国科技信息, 2010, (03) :119-120
[5]王功利, 蒋建华, 田玉莲, 韩勇. 具有步进电机控制和定标器功能的PC机接口板. 第8届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集（二）, 1996
[6]王雯. 利用PLC提升平网印花控制单元可靠性. 中国纺织报, 2010, (2010-02-03)
[7]范贵慈. 利用PLC实现步进电机驱动的闭环控制. 包装与食品机械, 2002,(05)
[8]张晓东. PLC对步进电机的控制. 山西机械, 2003, (03)
[9]宣财鑫. PLC脉冲控制步进电机技术[J]机车车辆工艺, 2002,(01)
[10]孙建仁. 步进电机的PLC控制系统设计. 机械研究与应用, 2001,(04)
[11]孙平,邢军. PLC控制步进电机驱动系统. 河南师范大学学报(自然科学版), 2001, (04)
[12]骆彬,刘震霆. 利用PLC实现对步进电机的控制. 军民两用技术与产品, 2007, (06)
附录一梯形图
附录二源程序
7、答辩记录及评分表
一、设计任务书 设计内容：用80C51单片机设计一个步进电机控制器 设计要求： 1.用8015设计一个四相步进电机。 2.可控制步进电机的启动与停止，正转与反转。 3.10档速度调节。 4.点动控制。 5.可显示电机运行参数。 二、设计总体方案 （一）控制方式的选择 控制主要用于电机速度和方向的转换。控制方式有按键控制和开关控制两种。按键较开关而言，操作更加简便，故选按键控制。 方案一：独立按键。独立按键可自由连接，线路简单。 方案二：编码式键盘。编码式键盘的按键接触点接于74LS148芯片。当键盘上没有闭合时，所有按键都断开，当某一键闭合时，该键对应的编码由74LS148输出。 本次设计所需按键不多，不需要采用复杂编码，考虑硬件条件、线路连接和经济性等方面，选择方案一。 （二）电机电路设计方案的选择 由于条件的限制，对于电机的选择只能是实验台上最小步距角18°的电机，其中已包含了驱动电路。 （三）单片机的选择 方案一：AT89C51高性能8位单片机，内部集成CPU、存储器、寄存器、I/O接口，从而构成较为完整的计算机，价格便宜。 方案二：C8051F005单片机，该单片机是完全集成的混合信号系统及芯片，具有8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准8052的数字外设部件，片内还继承了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，执行速度快，但价格较贵。 本次课程设计是在仿真环境下进行，没有太过考虑单片机选择的问题，但就设计本身来讲，从物美价廉的角度考虑，选择方案一较合适。 （四）显示方案的选择 方案一：采用LED数码管。LED数码管是轮流现实的，其利用人烟的视觉暂留特性，使人感觉不到数码管闪动，看到每只数码管都常亮。利用其显示必须不停给数码管数据输入口循环赋值，显示内容较多，编程和接线较为复杂。 方案二：采用LCD1602液晶显示器。LCD1602具有功率小，效果明显，变成容易等优点，且它最多能显示2×16个字符，可以轻松满足设计要求。 由上可知，LCD1602液晶显示器的优点突出，故选择方案二。 （五）软件部分的选择 软件部分的选择主要是指编程语言的选择，编译调试工具根据设计平台选择伟福软件。编程语言主要有以下两种方案。
四相步进电机控制系 统设计
课题：四相五线单4拍步进制电动机的正反转控制专业：机械电子工程 班级：2班 学号： 20110259 姓名：周后银 指导教师：李立成 设计日期： 2014.6.9~2014.6.20 成绩：
1概述 本实验旨在通过控制STC89C52芯片，实现对四相步进电机的转动控制。具体功能主要是控制电机正转10s、反转10s，连续运行1分钟，并用1602液晶显示屏显示出来。 具体工作过程是：给系统上电后，按下启动开关，步进电机按照预先 实验具体用到的仪器：STC89C52芯片、开关单元、四项步进电机、等硬件设 备。 实验具体电路单元有：单片机最小系统、步进电机连接电路、开关连接电路、1602液晶显示屏显示电路。 2四相步进电机 2.1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。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。 2.2步进电机的控制 1.换相顺序控制：通电换相这一过程称为脉冲分配。 2.控制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，如果按反序通电换相，则电机就反转。
3.控制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。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。 2.3步进电机的驱动模块 ABCD四相工作指示灯指示四相五线步进电机的工作状态 2.4步进电机的工作过程 开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动， 1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，
基于51系列单片机控制步进电机调速实验 实验指导书 仇国庆编写 重庆邮电大学自动化学院 自动化专业实验中心 2009年2月
基于51系列单片机控制步进电机调速实验 实验目的及要求： 1、熟悉步进电机的工作原理 2、熟悉51系列单片机的工作原理及调试方法 3、设计基于51系列单片机控制的步进电机调速原理图(要求实现电机的速度反馈测量，测量方式：数字测量) 4、实现51系列单片机对步进电机的速度控制(步进电机由实验中心提供，具体型号42BYG )由按钮控制步进电机的启动与停止；实现加速、匀速、和减速控制。速度设定由键盘设定，步进电机的反馈速度由LED 数码管显示。 实验原理： 步进电机控制原理 一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所 以又称为脉冲电动机。随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用将 逐渐扩大。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来 进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由 脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号 可以由单片机产生。 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：(图2所示)
步进电机工作和控制原理 一、综述 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。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的一种开环线性执行元件，具有无累积误差、成本低、控制简单特点。产品从相数上分有二、三、四、五相，从步距角上分有0.9°/1.8°、0.36°/0.72°，从规格上分有口42~φ130，从静力矩上分有 0.1N·M~40N·M。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。 二、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
编号： 综合智能电子 实训 (论文)说明书题目： 院（系）：使用科技学院 专业：电子信息工程 学生姓名： 学号： 指导教师： 2010年 1 月 6 日
目录 引言 第1章简介 1.1 步进电机 第2章步进电机原理 2.1 步进电机的工作原理 2.1.1结构及基本原理 2.1.2 电机的步进顺序 第3章系统的硬件设计 3.1 系统设计方案 3.2 主从机硬件部件介绍 3.2.1A T89S51简介 3.2.2 TGI2864E简介 3.2.3MAX485 串行通信 3.2.4TIP122 3.2.5 MOC70T2 3.3 LCD显示电路设计 3.4 电机驱动模块设计 第4章系统的软件实现 4.1 系统软件主流程图 4.2 系统初始化流程图 4.3 部分子程序 第五章总结 致谢 参考文献 摘要：本文使用单片机、步进电机驱动芯片、字符型LCD和键盘阵列，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动。文中讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电机变频调速的方法。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和成本。最后给出了步进电机控制系统的使用实例。
关键词:步进电机控制系统，插补算法，变频调速，软硬件协同仿真 In this paper, microcontroller, stepper motor driver chips, character LCD and keypad array, build a set of stepper motor controller and driver as one of the stepping motor control system. Two-dimensional table as a charged object by stepper motor drive ball screw in X / Y axis linkage. This paper discusses a minimum of parameters to determine the trajectory of a circular interpolation method and the method of frequency control stepper motor. Stepper motor control system has been developed using the software and hardware co-simulation method, can effectively reduce the system development cycle and cost. Finally, the stepper motor control system application examples.
本科毕业设计 基于单片机的步进电机控制系统的设计
摘要 随着自动控制系统的发展和对高精度控制的要求，步进电机在自动化控制中扮演着越来越重要的角色，区别于普通的直流电机和交流电机，步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为控制执行元件，是机电一体化的关键组成之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。 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。 本系统介绍了一种基于单片机的步进电机控制系统的设计，包括了硬件设计和软件设计两部分。其中，硬件设计包括单片机最小系统、键盘控制模块、LCD显示模块、步进电机驱动模块、位置检测模块共5个功能模块的设计。系统软件设计采用C语言编写，包括主程序、数字键处理程序、功能键处理程序、电机驱动处理程序、显示模块、位置采集模块。 本设计采用STC89C52单片机作为主控制器，4*4矩阵键盘作为输入，LCD1602液晶作为显示，ULN2003A芯片驱动步进电机。系统具有良好的操作界面，键盘输入步进电机的运行距离；步进电机能以不同的速度运行，可以在不超过最大转速内准确运行到任意设定的位置，可调性较强；显示设定的运行距离和实际运行距离；方便操作者使用。关键词：单片机步进电机液晶显示键盘驱动
Design of the Stepping Motor Control System Based on SCM Qiu Haizhao (College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China) Abstract:With the development of automatic control system and the requirements of high-precision control, stepping motor control in automation is playing an increasingly important role, different from the common DC and AC motor, stepper motor rotation angle and rotational speed can be high-precision controlled. Stepper motor as a control actuator is a key component of mechanical and electrical integration, widely used in a variety of automated control systems and precision machinery and other fields. Stepper motor is the open-loop control components changing electric pulse signals into angular displacement or linear displacement .In the case of non-overloaded, the motor speed, stop position depends only on the pulse frequency and pulse number, regardless of load changes, that is, to add a pulse motor, the motor is turned a step angle. This system introduces a design of stepper motor control system based on single chip microcomputer, including hardware design and software design in two parts. Among them, the hardware design, including single chip minimal system, keyboard control module, LCD display module, the stepper motor drive module, position detection module five functional modules. System software design using C language, including the main program, process number keys, the key of function processes, motor driver handler, the display module, position acquisition module. This design uses STC89C52 microcontroller as the main controller, 4 * 4 matrix keyboard as an input, LCD1602 LCD as a display, ULN2003A chip as stepper motor driver. System has a good user interface, keyboard input stepper motor running distance; Stepper motor can run at different speed, and run to any given position accurately in any speed without exceeding the maximum speed, with a strong adjustable ; Display the running distance and the actual running distance, which is more convenient for the operator to use. Key words: SCM stepper LCD keyboard driver
步进电机的控制电路和程序 先看一下我们将要使用的51单片机综合学习系统能完成哪些实验与产品开发工作：分别有流水灯，数码管显示，液晶显示，按键开关，蜂鸣器奏乐，继电器控制，IIC总线，SPI总线，PS/2实验，AD模数转换，光耦实验，串口通信，红外线遥控，无线遥控，温度传感，步进电机控制等等。 上图是我们将要使用的51单片机综合学习系统硬件平台，本期实验我们用到了综合系统主机、步进电机，综合系统其它功能模块原理与使用详见前几期《电子制作》杂志及后期连载教程介绍。 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，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。 步进电机分类与结构 现在比较常用的步进电机分为三种：反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）。本章节以反应式步进电机为例，介绍其基本原理与应用方法。反应式步进电机可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度。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。常用小型步进电机的实物如图1 所示。 图1步进电机实物图 图 2 步进电机内部图 步进电机现场应用驱动电路 综合系统使用的是小型步进电机，对电压和电流 要求不是很高，为了说明应用原理，故采用最简单 的驱动电路，目的在于验证步进电机的使用，在正 式工业控制中还需在此基础上改进。一般的驱动电 路可以用图3的形式。 图3 一般驱动电路 在实际应用中一般驱动路数不止一路，用上图的分立电路体积大，很多 场合用现成的集成电路作为多路驱动。常用的小型步进电机驱动电路可以用 ULN2003或ULN2803。本书配套实验板上用的是ULN2003。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。ULN2003内部结构及等效电路图如图4：
基于单片机的步进电机驱动控制 一、步进电机概述 1．步进电机的定义 步进电机指的是以数字脉冲信号作为电机线或教位移的控制信号，并以数字脉冲频率对电机的转速进行控制的动力控制系统。 在负载正常范围的情况下，步进电机的运行状态只和数字脉冲发生器提供的信号的频率和脉冲占空比有关，一般情况下，电机的状态不受负载的影响。电机的运行角度只和每次所给予的脉冲信号强度有关，而电机的运行速度也只和脉冲信号的频率有直接关 系。这种采用弱点控制强电的控制方式使得步进电机在速度、位移等控制领域有着普通电机不能比拟的优势。 2.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： 在上图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、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。 二、现阶段国内外步进电机驱动的常用方式 1.变频器控制方式 使用变频器对步进电机进行驱动控制时，可以很好的解决步进电机在启动和停止时 容易失步的问题，提高了系统的控制精度。但是变频器的应用成本较高，结构和操作也 比较复杂，无形中提高步进电机的控制难度。 2.PLC控制方式 使用ABB、西门子、欧姆龙等国际知名生产制造商研发的系列产品可以 实现对步进电机的理想化控制，但是基于核心的步进电机控制系统成本高昂，且 难以实现精确控制，在本系统中不太适合。 3.单片机控制方式 随着嵌入式系统在工业控制领域中的广泛应用，以单片机特别是系列单片机 作为控制核心的步进电机控制电路在生产生活领域得到了普及，单片机有着大规模数字
#include "reg52.h" #include "INTRINS.H" #include
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
本模块由45BC340C型步进电机及其驱动电路组成。 (一步进电机: 一般电动机都是连续旋转,而步进电动却是一步一步转动的,故叫步进电动机。每输入一个脉冲信号,该电动机就转过一定的角度(有的步进电动机可以直接输出线位移,称为直线电动机。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移(或直线位移的执行元件。 步进电动机的转子为多极分布,定子上嵌有多相星形连接的控制绕组,由专门电源输入电脉冲信号,每输入一个脉冲信号,步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号,输出的角位移是断续的,所以又称为脉冲电动机。 随着数字控制系统的发展,步进电动机的应用将逐渐扩大。 步进电动机的种类很多,按结构可分为反应式和激励式两种;按相数分则可分为单相、两相和多相三种。 图1 反应式步进电动机的结构示意图 图1是反应式步进电动机结构示意图,它的定子具有均匀分布的六个磁极,磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组,联法如图所示。
模块中用到的45BC340型步进电机为三相反应式步进电机,下面介绍它单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。 1、单三拍通电方式的基本原理 设A相首先通电(B、C两相不通电,产生A-A′轴线方向的磁通,并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下,转子总是力图转到磁阻最小的位置,也就是要转到转子的齿对齐A、A′极的位置(图2a;接着B相通电(A、C 两相不通电,转了便顺时针方向转过30°,它的齿和C、C′极对齐(图2c。不难理解,当脉冲信号一个一个发来时,如果按A→C→B→A→…的顺序通电,则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。 图2 单三拍通电方式时转子的位置 2、六拍通电方式的基本原理 设A相首先通电,转子齿与定子A、A′对齐(图3a。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力,使转子顺时针方向转动,但是A、A′极继续拉住齿1、3,因此,转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3b所示,即转子从图(a位置顺时针转过了15°。接着A相断电,B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐(图c,转子从图(b的位置又转过了15°。
51单片机控制四相步进电机 2009年07月21日星期二 12:44 51单片机控制四相步进电机 2009-03-01 18:53 接触单片机快两年了，不过只是非常业余的兴趣，实践却不多，到现在还算是个初学者吧。这几天给自己的任务就是搞定步进电机的单片机控制。以前曾看过有关步进电机原理和控制的资料，毕竟自己没有做过，对其具体原理还不是很清楚。今天从淘宝网买了一个EPSON的UMX-1型步进电机，此步进电机为双极性四相，接线共有六根，外形如下 图所示： 详细内容： https://www.doczj.com/doc/cf5982824.html,/31907887_d.h tml
拿到步进电机，根据以前看书对四相步进电机的了解，我对它进行了初步的测试，就是将5伏电源的正端接上最边上两根褐色的线，然后用5伏电源的地线分别和另外四根线（红、兰、白、橙）依次接触，发现每接触一下，步进电机便转动一个角度，来回五次，电机刚好转一圈，说明此步进电机的步进角度为360/(4×5)＝18度。地线与四线接触的顺序相反，电机的转向也相反。 如果用单片机来控制此步进电机，则只需分别依次给四线一定时间的脉冲电流，电机便可连续转动起来。通过改变脉冲电流的时间间隔，就可以实现对转速的控制；通过改变给四
线脉冲电流的顺序，则可实现对转向的控制。所以，设计了如下电路图： C51程序代码为： 代码一 #include
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
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TL0 = 0x0C; //设定时每隔0.5ms中断一次TR0 = 1; //开始计数 turn = 0; speedlevel = 2; delay(10000); speedlevel = 1; do{ speedlevel = 2; delay(10000); speedlevel = 1; delay(10000); stop_flag=1; delay(10000); stop_flag=0; }while(1); } //定时器0中断处理 void timeint(void) interrupt 1 { TH0=0xFE; TL0=0x0C; //设定时每隔0.5ms中断一次count++; spcount--; if(spcount<=0) { spcount = speedlevel; gorun(); } } void delay(unsigned int endcount) { count=0; do{}while(count 课程设计任务书 设计题目：微机步进电机控制系统设计 设计目的： 1.巩固和加深课堂所学知识； 2.学习掌握一般的软硬件的设计方法和查阅、运用资料的能力； 3.通过步进电机控制系统设计与制作，深入了解与掌握步进电机的运行方式、方向、速 度、启/停的控制。 设计任务及要求：（在规定的时间内完成下列任务） 任务：控制四相步进电机按双八拍的运行方式运行。按下开关SW1时启动步进电机，按ESC键停止工作。采用循环查表法，用软件来实现脉冲循环分配器的功能 对步进电机绕组轮流加电。 要求对题目进行功能分析（四项功能：快速顺时针旋转，慢速顺时针旋转， 快速逆时针旋转和慢速逆时针旋转），进行步进电机远程控制系统硬件电路设 计，画出电路原理图、元器件布线图、实验电路图；绘制程序流程图，进行 步进电机控制程序设计（采用8086汇编语言）；系统调试、运行，提交一个 满足上述要求的步进电机控制系统设计。 时间安排：(部分时间,某些工作可以自己安排重叠进行) 具体要求：设计报告撰写格式要求（按提供的设计报告统一格式撰写）， 具体内容如下： ①设计任务与要求②总体方案与说明 ③硬件原理图与说明④实验电路图与说明 ⑤软件主要模块流程图 ⑥源程序清单与注释 ⑦问题分析与解决方案（包括调式记录、调式报告，即在调式过程中遇到的主要问 题、解决方法及改进设想）； ⑧小结与体会 附录：①源程序（必须有简单注释）②使用说明③参考资料 指导教师签名：08 年12 月01 日 教研室主任（或责任教师）签名：年月日 目录 第1章需求分析 (1) 1.1课程设计题目 (1) 1.2步进电机介绍 (1) 1.3课程设计任务及要求 (1) 1.4软硬件运行环境及开发工具 (1) 第2章概要设计 (2) 2.1设计原理及实现方法 (2) 2.1.1 步进电机控制原理 (2) 2.1.2微机步进电机控制系统原理图 (2) 2.1.3 运行方式与方向的控制——循环查表法 (3) 2.1.4步进电机的启/停控制——设置开关 (4) 2.2微机步进电机控制系统设计流程图 (4) 第3章详细设计 (5) 3.1 硬件设计与实现 (5) 3.2软件设计 (5) 3.2.1正向慢转子程序 (5) 3.2.2正向快转子程序 (6) 3.2.3反向慢转子程序 (6) 3.2.4反向快转子程序 (6) 3.2.5长延时子程序 (7) 3.2.6短延时子程序 (7) 第4章系统调试与操作说明 (7) 4.1系统调试 (7) 4.2 操作说明 (8) 第5章课程设计总结与体会 (8) 参考文献 (9) 附录微机步进电机控制系统源程序 (9) 51单片机驱动步进电机的方法2019.02 这款步进电机的驱动电压12V，步进角为7.5度. 一圈360 度, 需要48 个脉冲完成!!! 该步进电机有6根引线，排列次序如下：1:红色、2:红色、3:橙色、4:棕色、5:黄色、6:黑色。 采用51驱动ULN2003的方法进行驱动。 ULN2003的驱动直接用单片机系统的5V电压，可能力矩不是很大，大家可自行加大驱动电压到12V。 ;****************************************************************************** ;*************************步进电机的驱动*************************************** ; DESIGN BY BENLADN911 FOSC = 12MHz 2005.05.19 ;--------------------------------------------------------------------------------- ; 步进电机的驱动信号必须为脉冲信号!!! 转动的速度和脉冲的频率成正比!!! ; 本步进电机步进角为7.5度. 一圈360 度, 需要48 个脉冲完成!!! ;--------------------------------------------------------------------------------- ; A组线圈对应P2.4 ; B组线圈对应P2.5 ; C组线圈对应P2.6 ; D组线圈对应P2.7 ; 正转次序: AB组--BC组--CD组--DA组(即一个脉冲,正转7.5 度) ;---------------------------------------------------------------------------------- ;----------------------------正转-------------------------- ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0100H MAIN: MOV R3,#144 正转3 圈共144 脉冲 START: MOV R0,#00H START1: MOV P2,#00H MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR JZ START 对A 的判断,当A = 0 时则转到START MOV P2,A LCALL DELAY INC R0 DJNZ R3,START1 MOV P2,#00H LCALL DELAY1 ;-----------------------------反转------------------------ MOV R3,#144 反转一圈共144 个脉冲 START2: MOV P2,#00H步进电机控制系统设计
51单片机驱动步进电机的方法(详解)
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