步进电机研究论文

摘要：本文对步进机一个全面的介绍，再基于单片机对步进电机的控制。本文采用硬件控制系统，通过单片机MC9S12XS128与光电编码器对步进电机进行速度的控制。最后对步进电机的速度曲线进行研究。下面是小编整理的《步进电机研究论文(精选3篇)》相关资料，欢迎阅读！

步进电机研究论文 篇1：

DSP精准控制步进电机的研究

摘 要：根据步进电机控制系统的原理，介绍一种基于DSP的精准控制系统，进行该控制系统的软硬件设计。DSP中央控制器采用TMS320F2812，通过PWM脉冲信号的频率、数量来控制步进电机的转速和位置，另外，也能通过光电编码器来实现对步进电机转速和位置的控制。该控制系统软硬件结构均较为简单，非常实用，且价格便宜。

关键词：DSP；步进电机；控制系统；信号

DSP是一门涉及多门学科的新兴学科。20世纪60年代，计算机技术和信息技术的发展推动DSP的发展，其通过使用数字技巧执行转换或提取信息，实现处理现实信号的目的，这些信号由数字序列表示。在过去的二三十年里，DSP已在通信领域得到广泛应用，德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域有较强的实力。

步进电机作为一种快速启动、反转、制动的执行元件，其能将电脉冲转换为相应的角位移和直线位移，在开环情况下能实现动静态定位，实現自锁功能；作为一种数字伺服执行元件，其结构简单、运行可靠、控制性能好，被广泛应用于数控机床、机器人、控制仪表等电子产品中。本文就步进电机的控制系统进行简要介绍。

一、总体结构

该控制系统采用DSP中央控制器TMS320F2812，其总体设计方案如图1所示，其DSP中央控制器是TI公司主推的一种高性能、低价位的32位DSP信号处理器，处理速度高达72MIPS，除了集成RAM、Flash和定时器外，还有A/D转换器、PWM控制器、CAN总线控制器等模块，非常适用于电机、电源变换等对实时性要求高的控制系统。

二、硬件系统设计

本系统的硬件设备主要有DSP中央控制器TMS320F2812、步进电机及驱动、光电编码器、键盘、液晶显示屏等，如图2所示为硬件系统图。在该控制系统中，中央控制器实现对步进电机转速和位置的精准控制，需要先给键盘设计一个转速和位置；当采用光电编码器实现转速和位置的控制时，可采用开环或闭环的控制信号，而这些变量、参数等则在液晶显示屏中展现出来，该系统的硬件结构简单，且中央控制器中有丰富的I/O和中断资源，故而可在今后对系统进行扩展升级。

本系统设计的步进电机为55BF03型三相反应式步进电机，接受电脉冲信号，将其转换成角位移或直线位移，其实现过程为：中央控制器TMS320F2812先产生PWM脉冲信号，然后对这些脉冲信号进行合理的分配处理和功率放大处理，然后传送给步进电机，这样就实现对其角位置和直接位移的控制。根据这一过程，该系统的驱动系统由脉冲信号、信号分配、功率放大、步进电机及负载等模块组成。考虑到噪音、稳定性、角度等因素，本文设计出一个三相六拍信号实现对步进电机的有效控制，采用简单的单压驱动方式来实现功率放大。

本系统设计的步进电机控制系统是开环控制系统，在正常负载情况下，电机的转速、停止的位置由脉冲信号的频率和脉冲数决定，不受负载大小变化的约束，其原理为：当驱动器接收到一个脉冲信号后，步进电机就按照事先设定的方向转动一个固定的步距角，这个转动是缓慢进行的，不是一下子就转动完成的。而角的位移量则能通过脉冲的数量来控制，实现精准定位控制；另外，脉冲频率则能控制转动的速度和加速度，从而实现对设备的调速。在当前形势下，步进电机已在工业生产得到广泛应用，它已不再是传统的直流电机、交流电机，它必须在双环形脉冲信号、功率驱动电路等控制系统下才能实现运转。

光电编码器是一种传感器，是工业中运用最多的传感器之一，它由光栅盘和光电检测装置组成，它利用光栅衍射原理来实现位移-数字变换，通过光电转换，将输出轴上的几何变量转换成脉冲数字量。由于光电码盘和电动机同一个轴，故而电动机在旋转时会带动光栅盘也一起保持同一速度的旋转，在旋转过程中，系统的检测设备检测到脉冲信号，并计算出每秒检测到的脉冲数量，进而根据公式计算出电机的转速速度。另外，在具体的光电编码器选择上，可根据实际需求选择，我们可根据其主要功能分成增量式编码器和绝对值编码器，前者适用于速度检测上，后者则适用于位置检测上。

三、软件系统设计

该控制系统的软件主要包括主程序、步进电机驱动程序、液晶显示屏程序、键盘扫描中断程序、编码器检测换算程序等，下面就着重介绍一下步进电机驱动程序和编码器检测换算程序的设计。

在编码器检测换算程序设计中，其检测通过正交解码脉冲单元QEP实现，A、B与正交解码脉冲单元QEP具有方向检测功能，能辨明两个序列的顺序，辨别出其中的先导序列，然后再按照方向信号选定的定时器进行方向的输入，若QEP1输入的为先导序列，则选择定时器增计数；若QEP2为先导序列，则选择定时器减计数。另外，两列正交解码脉冲单元的边沿均被正交解码脉冲计数，故而产生的时钟频率是每个输入序列的4倍。在本控制系统中，定时器2为计数器，检测编码信号，并换算成转速信号或位置信号。

四、结束语

本文设计出一个基于DSP的步进电机精准控制系统，该系统使用的DSP中央控制器为TMS320F2812，实现了转速和位置的精准控制。同时，设计出液晶显示屏，能展示相应的参数，帮助工作人员了解电机运行情况。在该步进电机控制系统中，其使用的硬件设备少，且硬件结构简单，软件程序设计难度也不大，系统功能稳定、可靠，且DSP的中断处理效率高，充分运用其中强大的事件管理模块；又有设计精良的液晶显示屏，能将电机控制程序的运作参数都一一展现出来，使得操作者迅速了解步进电机的运转状况，并根据实际需要进行相应的操作，促进工业生产的顺利进行，该系统能应用到数控机床中，且操作界面为windows系统界面，比DOS界面更为简单，便于工人的操作。

参考文献：

[1]姜颖韬.基于DSP的步进电机驱动程序设计[J].山西电子技术，2013（03）：18-20.

[2]张鸿斌.基于DSP的步进电机控制系统的设计[J].四川兵工学报，2013（07）：88-91.

[3]张宝发，赵辉，岳有军.基于DSP的步进电机控制系统设计[J].仪表技术与传感器，2010（08）：63-65.

[4]胡家文，马文礼，黄金龙.步进电机高速起停控制的DSP实现[J].电机与控制应用，2012（03）：22-24.

[作者简介]乔明明（1981.12-），女，广东创能科技工程有限公司；谢金声（1981.10-），男，广东创能科技工程有限公司。

作者：乔明明　谢金声

步进电机研究论文 篇2：

基于单片机步进电机速度控制研究

摘要：本文对步进机一个全面的介绍，再基于单片机对步进电机的控制。本文采用硬件控制系统，通过单片机MC9S12XS128与光电编码器对步进电机进行速度的控制。最后对步进电机的速度曲线进行研究。

关键词：步进机 单片机 光电编码器

步进电机又称为脉冲电动机或者阶跃电动机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种自动化控制系统之中，比如当今电子钟表、工业机械手、包装机械和汽车制动元件的测试中等。步进电机在未来应用前景会往更加小型化、从圆形电动机往方形电动机和四相、五相往三相电动机发展。而这便需要对步进电机的控制提出了更高的要求。

1.步进电机综合介绍

1.1.步进电机分类

步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。

1.1.1.反应式步进电机

反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。一般为三相，可实现大扭矩的输出，步进角一般为1.5度。它的结构简单，成本低，但噪音大。

1.1.2.永磁式步进电机

永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大，步进角一般为7.5度或15度。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小，但启动运行频率较低，还需正负脉冲供电。

1.1.3.混合式步进电机

混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。它分为两相和五相，两相的步进角一般为1.8度，而五相的步进角为0.72度。混合式与传统的反应式相比，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。

目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。

1.2.步进电机的工作原理

步进电机是将电脉冲信号转化为角位移增量，也即是说，当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，便驱动电机按照设定的方向转动一定的角位移量。我们可以通过控制脉冲的个数来控制步进电机的角位移量，通过控制脉冲的频率来控制速度与加速度。

如图一所示，定子齿有三个励磁绕组，其几何轴线分别于转子的轴线错开。当A相通电时，由于定齿的A齿与转子的1齿对齐，没有切向力，转子静止，接着B相通电，转子齿偏移定子一个角度，由于励磁磁通力图沿着磁阻最小的路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转过转动，当转子转到定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而无切向力的作用，故转矩为零，转子被锁定在该位置上。综上可得出，错齿是促使步进机旋转的根本原因。

在非超载的情况下，电机转速、停止的位置只取决于脉冲信号的脉冲数和脉冲频率，而不受负荷变化的影响。本文是基于这个条件下进行步进电机速度控制研究。

2.步进电机控制系统的研究

2.1.脉冲控制的方法

实现脉冲的分配的方法有两种：软件法和硬件法。软件法在电机运行的过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了CPU大量的时间，可能会使单片机无法进行其它工作，所以现在大部分都是采用硬件法。

2.2.控制系统硬件设计的研究

良好的驱动系统方案能强有力的支撑步进电机升降速曲线的设计。控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就能够驱动步进电机旋转一个步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。角位移量与脉冲个数相关。步进电机停止旋转时，能够产生两种状态：制动加载能够产生最大或部分保持转矩（通常称为刹车保持，无需电磁制动或机械制动）及转子处于自由状态（能够被外部推力带动轻松旋转）。步进电机驱动器，必须与步进电机的型号相匹配。否则，将会损坏步进电机及驱动器。电机驱动系统的性能直接影响和制约加减速曲线的效果。

其硬件方面，基于MC9S12XS128 16位MCU以及光电编码器、步进电机驱动电路、单片机最小系统板电路支撑软件平台。

MC9S12XS128是飞思卡尔公司为成本敏感型汽车车身电子应用而设计的16位微控制器，其相关特性足以满足此控制系统的设计要求。MC9S12XS128 MCU主要特性：

(1) S12X CPU， 最高总线速度 40MHz；

(2) 2.128KB闪存，带有错误校正功能（ECC）；

(3) 带有 ECC 的、4KB 至 8KB DataFlash，用于实现数据或程序存储；

(4) 可配置 8 、10 或 12 位模数转换器（ADC），转换时间 3μs；

(5) 支持控制区域网（CAN）、本地互联网（LIN）和串行外设接口（SPI）协议模块；

(6) 带有 16-位计数器的、8-通道定时器；

(7) 出色的 EMC，及运行和停止省电模式。

电机驱动电路的设计采用ULN2003芯片，ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成，其工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

基于步进电机升降速曲线的设计选用四相五线步进电机，最小步进角7.5度，通过电机驱动细分原理，可使最小步进角变为3.75度。四相电机常见的运行方式为四相四拍和四相八拍，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。当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时电机为正转，改变通电时序为DA-CD-BC-AB时电机则为反转.

3.步进电机升降速曲线设计

步进电机启动和停止的时候，一般情况下，系统的极限启动频率比较低，而要求的运行速度往往比较高，如果系统以要求的运行速度直接启动，因为该速度已经超过极限启动频率而不能正常启动，起则发生丢步，重则根本不能启动，产生堵转。系统运行起来后，如果达到终点时立即停止发送脉冲，令其立即停止，则由于系统惯性的作用，步进电机会转过控制器所希望的平衡位置，为了克服步进失步和过冲现象，应该在启动停止时加入适当的加减速控制。步进电机常用的升降频加减速控制方法有4种：

3.1.直线升降频

电机运动时,其运动过程是首先以一定的加速度加速运动,当速度达到指定的速度时,开始匀速运动，减速时,以一定的加速度减速运动到指定的速度后匀速运动或停下来。在步进电机升速过程中,直线规律速度控制是加速度保持一个恒定值不变,速度以直线规律上升，该种加减速方法快速性较好,控制方法计算简单, 所以适用于控制系统处理速度较慢且对升降速过程要求不高的场合。将影响电机和机械系统的使用寿命,这种方法是以恒定的加速度进行升降，平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。加速时间虽然长，但软件实现比较简单。

以往研究表明,步进电机处于负载状态下可以按预期的目标升降速,但是反映出过冲量大，稳定性差，噪音大的现象。所以在短距离的步进电机加减速控制中不适合采用该方法。同时,由于这种速度控制方法的加速度是恒定的,其缺点是未充分考虑步进电机输出力矩随速度变化的特性,步进电机在高速时会发生失步"因此,除部分特殊场合,线性规律控制已逐步退出历史的舞台。

3.2.阶梯曲线升降频

将步进电机的升降过程离散为一个不连续的区间,控制器件所发出的驱动脉冲受阶梯函数的控制,即步进电机的转速每跃升1个台阶后,恒速运转一段时间,通过反馈机制比较当前速度与目标速度是否一致,若不一致则相应的加或减一个脉冲档位，这种方法的缺点是在恒速阶段没有加速,未充分利用步进电机的加速性能,而且在高频段加速台阶高,步进电机在速度越阶时会发生失步。

3.3.指数曲线升降频

指数规律加减速是指在加减速过程控制中,步进电机的速度是指数规律上升或下降的。开始加速度最大,并且随着速度的升高而逐渐减小,速度上升得越来越慢。当速度上升至最高值时,加速度降低至最小,理想情况下应接近于0，用指数规律加减速能充分保证步进电机的运行稳定性,同时兼顾了升降运行快速性。事实上,用指数规律加减速完全可以满足短距离步进控制的要求。它符合步进电机加减速过程的运动规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性能较好，升降时间短。指数升降控制具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性较差。

3.4.抛物线升降频

抛物线升降频将直线升降频和指数曲线升降频融为一体，充分利用步进电机低速时的有效转矩，使升降速的时间大大缩短，同时又具有较强的跟踪能力，这是一种比较好的方法，抛物线升降频很适合步进电机的加减速控制。但这种升降频算法的软件开销比较大，算法比较复杂，控制器处理的时间相对较长。

4.结束语

步进电机因其有其独特的优点，广泛地应用于自动化控制系统中。随着科技的发展，对步进电机的智能化控制要求也将越来越高，我们也有必要对它进行进一步的研究。

5.参考文献

[1] 孙同景，陈桂友 Freescale 9S12 十六位单片机原理及嵌入式开发技术，北京-机械工业

出版社，2008

[2] 王建，张玉峰，李磊，步进电机加减速控制技术研究，西安科技大学电控学院，2006年第6期

[3] 王勇，王伟，杨文涛，步进电机升降速曲线控制系统设计及其应用，大连理工大学，2008

作者：江洋

步进电机研究论文 篇3：

基于单片机的步进电机控制系统研究

摘要文章介绍了步进电机的基本结构以及驱动器构成，提出了基于单片机的步进电机的脉冲分配和速度调节方法，给出了脉冲频率调节的实现方法和实用程序，同时还提出了步进电机加减速控制的几种方案及其微机控制。对现实工作中的步进电机控制系统研究具有十分重要的意义，文章中的研究理论，可以对我们的工作内容进行有效的指导，对提高工作质量和效率具有十分重要的作用。希望文章的内容能对今后工作予以正确的指导。

关键词步进电机；控制系统

不管是对于制造业来说还是对人们的生活来说，都要求技术越来越先进，发展的速度越来越快。人们对各种工具的功能和使用精度也在不断的提高，尤其是计算机的水平发展起来之后，计算机计算已经广发的应用于制造业和人们的生活领域中了。人们为了提高各种动力元器件的精度开始使用了步进电机，在人们生活中用到的很多电器元件和数控车床、数控铣床、数控刨床等数控设备中也应用了步进电机。所谓的步进电机实际上就一个动力执行元件，它的动作是接受外部控制器发送的一个电脉冲信号，然后这个脉冲信号再控制电动机的转向和转动角度的大小，从而实现对电动机的精确控制和调控，目前步进电机使用的范围也越来越大。怎样实现步进电机的控制也是一个很重要的问题，随着电子技术的快速发展，控制步进电机的方式也越来越多，当前使用较多的方式是使用工控计算机对步进电机的动作进行控制。还有使用可编程控制器对步进电机的动作实现控制的，但是这两种控制方式都会造成步进电机控制器的体积较大，成本较高。单片机是最近几年发展起来的新型控制器，它的体积小，成本低也在渐渐的发展为了步进电机的控制器，单片机控制步进电机也进入例如一个新的时代。单片机控制步进电机能够大大的提高步进电机动作的精度和较少步进电机的反应时间。

1步进电机单片机控制系统的设计

要保证控制系统够能够满足对步进电机的转向、转速和转动角的随意控制。也要满足操作人员容易进行操作，并且有很好的人机界面。

图1控制系统原理框图

步进电机的操作系统也和其他的控制系统一样，是由硬件和软件构成的。硬件部分就是指单片机、电源部分、显示器、输入部分和驱动部分构成的；软件就要能够实现输入部分的控制、步进电机的转速和转向记忆转动角的控制，也要实现显示部分的控制即显示步进电机实时的转速、转向以及转动的时间和转动的角度，这个控制系统结构如图1所示。在设计软件的时候主要使用计算机对单片机AT89S 51进行编程，这样的结构比较简单，能够清晰易读。

1）步进电机的工作过程。控制系统实现对步进电机的控制的原理是：在单片机里面编写好控制程序，然后接通电源运行单片机的程序，这时单片机的IO输出口发送一定波形脉冲，就能控制步进电机的动作。与此同时显示器上也会显示出步进电机的运动状态，如图2所示。

当步进电机在工作的过程中要能够实现对步进电机的任意控制，就要在单片机上接入输入模块，这样就能够实现对操作参数的改变，实现对步进电机的实时控制。这样在单片机上只需留出P1接口用于连接外部的输入模块即可，然后再将P2接口连接参数输出模块即可。这样就不需要使用外部电路就能实现参数的输入和输出，使整个控制系统变的很容易操作和可见性强。脉冲信号的输出是从单片机的P3接口处接4个引脚来完成脉冲信号的输出，然后脉冲信号就会控制步进电机的驱动，从而实现步进电机的动作。

2）步进电机控制系统软件设计。对于一个完整的控制系统来说，除了要有一个好的硬件系统还有具备一个性能优异的软件系统作为支撑。要实现步进电机的正常和可靠运行，就要保证硬件和软件系统的可靠性。

进行控制程序编写的时候要先对单片机的各个接口进行定义。要先将电机驱动函数定义下来；然后再把液晶显示屏上的编码定义下来；最后把初始化函数的预设定义下来。首先定义形液晶发送数据指令；先对显示屏左半屏进行写数据然后对右半屏写数据；然后写设定写入数据地址；接着设定左半屏、右半屏写入数据开始地址；发送清屏指令。主函数开始时首先把要固定显示的汉字编码地址送到将要显示的地址上，然后主函数进入循环通过查询按键的状态来确定步进电机的运行速度更新液晶显示数据；送相应的数据地址到液晶显示屏。

2结论

本文介绍了步进电机的一些用途，也了解一些传统的控制步进电机的方式和方法，并分析了传统控制步进电机的方式和方法的缺点。又介绍了当前使用比较多的用单片机实现对步进电机的控制的新方式，使用单片机对步进电机进行控制能够实现整个设备的体积小，控制精度高等。通过大量的调研发现：使用单片机进行步进电机的控制不仅能够节约成本还能大大的提高生产效率。

参考文献

[1]方爱平.基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现[D].浙江工业大学，2009.

[2]郑宝瑞，陆仲达.基于单片机的步进电机控制系统的研制[J].齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2010（04）：46-49.

作者：欧阳宏达