实验报告
课程名称：______计算机控制技术__________指导老师： 厉小润 成绩：__________________
实验名称：_____ 步进电机转速控制系统_________实验类型：________同组学生姓名：__________
一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
一、实验目的
1．掌握步进电机调速控制的工作原理；
2．理解步进电机的转速控制方式和调速方法；
3．掌握用VBScript或JScript脚本语言进行开关量的编程。
4．掌握AD采样的工作原理。
5．掌握DIO，双四拍、四项八拍电机的使用方法
二、实验设备
1．THBDC-2型 控制理论·计算机控制技术实验平台
2．THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)
3．PC机1台(含软件“THBDC-2”)
三、实验原理
1．步进电机工作原理简介：
步进电机是一种能将电脉冲信号转换成机械角位移或线位移的开环控制元件，它实际上是一种单相或多相同步电机。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计误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。电脉冲信号通过环形脉冲分配器，励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子转过一定角度(称为步距角)。在正常运行情况下，电机转过的总角度与输入的脉冲数成正比；电机的转速与输入脉冲频率保持严格的对应关系， 步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关；电机的运动方向由脉冲相序控制。
因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，它被认为是理想的数控执行元件。故广泛应用于数控机床、打印绘图仪等数控设备中。
不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合，可以使用步进电机，以发挥其结构及驱动电路简单、可靠性高和成本低的特点。伴随着不同数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
现在比较常用的步进电机有反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路是由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段反应式步进电机应用最广泛。
本实验系统的步进电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图3.1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图3.1 四相步进电机步进示意图
开始时，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，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图3.2.a、b、c所示：
a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍
图3.2步进电机工作时序波形图
2．步进电机驱动电路原理
步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，必须使用专用的步进电机驱动控制器。正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。
图3.3 步进电机系统的驱动框图
如图3.3 所示，它一般有脉冲发生单元、脉冲分配单元、功率驱动单元保护和反馈单元组成。除功率驱动单元以外，其他部分越来越趋向于用软件来实现。
ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。
本实验台用ULN2003功率驱动，输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。 该电路的特点如下: ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。
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。
3．软件控制方法（并行控制）
并行控制是指用硬件或软件方法实现脉冲分配器的功能，它输出的多相脉冲信号，经功率放大后驱动电机的各相绕组，其框图如图3.4所示。
图3.4 步进电机软件控制框图
该实验系统中的脉冲分配器由软件实现的，由数据采集卡中的DO1～DO4作为并行驱动驱动，驱动四相反应式步进电机。
要求输出电平在各步中的情况如下：
四、实验步骤
1．实验接线
1.1将数据采集卡单元中的DO1～DO4分别接到步进电机单元的A、B、C和D输出端；
1.2打开实验平台的电源总开关。
2．脚本程序运行
2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-2”，运行实验软件。
2.2 顺序点击虚拟示波器界面上的“
”按钮和工具栏上的“
”按钮(脚本编程器)；
2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“步进控制”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；
2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察步进电机的运行情况；
2.5点击“脚本编辑器”窗口上“停止”按钮，更改算法的运行步长，并再次运行算法程序，观察步进电机的运行；
2.6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。
五、实验源程序（四相八拍、双四拍为例）
双四拍：
function Initialize(arg)
{
SetDO(0 ,1) ;
SetDO(0 ,2) ;
SetDO(0,3);
SetDO(0 ,4);
n=0;
}
function TakeOneStep (arg)
{
n=n+1;
if (n=1)
{
SetDO(1 ,1) ;
SetDO(1 ,2) ;
SetDO(0 ,3);
SetDO(0 ,4);
}
if (n=2)
{
SetDO (0 ,1) ;
SetDO (1 ,2 );
SetDO (1 ,3);
SetDO (0 ,4);
}
if (n=3 )
{
SetDO(0 ,1);
SetDO(0 ,2) ;
SetDO(1 ,3);
SetDO(1 ,4);
}
if (n=4)
{
SetDO(1 ,1);
SetDO(0 ,2);
SetDO(0,3);
SetDO(1 ,4);
n=0;
}
}
function Finalize (arg)
{
SetDO(0 ,1) ;
SetDO(0 ,2) ;
SetDO(0,3);
SetDO(0 ,4);
}
四相八拍（减速）
function Initialize(arg)
{
SetDO(0 ,1) ;
SetDO(0 ,2) ;
SetDO(0,3);
SetDO(0 ,4);
n=0;
}
function TakeOneStep (arg)
{
n=n+1;
if (n==1)
{
SetDO(0 ,1) ;
SetDO(0 ,2) ;
SetDO(0 ,3);
SetDO(1 ,4);
for(i=0;i<100000;i++);
}
if (n==2)
{
SetDO (0 ,1) ;
SetDO (0 ,2 );
SetDO (1 ,3);
SetDO (1 ,4);
for(i=0;i<100000;i++);
}
if (n==3 )
{
SetDO(0 ,1);
SetDO(0 ,2) ;
SetDO(1 ,3);
SetDO(0 ,4);
for(i=0;i<100000;i++);
}
if (n==4)
{
SetDO(0 ,1);
SetDO(1 ,2);
SetDO(1,3);
SetDO(0 ,4);
for(i=0;i<100000;i++);
}
if (n==5)
{
SetDO(0 ,1) ;
SetDO(1 ,2) ;
SetDO(0 ,3);
SetDO(0 ,4);
for(i=0;i<100000;i++);
}
if (n==6)
{
SetDO (1,1) ;
SetDO (1 ,2 );
SetDO (0,3);
SetDO (0 ,4);
for(i=0;i<100000;i++);
}
if (n==7)
{
SetDO(1 ,1);
SetDO(0 ,2) ;
SetDO(0 ,3);
SetDO(0,4);
for(i=0;i<100000;i++);
}
if (n==8)
{
SetDO(1 ,1);
SetDO(0 ,2);
SetDO(0,3);
SetDO(1 ,4);
for(i=0;i<100000;i++);
n=0;
}
}
function Finalize (arg)
{
SetDO(0 ,1) ;
SetDO(0 ,2) ;
SetDO(0, 3);
SetDO(0 ,4);
}
步进电机走步控制流程图：
实验波形：
1. 单四拍
2. 双四拍
3. 八拍
总结：步进电机实验相对比较简单，程序只需改动一点，对于延时，只需要加入for循环即可，对于编程语言要进一步加强语法学习。
第二篇：计算机控制实验报告 最少拍控制
实验二 最小拍控制系统
班级： 姓名： 学号：
1、 实验目的与要求
(1) 掌握最小拍有纹波、无纹波系统的设计方法；
(2) 学会对最小拍系统的分析方法；
(3) 了解输入信号对最小拍控制系统的影响及其改进措施。
2、 实验设备
(1)硬件环境
微型计算机一台，P4以上各类微机
(2)软件平台
操作系统：Windows2000
MATLIB6.5仿真软件
3、 实验原理
最少拍控制是一种直接数字设计方法。所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，使系统输出值尽快地跟踪期望值的变化。它的闭环z传递函数具有形式
?(z)??1z?1??2z?2????Nz?N 在这里，N是可能情况下的最小正整数。这一传递形式表明闭环系统的脉冲响应在N个采样周期后变为零，从而意味着系统在N拍之内到达稳态。其控制原理如图1：
图7—1 最少拍系统控制原理图
(1)输入信号分别为单位阶跃输入和单位速度输入信号，设计控制器D(z);
(2)采样周期T=1s。
4、 实验内容与步骤
(1) 按系统要求计算D(z)为有纹波控制器；
(2)按照系统原理图，在simulink下构造系统结构图模型；取输入信号为单位阶跃信号和单位速度信号，设计控制器，观察输入输出波型，标明参数，打印结果；
（3）观察系统输出波形在采样点以外的波形。
（4）比较有纹波与无纹波系统的区别，分析其原因。
5、 实验设计：
(1) 最少拍有纹波设计：
图1 单位阶跃输入下有纹波控制系统仿真结构模型
图2 控制器输出波形
图3 系统输出波形
(2) 最少拍无纹波设计：
图4 单位阶跃输入下无纹波控制系统仿真结构模型
图5 控制器输出波形
图6 系统输出波形
6、思考与分析
（1）最少拍受什么限制而使调整节拍增加？ 答：最少拍受输入函数R(z)的阶数限制，其阶数越高，调整时间越长。
（2）无纹波系统对控制器有何要求？
答：被控对象G(s)要有足够的的积分环节；D(z)必须包含G(z)中的圆内圆外的全部零点N(z)；最少拍无纹波控制器要确定被控对象方法。
（3）分析不同输入信号对最小拍控制系统的影响？ 答：输入信号的阶数越高，其调整时间越长。