并联机器人控制系统设计.doc

华北科技学院毕业设计（论文）目录设计总说明1General description of the design 41 绪论7 1.1 并联机器人的特点7 1.2 并联机器人的历史及应用82 并联机器人的结构93 相关硬件电路的设计12 3.1 设计总电路图.12 3.2 硬件的选择.12 3.2.1 单片机C51.12 3.2.2 步进电机.17 3.2.3 位移传感器.19 3.3本章小结.214 运动结构的分析并联机器人的反解22 4.1本章小结.255 并联机器人的正解26 5.1本章小结.306 总结与展望31参考文献33附录34致谢.38I并联机器人控制系统设计总说明随着科技，工业及先进制造业的发展，并联机器人已经从简单的上料下料装置发展成数字化制造中的重要单元，无论实在军事领域中还是生物医学中他都至关重要。并联机器人作为一种新型的机器人形式得到了越来越多的应用，与串联机器人相比该型机器人具有结构简单、刚度大、承载能力强、误差小等特点，与串联机器人形成了良好的互补关系。可用于六自由度数控加工中心、航天器对接机构、汽车装配线、运动模拟器、岩土挖掘、光学调整、医疗机械等领域。 并联机器人和传统工业用串联机器人是有不同的，并联机器人具有以下特点：（1）精准度较高，没有累计的误差；（2）驱动装置接近定平台或可放置在平台上，运动的部分重量比较轻，欲动速度高，动态响应较好；（3）结构紧凑，刚度强，承载能力大；（4）完全对称，各向同性好；（5）工作空间较小，便捷； 根据上述这些特点，并联机器人可以在需要高刚度、高精度或者是大载荷而且不需要很大工作空间的领域内得到了广泛的应用。 并联机器人在我们的生活中并不多见，其最基本的结构可以定义为含两个及两个以上的独立链所构建的上下两平面的结构，且以并联方式驱动的一种闭环机构。现在并联机器人大多被用于军事领域中的水下潜艇、以及新型坦克驾驶运动模拟器，下一代空军坐战斗机的矢量喷管及立体空间飞行器的对接装置、空间姿态控制器等；在医学生物工程中的细胞操作机器人、可完美实现活性细胞的注射和分割；医学中的微外科手术机器人；在譬如航天学里的大型射电天文望远镜的姿态调整装置；混联装备等。在工业中并联机器人不同于传统的串联机器人，相对于传统的串联机器人，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。本次的设计开始事多并联机器人的特点和并联机器人的历史及应用进行简单的介绍，对并联机器人有个大致的了解和认识。并联机器人并非是想想中的机器人它是一个能够运动的平台，论文接下来会介绍并联机器人的结构，更近一步了解机器人对后文的研究和探索打好基础，接下来就是根据要求和任务对并联机器人硬件进行设计计算，解决并联机器人的反解及优化并联机器人的正解，对于本次设计来说，对于并联机器人的正反解问题的求解，我认识到，对一个完整的控制系统，需要各个部分的密切协调运作，只有每一个零部件都运行，都在运作，系统才能做到预期的控制目的。尽管并联机器人的结构复杂多样，但无论哪种并联机器人，我们当看到这一问题的时候，首先需要做的都是运用结构学以及空间数学的方法对其进行简化，只有经问题简化，结构模拟化我们才能来更高效的解决这类问题。设计里所用到的单片机也是我们日常所学的MCS-51系列，这是最好的一次将理论与实际结合起来的机会。同时有关设计中的步进电机虽说我们在课程的学习中没有过多的研究，但是通过查阅资料，基本上已经学会了对其的使用。最终通过程序的编写，以及调试达到了对并联机器人位置求解的仿真。本次设计采用了差分进化算法研究的并联机器人的正解问题, 同时通过对6自由度SPS 型并联机器人进行MATLAB仿真，从而验证了这种方法具有可行性。1)这次设计并联机器人，本着其位姿反解问题相对容易求取的特点, 将求解其正解问题进行数学思维的假设，在已知其空间6 自由度参数, 将得其所给定的杆长与前边假定好了的6 自由度参数求得的杆长之差做成数学函数，求函数的最小值（解决优化问题）。2)与遗传算法相比, 差分进化的算法的优点是使用少量的迭代次数却可以得到更高精度位置正解的答案。3)本此设计中解决问题所用的数学方法，不仅对6自由度的并联机器人适用，而且应该是对任何自由度下的并联机器人都适用。并联机器人以最简单的理解为两个平台，一个动平台和一个定平台，两个平台之间通过不同的杆相连，通过驱动杆的运动，来带动动平台在空间里的位置发生改变。并联机器人按照其自由度的不同，可以分为多自由度并联机器人跟少自由度并联机器人，每个自由度都由电机驱动。设计通过研究并联机器人的物理结构的基础上，用差分进化解决并联机器人的正解问题。实际求解并联机器人的正解比较困难，所以可以利用并联机器人位姿反解相比容易求取的特点, 我们运用思维转换模式把并联机器人的位姿正解问题巧妙转化成假设已知位姿正解, 再去运用数学方法通过位姿反解求得杆长值, 最终再使所求得的杆长值与给定的杆长值之差为最小的优化问题, 然后利用差分进化的全局寻优能力来直接求解并联机器人的位姿正解.然后利用MATLAB将运动轨迹离散化进行位置反解，处理机器人相应的输入数据，并将数据发送至单片机执行，驱动步进电机完成机器人控制。关键词 ： 并联机器人；位置反解；位置正解Parallel robot control systemtotal control system designGeneral description of the designAlong with the science and technology, industry and the development of advanced manufacturing industry, parallel robot has the material from the simple device developed into an important unit in digital manufacturing, regardless of is in the field of military or he is crucial in biological medicine.Parallel robot as a new kind of robot has been more and more used in form, compared with the series robot the robot has a simple structure, large stiffness, strong carrying capacity, low error, etc, formed the good complementary relationship with serial robot.Six degrees of freedom can be used for numerical control machining center, the spacecraft docking mechanism, auto assembly lines, motion simulator, rock and earth excavation, optical adjustment, medical machinery, and other fields.Parallel robot series and traditional industrial robot is different, parallel robot has the following features:(1) high precision, no cumulative error;(2) driving devices can be placed close to the platform or on the platform, and some of the weight of the movement to be lighter, high moving speed, better dynamic response;(3) compact structure, strong rigidity, the bearing capacity;(4) completely symmetrical and isotropic good;(5) the working space is small, convenient;According to these characteristics, parallel robot can be in need of high rigidity, high precision or large load without great work has been widely used in the field in space.Parallel robot does not see more in our life, the most basic structure can be defined as two and two or more independent chain constructed two flat structure, and drive a closed-loop mechanism in parallel manner.Now most of parallel robot is used in the military in the field of underwater submarines, as well as new tank driving simulator, the next generation of air force fighter of vector nozzle and stereo spacecraft docking device, space attitude controller, etc.;In medical biological engineering cells in the robot operation, can perfect realization of active cell injection and segmentation;The micro surgical robots in medicine;In such as the large radio telescope in the astronautics attitude adjustment device;Mixed equipment.Different from the traditional serial robots in the industrial parallel robot, compared with the traditional serial robots, parallel robot in need of high rigidity, high precision or large load without great work has been widely applied in the field in space.The start of design matter more than the characteristics of parallel robot and the history and application of parallel robot to carry on the simple introduction, for parallel robot has a general understanding and the understanding.The robot in parallel robot is not think it is a movement of the platform, the paper will introduce the structure of the parallel robot, next one step closer to understanding the robot to a basis for the later research and exploration, the next step is according to the requirement and the task of parallel robot hardware design calculation, to solve the inverse solution of parallel robot and the optimization of the parallel robot, positive solutions for the design, solve the problem of positive solutions for parallel robot, I realized, to a complete control system, the close coordination of each part of the need to run, only run every parts, are in operation, the system can achieve the expected control purpose.Although the structure of the parallel robot is complicated, but no matter what kind of parallel robot, when we see this problem, first of all need to do is to use structural and spatial mathematics method to simplify, only simplify the problem, structure MoNiHua we can more efficient to solve such problems.Design in the use of single chip microcomputer is also learned to our daily MCS - 51 series, this is one of the best times the opportunity to combine theory with practice.At the same time, the design of stepper motor although we not too much research in the course of learning, but access to data, basically have learned to use.Finally through the writing of the program, as well as debugging achieved the simulation of parallel robot location.This design USES the differential evolution algorithm research of parallel robot positive solution of the problem, at the same time through the six degrees of freedom parallel robot SPS type MATLAB simulation, thus this method is proved feasible.1) the design of parallel robot, in line with its position inverse solution of the problem is relatively easy to calculate, the characteristics of the positive solution to solve the problem on the assumption of mathematical thinking, six degrees of freedom in its space known parameters, it was a good to a given length and assume that good in front of six degrees of freedom of the difference of the length of the parameters are obtained to make mathematical function, and function of the minimum (to solve optimizationproblems).2) compared with genetic algorithm, differential evolution algorithm has the advantage of using a small number of iterations can get higher precision position positive solution of the answer.3) mathematical methods used in this solve the problem in the design of this, not only for 6 dof parallel robot used, and should be applicable to any degree of freedom parallel robot under.Parallel robot with the most simple understanding for the two platforms, a moving platform and a fixed platform, through different rod connected between the two platforms, by driving rod movement, the position of moving platform in space to drive change.According to the different degrees of freedom parallel robot, which can be divided into many degrees of freedom parallel robot with less degrees of freedom parallel robot, driven by a motor every degree of freedom.Design through the study of the physical structure of parallel robot, on the basis of using the differential evolution to solve the problem of the positive solutions of the parallel robot.Practical parallel robot positive solution is difficult to solve, so you can use parallel robot pose inverse solution compared to the characteristics of easy to calculate, we use the transformation of thinking model of parallel robot pose positive solution problem is clever into that pose positive solutions, to use mathematical methods by posture length value obtained by inverse solution, finally to make the calculated value with the given length length value for the difference between the minimum optimization problem, and then using the differential evolution of the global optimization ability to directly solve the parallel robot pose positive solution. Then use MATLAB to trajectory discretization position inverse solution, the corresponding input data processing robot, and sends the data to the microcontroller to perform, driving a stepper motor to complete the robot control.Keywords : parallel robot position;inverse solution;position positive solutions1 绪论1.1 并联机器人的特点提到机器人，我们并不感到陌生，在如今这个时代里，我们接触到许多机器人。同时对机器人的研究也越来越深入。然而，我们今天所提的并联机器人，跟以往我们说的机器人在样子上可能有些不同，它没有电影作品中的高度人行，智能化。然而截止到目前并联机器人是现在热门的机器人研究中的一个重要的分支。并联机器人的定义为：由于其最基本的结构可以定义为含有两个及两个以上的独立链所构建的上下两个平面的结构，同时以并联方式所驱动的一种闭环控制的机构。对于机器人结构的家族来说，其中包涵有两类的机器人，一个是串联机器人结构，另一种是并联机器人结构。相对于串联机器人的结构来看，表现在具有精度高，刚度大，动力性能好，易于反馈控制的优点。对于并联机器人来说，特别是其精度高这一特点，可以将其用在很多的精密仪器中。在生产中并联机器人的机构通常采用几何相对对称式的构型，目的是使其具备良好的各向同性。并且，与串联机器人相比，并联机器人运动学所研究的反解问题简单而其正解问题相对复杂，对于串联机器人来说正解相对简单，且唯一的反解问题复杂而且可能多值，与串联机器人进行比较，并联机器人在其位置的精密度上有较高的优越性，所以不存在驱动器累计的误差。在结构学、运动力学这些方面并联机器人跟串联机器人有着很多的不同点，甚至在有些问题上他们是相互对立的关系。下面让我们一起来看看并联机器人的特点：1. 带动并联机器人的运动，需要驱动装置，对于并联机器人来说，其驱动装置大多选择安放在基底座或者是接近基底座的地方，这么一来的好处就是能使它的运动部件的质量可以大大减小，对于结构力学来说能使其动态性能好，从而可以很容易的实现高速运转。2. 研究并联机器人必须会涉及到正反解的问题，对于并联机器人运动学来说其反解容易，相对正解比较的复杂。3. 并联机器人一般可以实现基座驱动器的良好密封，可以在高温，辐射，潮湿，太空及水下一些恶劣的环境里工作。4. 并联机器人的误差问题也需要注意，因为并联机器人结构中不存在驱动器所累积的误差，这么以来就能使其有很高的精度。5. 并联机器人的运动平台通过几个运动连接就可以以并联的方式与基座相连，所有有很强的承载力，刚性比较好，整体结构比较紧凑。6. 并联机器人机构通常采用对称式结构，有比较好的各向同性。7. 并联机器人的工作空间小，可操作性比较差。1.2 并联机器人的历史及应用并联机器人的发张要追溯到上个世纪。早在1931年，并联机构首次出现，这次重大的研究成果并没有用在科学探究中，而是Gwinnett在其专利中提出的一种并联的娱乐设施。首次出现的并联机器人是为了丰富人生活娱乐的。只过去了9年时间，Pollard开发了新一种的空间并联机构，这种结构运用在了汽车的喷漆工艺上。这是并联机器人结构第一次开始在工业生产中运用。至此拉开的并联机器人的大幕，使并联机器人进入一个火热的发展时期。到了1962年，Gough第一次设计了一种适用于六自由度并联结构的轮胎检测的装置。在随后的三年里，Stewart将Gough提出的模型进行了深层次的研究分析后，将这种结构推广成为飞行模拟器的运动产生装置。到现在为止，这种机构是应用最广泛的并联机构。从其结构上来看，Stewart模型的机构其动平台通过六个相同的对立分支与定平台相连接，在每个分支中都有一个连接动平台的球铰、一个移动副和一个连接定平台的球铰，为了避免本身绕两个球铰中心连线的自传运动，通常也用一个万向铰来代替其中一个球铰。直到1978年，科学家Hunt提出将六自由度的并联结构变成机器人操作器，从这之后也就拉开了并联机器人研究的新序幕。一个全新的并联机器人时代到来。 以上的内容都是国外在并联机器人方面的发展研究历程，看到这我们也许会着急思考一个问题，既然国外这么早着手研究并联机器人了，那我们国内有研究吗？同时在并联机器人这个新型的领域我国有什么特别拿的出手的项目吗？其实从上世纪90年代开始，我国的并联机器人也开始成为热门研究项目。在这个科技产品井喷的年代，我国并没有落后世界的脚步，在国内众多研究并联机器人的科学家，以及大学的教授们中，其中研究并联机器人中最杰出，贡献最大的当属黄真教授，其实早在1990年，燕山大学的黄真教授就自行研究，成功的使我国有了第一台六自由度的并联机器人，同时于几年后，在1994年黄真教授在6自由度的并联机器人的基础上加以改造，又研制出了一台柔性铰链并联式六自由度的机器人误差补偿器，在3年后，黄真教授又联合孔令富教授、方跃法教授等人合作出版了我国第一部关于并联机器人理论及技术专著。由于在这篇幅有限，我们就不在这一一介绍国内并联机器人的发展。 目前，就全世界的并联机器人发展历程来看，并联机器人在航空航天、深海作业、电子机电工业、以及医疗辅助等多个方面都有良好的表现，在这些领域内并联机器人都有重要的应用。根据并联机器人的特点，以及人们对机器人结构的深入研究，未来并联机器人的应用领域还在不断拓展。并联机器人的主要应用范围为：l 运动结构学的模拟器。l 高精度的定位与调整装置。l 工业装配作业。l 与串联机器人结合组成串并联机器人。l 机械学加工。l 矿产采掘工程。l 多维空间技术。l 海洋工程。l 娱乐装置。l 生物医疗工程。以上所列举的十个研究方向是现今并联机器人运用最多最广的，经过资料的查阅，我们发现并联机器人现在运用最广的领域是在医学上。我相信，人们本着对科学技术的不断探究，以及对新型领域的不断探索，在未来一定会研究出更多有关联的并联机器人，让其运用到我们多彩的生活，学习，娱乐中。2 并联机器人的结构一说到机器人，脑怀中闪现的肯定是一个以人为原型的机械设备，但是并联机器人并非想想那样，他是由两个平台和两个或两个一张以上的自由杆构成，从并联机器人的发展史来看，可以将并联机器人按照其自由度的不同去划分，可以将其分为多自由并联机器人跟少自由度并联机器人，其中我们常见的并联机器人有3自由度的，4自由度的，以及本次研究的6自由度并联机器人。当然还有结构更为复杂的并联机器人。常见的并联机器人模型如图2-1、2-2、2-3所示。图2-1 6自由度并联机器人图2-2 4自由度并联机器人图2-3 3自由度并联机器人这些结构看起来并不是特别复杂的几何结构体称为并联机器人，但要是经过仔细的观察和研究，我们可以很容易的发现这些并联机器人的结构都非常的相似，这些不同的并联机器人都是由链角连接的结构体。尽管“奇怪”的并联机器人跟我们日常电影里的机器人长得不像，但是如果近一步的研究他们结构，并且将这些研究做好，然后将其用在工业生产中，以及探测业都会有很大的帮助。只有研究透彻结构相对简单的并联机器人，将其结构以及运动学问题完全弄明白，再去循序渐进地研究相对结构复杂一点的并联机器人的模型，我们才能彻底去了解并联机器人并且更好的使用它，使并联机器人成为我们的一大帮手。3 相关硬件电路的设计3.1 设计总电路图如图3-1所示为系统硬件总电路图。3-1 系统硬件总电路图 本次设计研究的主要任务就是运用单片机控制并联机器人，在已知并联机器人的结构及正反解的算法后，需要对硬件电路进行设计。这次设计关键的所在，就是选择合适的控制原件，对于控制器件我们选用的是单片机，本次设计采用C51单片机是为整个系统运行的核心。3.2 硬件的选择3.2.1 单片机C51单片机C51如图3-2所示。图3-2 单片机C51单片机对于很多人来说都很陌生，其实我们的生活中与他息息相关的东西比比皆是，生活中的电冰箱，音响，抽油烟机都运用到了单片机。最常见的就是手机了，手机里面也有单片机，其实我们换一种思维方式，实际上就是我们生活在一个单片机控制的世界里。只要有控制的存在就有单片机的存在。看到这，你也许还是一头雾水，到底什么是单片机呢？其实用俗话来说单片机对于一个用电路设计运用的系统来说，就好比是一个电脑系统中的最核心部件CPU。对人类的机体结构来说也就像是大脑一样的存在。其实他就是一个系统中最关键的部分，起到控制关键的功能，下面让我们一起来看一看单片机的结构。单片机本质上是在一块芯片上集成了由运算器、控制器、储存器、输入/输出接口5个基本部分，则这种芯片为单片微型计算机，简称单片机。使用单片机做电路核心的硬件系统称为单片机系统。现今社会技术的不断发展，随着集成化电路的不断提高，如今越来越多的单片机把各种外围设备的功能器件也都集成在芯片内，如一些wifi功能的模块。常用的MCS-C51单片机的芯片内部集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、并行的I/O接口、串联接口等基本功能元器部件，并在内部把这些元器部件连接在一起。MCS-51单片机的结构一般采用40个引脚双列直插式封装方式（DIP)。对于MCS-51单片机的40个管脚而言，按照排列，有P1P3口，在这些口中，需要格外注意的是P3口，因为其具有第二功能的缘故，所以在硬件连接以及程序设计时要格外小心。同时在使用单片机的I/O口时要对以下事项进行注意：（1） 每一个I/O口都可以独立作为输入或输出口的使用，但P2跟P0口在访问外部存储器时作为地址、数据总线，此时它们将不能再作为I/O口使用。（2） 51单片机复位时每一个I/O口的“内部总线”=1，如果随后程序使“内部总线”=0，那么当I/O口作为输入时，必须通过程序通过输出1使FET截止，这样从管脚Px.x输入的信号才能在“读管脚”信号的帮助下被正确读走。（3） P1,P2,P3因为内部上拉电阻而被称为“准双向口”。在作为输入时，上拉电阻将“管脚Px.x”拉高并在外设输入低电平时向外输出电流。（4） P0口没有内部上拉电阻，是一个正真的双向口。作为输入时因开漏结构而浮地。 对于P3口的功能如表3-1所示。表3-1 P3口功能 管脚口 具体的功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INTO(外部中断0) P3.3 INT1(外部中断1) P3.4 T0（定时器、计数器0） P3.5 T1（定时器、计数器1） P3.6 WR（外部存储器写选通） P3.7 RD（外部存储器读选通） 一个完整的单片机系统中还有复位电路，所谓的复位电路，就是如其本意，使单片机能复位的电路。无论是对于何种系统，只要包涵控制在其中，就一定会涉及到复位的问题。现在存在的复位操作分为三种方式，分别为上电自动复位，按键手动复位，和看门狗自动复位。单片机上电后首先从复位操作开始，复位操作可以使单片机处于某种确定的初始状态。单片机的复位是通过复位电路实现的。本设计中设计的复位电路是当系统报警时按下复位电路使抽油烟机停止工作回到初始未启动状态。1.上电自动复位上电自动复位是在施加电源瞬间通过RC电路来实现，如图3-3所示。在通电瞬间，电源通过电容C和电阻R回路对电容充电，使RST端出现如图3.4所示的波形，经过施密特整形电路，可向内部复位电路提供一个正脉冲引起单片机复位。通常取R = 1K，C=22F，就能可靠复位。如果系统中还有其他外围器件也需要复位信号，可以按图3-5所示加接一个门电路。2. 按键手动复位按键手动复位是指单片机在运行期间通过手动按钮使CPU强行复位，在从头开始运行。图3-6所示的是上电自动复位与按键手动复位结合的情况。3. 看门狗自动复位以单片机为核心的智能装备，应具有自动脱离死循环或死机的功能，这就是看门狗电路，也叫做Watching Dog.看门狗的设计理念是：设计一个硬件电路，在程序正常运行期间，只要定时发出清除信号（称为喂狗），该电路就一直维持不发作，一旦程序不能正常运行，经过一定时间后，看门狗电路会自动发作，产生复位信号促使单片机复位。看门狗的设计方法有很多种，可使用外围芯片，利用单片机内部看门狗，利用单片机内部定时器中断等方式实现。下图表示的是单片机的复位电路如图3-3、3-4、3-5、3-6所示：1K22FReset图3-3UTO图 3-422F1KReset图 3-5Reset1K5022F图3-6 在单片机中我们还需要注意的就是有关中断的问题，所谓中断，就是在执行程序的时候，突发状况发生，必须要终止现在所执行的程序，转而去执行现在所需要的程序，这种状况发生时就是中断。对于中断，我们需要知道以下内容。中断的发生将遵循下面的2条基本原则：1、低级中断响应能够被高级中断打断，但是低级中断在高级中断响应时不能够打断。2、某一中断已经响应时，同级别的中断不能停止它的响应。辅优先级规则当中央处理器同时收到几个同一级别的中断请求时，哪个中断响应源基于硬件上的查询顺序。不在同一个机器周期内当2个或超过两个中断先后发生时，或者当2个以上不同优先级中断一起发生时，哪个先被响应由IP寄存器决定。在同一台机器周期在2个以上的发生具有相同优先级的中断发生，这是内部查询序列的第一反应，该IP寄存器不能确定的第一反应。中断系统中任何机器周期都会实现顺序检查任何一个中断源，如果查询到中断请求被标志为1, 如果不被下述条件所阻止，则将在下一个机器周期的转到响应的中断服务程序。3.2.2 步进电机 图3-7所示为步进电机模块。图3-7步进电机连接模块 本次设计不仅用到了单片机还需要用到步进电机，在这个控制系统中，单片机属于控制器，而对与步进电动机而言就是被控对象。本次设计中，目的是运用单片机控制并联机器人，而并联机器人的运动则离不开步进电动机，在运动的过程中是步进电机来带动机械杆的运动，从而达到使动平台发生空间位置改变的目的。首先，我们对步进电机的结构需要了解。跟研究其他的电动机一样，我们来看步进电动机也需要从内部结构先入手。从步进电机的内部结构看，步进电动机的中央有一个齿轮状的转子，其转动轴就固定在转子上。转子的周围是4个多齿轮的电磁铁作为定子，电磁铁是由管脚供电，这样就可以被外部电路驱动并控制。步进电动机的转动轴运动依靠吸引转子实现。首先，给电磁铁（1）注明这里的1，2，3，4是对于转子周围4块电磁铁的编号，其中任意一块为1通电，于是转子被电磁铁（1）吸引并转动一个很小的角度，当转子上的齿与电磁铁（1）的齿对齐后转子停止，步进电机转动了1步，当转子上的齿与电磁铁（2）的齿对齐后，转子上的齿与电磁铁之间偏离了一个很小的角度。这时给电磁铁通电后而关闭电磁铁，于是转子被电磁铁吸引转动一个很小的角度，当转子上的齿与电磁铁的齿对齐后转子停止，步进电机又转动一步。接下来接通电磁铁（3）而关闭电磁铁（1）和（2），于是转子又将转动一个很小的角度，步进电机级继续转动一步，然后电磁铁（4）接通，转子又转动一个很小的角度，步进电机又转动一步，就这样，电磁铁(1)(2)(3)(4)快速依次逐一不断地以很小的角度跳动，在转动轴上就形成了步进的表象。电磁铁切换越快，则步进电动机转动也就越快。当转动轴步进走过360后，这就好像步进电动机绕了一圈。在控制系统中，步进电机的工作原理就是将所获得的电脉冲信号转变为角位移或线位移的量，它属于一种开环的控制原件。对于电动机研究，我们经常会研究其是否超载，对于步进电动机在没有超载的情况下，其转速、停止的位置这些因素只取决于电磁的脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，换言之，改变步进电机运动变化的关键所在，就是看给电机加的脉冲信号量，有了这个脉冲信号，才能式电动机转过一个角度，这个角度被叫做步距角。通过详细的理解，其实步进电机就是一类将电脉冲量转化成为角位移量的执行机构。其运动原理通俗一点讲：当步进电机的驱动器接收到一个脉冲量的信号源，它就可以通过驱动器，去驱动步进电机使其按原先设定好的方向去转动一定的固定好的角度（即步进角）。所以可以通过去控制脉冲量的个数去控制角位移的量，这样就能达到准的确定位目的；同时你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。步进电动机按照其结构一般可以分为单极步进电动机跟双极步进电动机两种。单极步进电机一般有5或6个管脚，在电动机内部有4个励磁线圈，单极步进电动机每个相位上有两个励磁线圈，通常，同一相位上的两个励磁线圈有一端连接在一起形成公共端，在大多数情况下二相步进电动机只有5个管脚，这是因为在电动机内部，两个相的公共端(管脚5和管脚6)相连形成了一个大公共端。除了单极步进电机外，还有更为精确的双极步进电动机。双极步进电动机的特点是每个相位上有一个独立的励磁线圈。每个相位有两个引脚，而没有公共端。这样，要改变磁极就需要转换线圈中的电流的方向，其控制驱动电路就相对复杂一些。一般可使用电路来驱动并控制双极性步进电动机。对于一个完整的步进电动机控制的系统主要是由以下结构所构成：（1）步进控制器（1）功率放大器（3）步进电机。所说的步进电机的控制器：由一个外形似环状的分配器、逻辑控制调节器以及缓冲寄存器正、反转控制门所组成，控制电机是通过步进电机控制器所实现的。控制器的工作原理是将输入的脉冲信号转换成环形脉冲，这样能方便的去控制步进电机，也正是如此才能进行正、反向控制。功率放大器的作用就是把控制器输出的环型脉冲加以放大，无论对于何种电机，功率放大器的存在都是必要的，只有将小的脉冲信号放大才能达到以驱动步进电机转动的目的。通过分析我们可以发现，在这种控制方式中，相比于其他的控制系统，步进控制线路复杂、也因此导致其成本较高，从