步进电机角度控制方案设计.doc
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目录 摘要 1 1设计任务与要求 2 1.1设计目的 2 1.2设计要求和设计指标 2 2方案分析 3 3系统硬件部分 4 3.1主控模块 4 3.2键盘输入模块 7 3.3电机模块 8 3.4显示模块 11 4系统软件部分 13 4.1整体流程图及主程序 13 4.2按键流程图及程序 14 4.3显示模块程序 19 4.4电动机模块流程图及程序 20 4.5中断程序 22 5仿真运行 24 6心得体会 25 参考文献 26 附录一:Protues硬件仿真图 27 附录二:系统程序 28 摘要 步进电机在控制系统中具备很广泛应用。它可以把脉冲信号转换成角位移,并且可用作电磁制动轮、电磁差分器或角位移发生器等。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移开环控制元步进电机件。在非超载状况下,电机转速、停止位置只取决于脉冲信号频率和脉冲数,而不受负载变化影响,当步进驱动器接受到一种脉冲信号,它就驱动步进电机按设定方向转动一种固定角度,称为“步距角”,它旋转是以固定角度一步一步运营。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准拟定位目;同步可以通过控制脉冲频率来控制电机转动速度和加速度,从而达到调速目。 本次设计使用C语言作为编程语言。C语言是一种计算机程序设计语言,它既具备高档语言特点,又具备汇编语言特点。它应用范畴广泛,具备很强数据解决能力,不但仅是在软件开发上,并且各类科研都需要用到C语言,适于编写系统软件、三维、二维图形和动画,详细应用例如单片机以及嵌入式系统开发 。 硬件某些使用89C51作为主控芯片,并使用ULNA将单片机信号放大以控制步进电机,同步使用4位数码管显示转动角度及次数。 核心词:步进电机 C语言 AT89C51 ULNA 转动角度 1设计任务与规定 1.1设计目 设计制作和调试一种由8086构成步进电机角度测控系统。通过这个过程学习熟悉键盘控制和七段数码管使用,掌握步进电机角度控制和角度显示办法。 1.2设计规定和设计指标 1.在显示屏上显示任意四位十进制数 2.将8个键定义键值为0~7,按任意键在显示屏上显示相应键值 3.实现: (1)定义键盘按键:5个为数字键1~5;3个功能键:设立SET、清零 CLR、开始START; (2)显示屏上第一位显示次数,后三位显示每次行走角度; (3)通过键盘按键,设立步进电机各次角度值;第一位设立次数,后三位设立角度值。 (4)按START键启动步进电机开始转动,按SET键停止;按CLR键清零。 2方案分析 课程设计规定设计一种直流电机微型计算机角度控制系统,定义8个键盘按键:5个为数字键1~5;3个功能键:设立SET、清零 CLR、开始START;显示屏上四位可显示转动次数和每次转动角度;通过键盘按键,设立步进电机转动次数和每次转动角度;按START键启动电机开始转动,按SET键停止;按CLR键清零。 综合分析之后,咱们应当将电路实现运用键盘按键通过89C51P3口实现输入功能,并通过89C51P0口和P1口实现对数码管显示控制。同步咱们可以通过P2口控制ULNA驱动电动机运营。 咱们可以将整体电路设计成几种相对独立而又有机结合模块,来逐个进行分析。 通过度析咱们可以画出系统图,如图2-1所示。 图2-1 系统图 3系统硬件某些 3.1主控模块 3.1.1 AT89C51芯片 本次设计是使用AT89C51作为主控芯片,AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器低电压、高性能CMOS8位微解决器,俗称单片机。单片机可擦除只读存储器可以重复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业原则MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMELAT89C51是一种高效微控制器,89C2051是它一种精简版本。89C单片机为诸多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉方案。 AT89C5140个引脚重要有一下几种 (1)VCC:供电电压。 (2)GND:接地。 (3)P0口:P0口为一种8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸取8TTL门电流。当P1口管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0可以用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址低八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必要被拉高。 (4)P1口:P1口是一种内部提供上拉电阻8位双向I/O口,P1口缓冲器能接受输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接受。 (5)P2口:P2口为一种内部上拉电阻8位双向I/O口,P2口缓冲器可接受,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因而作为输入时,P2口管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址高八位。在给出地址“1”时,它运用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器内容。P2口在FLASH编程和校验时接受高八位地址信号和控制信号。 (6)P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向I/O口,可接受输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉缘故。 P3口尚有其她某些特殊功能,本领设计没有使用,故在此不做论述。 (7)RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期高电平时间。 (8)ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存容许输出电平用于锁存地址地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率1/6。因而它可用作对外部输出脉冲或用于定期目。然而要注意是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一种ALE脉冲。如想禁止ALE输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。此外,该引脚被略微拉高。如果微解决器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。 (9)/PSEN:外部程序存储器选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效/PSEN信号将不浮现。 (10)/EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间为外部程序存储器(0000H-FFFFH),不论与否有内部程序存储器读取外部ROM数据。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,单片机读取内部程序存储器。(扩展有外部ROM时读取完内部ROM后自动读取外部ROM)。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 (11)XTAL1:反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。 (12)XTAL2:来自反向振荡器输出 图3-1 AT89C51芯片 3.1.2时钟电路及复位电路 在本次课程设计中,咱们用到AT89C51单片机。而她需要某些特定控制电路控制才干更好地工作。详细到本次课设中,咱们需要时钟电路、防抖电路、复位电路等。 如图3-2所示是咱们时钟电路,由电容C1、C2以及晶振构成。 图3-2 时钟电路 如图3-3所示是咱们复位电路。 图3-3 复位电路 3.2键盘输入模块 在微机化仪器仪表中,键盘是最惯用一种输入设备,用于输入数据和命令。键盘每一种按键都被赋予一种代码,称为键码。键盘系统重要工作涉及及时发既有键闭合,求闭合键键码。依照这一过程不同,键盘可以分为两种,即全编码键盘和非编码键盘。全编码键盘多是商品化计算机输入设备,自动提供相应于被安检ASCII码,且能同步产生一种控制信号告知微解决器。此外,这种键盘具备解决抖动和多键串键保护电路,具备使用以便、价格较贵、体积较大、按键较多等特点。非编码键盘恰如一组开关,普通构成行和列矩阵。其所有工作过程,如按键辨认、键代码获取、防止串键及消抖等问题,都靠程序完毕。因而,它所需要硬件少,价格便宜,普通作为单板机、智能仪表等简朴输入设备。 键盘电路惯用有两种,一种是独立式键盘电路,另一种是矩阵式键盘。独立式键盘每个按键独占一根I/O线。因而键辨认软件非常简朴。对于只有几种按键系统,常采用这种电路。对于多按键系统来讲,这种电路忧郁将占用更多I/O线而变得无法实用。 矩阵式键盘电路将I/O口线一某些作为行线,另一某些作为列线,按键设立在行线和列线交叉点上,这就构成了行列式键盘。行列式键盘中按键数量可达行线数n乘以列线数m。由此可以看到行列式键盘在按键较多时,可以节约I/O线。按键开关两端分别接在行线和列线上。行线通过一种电阻接到+5V电源上,在没有键按下时,行线处在高电平状态。 判断与否有键按下办法是:向所有列线I/O口输出低电平,然后将行线电平状态读入累加器中,若无键按下,行线仍保持高电平状态,若有键按下,行线至少应有一条为低电平。当拟定有键按下后,即可进行求键码过程。其办法是:依次从一条列线上输出低电平,然后检查各行线状态,若全为高电平,阐明闭合键不在该列;若不全为1,则阐明闭合键在该列,且在变为低电平行交点上。 在键盘解决程序中,每个键都被赋予了一种键号,由从列线I/O口输出数据和从行线I/O口读入数据可以求出闭合键键号。 图3-4键盘模块原理图 3.3电机模块 3.3.1步进电机构造及工作原理 步进电机又叫脉冲电机,它是一种将电脉冲信号转换为角位移机电式数模转换器。在开环数字程序控制系统中,输出控制某些常采用步进电机作为驱动元件。步进电机控制线路接受计算机发来指令脉冲,控制步进电机作为驱动元件。步进电机控制线路接受计算机发来指令脉冲,控制步进电机做相应转动。在非超载状况下,电机转速、停止位置只取决于脉冲信号频率和脉冲数,而不受负载变化影响,即给电机加一种脉冲信号,电机则转过一种步距角。这一线性关系存在,加上步进电机只有周期性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非常简朴。 步进电机驱动电路依照控制信号工作,控制信号由8086通过8255A产生。 本次设计采用四相式步进电机。 图3-5 步进电机励磁线圈 (1) 步进电机工作原理阐明 步进电机由转子和定子构成。转子由一种永久磁铁构成,定子分别由四组绕组构成。步进电机构成和电气连接分别如图3-6和3-7所示。 图3-6 转子和定子示意图 图3-7 电气连接示意图 当S1连通电源后,定子磁场将产生一种接近转子为N极,远离转子为S极才磁场,这样定子磁场和转子固有磁场发生作用,转子就会转动,对的地S1、S4送电顺序,就能控制转子旋转方向。 例如:若送电顺序为S1闭合断开S2闭合断开S3闭合断开S4闭合断开,周而复始循环,在定子和转子共同作用下,电机就瞬时针旋转: 若送电顺序为S4闭合断开S3闭合断开S2闭合断开S1闭合断开,周而复始循环,则电机就逆时针旋转,原理同理。 3.3.2 电机驱动ULNA简介 ULN是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管构成。ULN 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具备电流增益高、工作电压高、温度范畴宽、带负载能力强等特点,适应于各类规定高速大功率驱动系统。ULNA管脚如图3-8所示。 图3-8 ULNA管脚图 ULN 每一对达林顿都串联一种2.7K 基极电阻,在5V 工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连,可以直接解决原先需要原则逻辑缓冲器来解决数据。ULN工作电压高,工作电流大,灌电流可达500mA,并且可以在关态时承受50V 电压,输出还可以在高负载电流并行运营。 ULN内部还集成了一种消线圈反电动势二极管,可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,合用于TTL COMS,由达林顿管构成驱动电路。ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一种消线圈反电动势二极管,它输出端容许 通过电流为200mA,饱和压降VCE约1V左右,耐压BVCEO约为36V。顾客输出口外接负载可依照以上参数估算。采用集电极开路输出,输出电流大,故可直接驱动继电器或固体继电器,也可直接驱动低压灯泡。普通单片机驱动ULN时,上拉2K电阻较为适当,同步,COM引脚应当悬空或接电源。ULN是一种非门电路,包括7个单元,单独每个单元驱动电流最大可达350mA,9脚可以悬空。 由于ULN有这些特点,因此经常作为显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、伺服电机、步进电机驱动等电路中。 ULNA内部构造如图3-9所示。 图3-9 ULNA内部构造图 图3-10 电机模块原理图 3.4显示模块 数码管是数码显示屏俗称。惯用数码显示屏有半导体数码管,荧光数码管,辉光数码管和液晶显示屏等。译码和数码显示电路是将数字钟和计时状态直观清晰反映出来,被人们视觉器官所接受。显示屏件采用七段数码管。在译码显示电路输出驱动下,显示出直观、清晰数字符号。本设计所采用是半导体数码管,是用发光二极管(简称LED)构成字形来显示数字,七个条形发光二极管排列成七段组合字形,便构成了半导体数码管。半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型,共阳极数码管七个发光二极管阳极连在一起,而七个阴极则是独立。共阴极数码管与共阳极数码管相反,七个发光二极管阴极连在一起,而阳极是独立。 当共阳极数码管某一阴极接低电平时,相应二极管发光,可依照字形使某几段二极管发光,因此共阳极数码管需要输出低电平有效译码器去驱动。共阴极数码管则需要输出高电平有效译码器去驱动。七段显示数码管外部引线排列如图3-11,共阳极数码管构造示意图如图3-12所示。 图3-11 数码管外引线排列 图3-12 共阳极数码管构造示意图 在多位LED显示时,为了节约I/O口线,简化电路,减少成本,普通采用动态显示方式。动态显示方式是一位一位地分时轮流各位显示屏,对每一位显示屏来说,每隔一段时间轮流点亮一次,形成动态显示。 图3.13 显示模块原理图 4系统软件某些 4.1整体流程图及主程序 系统整体软件流程图如图4-1所示 图4-1 系统流程图 主程序如下: void main() //主函数 { TMOD=0x01; //T0工作方式1 TH0=0xd8; //设初值,0.01秒触发一次 TL0=0xf0; TR0=0; //关闭T0定期器 ET0=1; //容许T0定期器中断 EA=1; //启动总中断容许 P2=0x03; while(1) { scan(); show(); if(num1==0) //若电机运营次数已达到设定值,则关时器 { //并将状态位置0 TR0=0; status=0; } } } 4.2按键流程图及程序 按键流程图如图4-2所示 图4-2 按键模块流程图 按键模块程序如下: void scan() //按键扫描 { if(START==0&&status==0) //开始键:只有当电机不运营时才有效,且将状态位置1; { //并启动定期器(电机重新开始转动)。 delay(10); if(START==0&&status==0) { status=1; TR0=1; //开定期器0 num1=num; } } if(SET==0&&status==1) //停止键:只有当电机运营是有效,将状态位置0; { //并关闭定期器(电机停止转动)。 delay(10); if(SET==0&&status==1) { status=0; TR0=0; //关定期器0 } } if(CLR==0&&status==0) //清零键:只有当电机不运营时,清零键才有效 { delay(10); if(CLR==0&&status==0) { P1=0; P0=0xff; sh=0; } } if(k1==0&&status==0) //数字键1:设立为3 045。只有当电机不运营时,数字键才有效 { delay(10); if(k1==0&&status==0) { num=3; num1=3; bai=0; shi=4; ge=5; sh=1; key=1; } } if(k2==0&&status==0) //数字键2:设立为4 090 { delay(10); if(k2==0&&status==0) { num=4; num1=4; bai=0; shi=9; ge=0; sh=1; key=2; } } if(k3==0&&status==0) //数字键3:设立为5 090 { delay(10); if(k3==0&&status==0) { num=5; num1=5; bai=0; shi=9; ge=0; sh=1; key=2; } } if(k4==0&&status==0) //数字键4:设立为6 045 { delay(10); if(k4==0&&status==0) { num=6; num1=6; bai=0; shi=4; ge=5; sh=1; key=1; } } if(k5==0&&status==0) //数字键5:设立为7 090 { delay(10); if(k5==0&&status==0) { num=7; num1=7; bai=0; shi=9; ge=0; sh=1; key=2; } } } 4.3显示模块程序 由于使用是4为数码管,每一位需要显示不同数字,故让各位数码管按照一定顺序轮流显示,只要扫描频率足够高,由于人眼“视觉暂留”现象,就能持续稳定显示。 程序如下: void show() //数码管显示 { if(sh==1) { P1=0x01; //显示第一位 P0=smg[num]; P0=0xff; P1=0x02; //显示第二位 P0=smg[bai]; P0=0xff; P1=0x04; //显示第三位 P0=smg[shi]; P0=0xff; P1=0x08; //显示第四位 P0=smg[ge]; P0=0xff; } } 4.4电动机模块流程图及程序 要是步进电机模块按一定方向转动,需要轮流给P2.0~P2.3口脉冲,故采用移位办法实现,流程图如图4-3所示。(X初始值为0x01,Y初始值为0x02) 图4-3电机模块流程图 电机模块程序如下: void motor() //电机运营 { if(key==1) //每次转动角度为45度时 { if(c%2==0) { x=_crol_(x,1); x=x|_crol_(x,4); } else { y=_crol_(y,1); y=y|_crol_(y,4); } c=c+1; P2=x|y; } if(key==2) //每次转动角度为90度时 { x=_crol_(x,1); x=x|_crol_(x,4); y=_crol_(y,1); y=y|_crol_(y,4); P2=x|y; } } 4.5中断程序 每次设计采用定期器来完毕步进电机转动速度,每次中断便是计数存储器加一,当计数存储器达到设定值时便使电机转动一次。 中断程序如下: void time0(void) interrupt 1 //中断解决程序 { TR0=0; TH0=0xd8; TL0=0xf0; clk++; if(clk==100) //每一秒电机运转一次 { clk=0; num1--; motor(); //调用电机运营程序 } TR0=1; } 5仿真运营 (1)按下数字键后数码管显示数字 图5-1 数码管显示 (2)按下开始键后,电机开始运营 图5-2 电机运营图 (3)按下停止键后,电机停止运营 (4)按下清零键后,数码管被清零。 图5-3 电机停止运转 6心得体会 在咱们大三即将结束时候,我进行了《步进电机微型计算机角度控制系统设计》。总体来说,本次训练重要是针对《计算机控制技术》所学理论知识检测以及对protues软件学习和使用。 随着不断进一步学习,我感受到了这个软件强大。此前咱们学习《计算机控制技术》,需要绞尽脑汁计算分析各电路。而使用这种办法,不但计算量大、分析不太精确、成果精确性差、费时费力,通过学习protues,并通过使用protues,非常以便精确得到了仿真电路对的连线办法以及最优化电路。分析起来又快又精确。大大增进了咱们学习效率。 这次课程设计不但锻炼了咱们自学能力以及我自己耐力。并且我也深切感受到了计算机控制技术在寻常生活中广泛应用,作为工科生咱们更要加强理论联系实际,为后来成为一名技术人才奠定坚实理论实践基本。 参照文献 [1] 郭天祥. 新概念51单片机C语言教程.北京:电子工业出版社, [2] 周润景.基于PROTEUS 电路及单片机系统设计与仿真.北京:北京航空航天出版社, [3] 陈伯石.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社,. [4] 李光飞.单片机课程设计实例指引.北京:北京航空航天出版社, [5] 陈光东.单片微型计算机原理与接口技术(第二版).武汉:华中科技大学出版社,1999 附录一:Protues硬件仿真图 附录二:系统程序 #include"reg51.h" #include"intrins.h" sbit k1=P3^0; sbit k2=P3^1; sbit k3=P3^2; sbit k4=P3^3; sbit k5=P3^4; sbit START=P3^5; sbit SET=P3^6; sbit CLR=P3^7; int smg[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; int status=0,sh=0; int num,bai,shi,ge,num1,key=0; int clk=0; int c=0,x=0x1,y=0x2; void delay(int a); void scan(); void show(); void motor(); void delay(int a) //延时程序 { int i,j; for(i=a;i>0;i--) for(j=1000;j>0;j--); } void scan() //按键扫描 { if(START==0&&status==0) //开始键:只有当电机不运营时才有效,且将状态位置1; { //并启动定期器(电机重新开始转动)。 delay(10); if(START==0&&status==0) { status=1; TR0=1; //开定期器0 num1=num; } } if(SET==0&&status==1) //停止键:只有当电机运营是有效,将状态位置0; { //并关闭定期器(电机停止转动)。 delay(10); if(SET==0&&status==1) { status=0; TR0=0; //关定期器0 } } if(CLR==0&&status==0) //清零键:只有当电机不运营时,清零键才有效 { delay(10); if(CLR==0&&status==0) { P1=0; P0=0xff; sh=0; } } if(k1==0&&status==0) //数字键1:设立为3 045。只有当电机不运营时,数字键才有效 { delay(10); if(k1==0&&status==0) { num=3; num1=3; bai=0; shi=4; ge=5; sh=1; key=1; } } if(k2==0&&status==0) //数字键2:设立为4 090 { delay(10); if(k2==0&&status==0) { num=4; num1=4; bai=0; shi=9; ge=0; sh=1; key=2; } } if(k3==0&&status==0) //数字键3:设立为5 090 { delay(10); if(k3==0&&status==0) { num=5; num1=5; bai=0; shi=9; ge=0; sh=1; key=2; } } if(k4==0&&status==0) //数字键4:设立为6 045 { delay(10); if(k4==0&&status==0) { num=6; num1=6; bai=0; shi=4; ge=5; sh=1; key=1; } } if(k5==0&&status==0) //数字键5:设立为7 090 { delay(10); if(k5==0&&status==0) { num=7; num1=7; bai=0; shi=9; ge=0; sh=1; key=2; } } } void show() //数码管显示 { if(sh==1) { P1=0x01; P0=smg[num]; P0=0xff; P1=0x02; P0=smg[bai]; P0=0xff; P1=0x04; P0=smg[shi]; P0=0xff; P1=0x08; P0=smg[ge]; P0=0xff; } } void motor() //电机运营 { if(key==1) //每次转动角度为45度时 { if(c%2==0) { x=_crol_(x,1); x=x|_crol_(x,4); } else { y=_crol_(y,1); y=y|_crol_(y,4); } c=c+1; P2=x|y; } if(key==2) //每次转动角度为90度时 { x=_crol_(x,1); x=x|_crol_(x,4); y=_crol_(y,1); y=y|_crol_(y,4); P2=x|y; } } void main() //主函数 { TMOD=0x01; //T0工作方式1 TH0=0xd8; //设初值,0.01秒触发一次 TL0=0xf0; TR0=0; //关闭T0定期器 ET0=1; //容许T0定期器中断 EA=1; //启动总中断容许 P2=0x03; while(1) { scan(); show(); if(num1==0) //若电机运营次数已达到设定值,则关定期器 { //并将状态位置0 TR0=0; status=0; } } } void time0(void) interrupt 1 //中断解决程序 { TR0=0; TH0=0xd8; TL0=0xf0; clk++; if(clk==100) //每一秒电机运转一次 { clk=0; num1--; motor(); //调用电机运营程序 } TR0=1; }展开阅读全文
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