本教程介绍步进电机驱动和细分的工作原理,以及stm32103为主控芯片制作的一套自平衡的两轮车系统,附带原理图pcb图和源代码,有兴趣的同学一起来吧.本系统还有一些小问题,不当之处希望得到大家的指正. 一.混合式步进电机的结构和驱动原理 电机原理这部分不想讲的太复杂了，拆开一台电机看看就明白了。 电机的转子是一个永磁体，它的上面有若干个磁极SN组成，这些磁极固定的摆放成一定角度。电机的定子是几个串联的线圈构成的磁体。出线一般是四条线标记为A+，A-，B+，B-。A相与B相是不通的，用万用表很容易区分出来，至于各相的+-出线实际是不用考虑的，任意一相正负对调电机将反转。另外一种出线是六条线的只是在A相和B相的中间点做两条引出线别的没什么差别，六出线的电机通过中间出线到A+或A-的电流来模拟正向或负向的电流，可以在没有负相电流控制的电路中实现电机驱动，从而简化驱动电路，但是这种做法任意时刻只有半相有电流，对电机的力矩是有损失的。步进电机的转动也是电磁极与永磁极作用力的结果，只不过电磁极的极性是由驱动电路控制实现的。 我们做这样的一个实验就可以让步进电机转动起来。1找一节电池正负随意接入到A相两端;然后断开;(记为A正向)2再将电池接入到B相两端; 然后断开;(记为B正向)3电池正负对调再次接入A相; 然后断开;(记为A负向)4保持正负对调接入B相;然后断开;(记为B负向)…如此循环你会看到步进电机在缓慢转动。注意电机的相电阻是很小的接
通时近乎短路。我们将相电流的方向记录下来应该为:A+B+A-B-A+…， 如果我们更换接线顺序使得相电流顺序为A+B-A-B+A+…这时我们会看 到电机向反方向运动。这里每切换一次相电流电机都会转动一个很小的角度，这个角度就是电机的步距角。步距角是步进电机的一个固有参数，一般两相电机步距角为1.8度即切换200次可以让电机转动一圈。这里我们比较正反转的电流顺序可以看出A+和A-;B+和B-的交换后的顺序 和正反顺序是一致的，也就是前面所说的”任意一相正负对调电机将反转”。以上为四排工作方式，为了使相电流更加平滑另外可以使用八排的工作方式即: A+;A+B+;B+;B+A-;A-;A-B-;B-;B-A+;从前往后循环正转，从后往前循环反转。 为了用单片机实现相电流的正负流向控制必须要有一个H桥的驱动电路，这种带H桥的驱动模块还是很多的，比较便宜的是晶体管H桥比如L298N，晶体管开关速度比较慢，无法驱动电机高速运动。有些模块将细分控制电路也包含在内，我们也不用这种，因为我们的细分由软件控制。实际应用中使用ST的mos管两桥驱动芯片L6205一片即可驱 动一台步进电机。有了H桥通过PWM就可以控制相电流大小，改变输入极IN1、IN2的状态（参看手册第8页）可以控制相电流的方向。 二.细分的原理和输出控制 从这里开始重点了，别的地方看不到哦。 一个理想的步进电机电流曲线应该是相位相差90度的正弦曲线如
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
步进电机的细分 步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置,它具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，已经在当今工业上得到广泛的应用，但其步矩角较大，一般为1.5o~3o，往往满足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有效的方法。本文在选择了合理的电流波形的基础上，提出了基于Intel 80C196MC 单片机控制的步进电机恒转矩细分驱动方案，其运行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很强的实用性。 细分电流波形的选择及量化 步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此，要想实现对步进电机的恒转矩均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流，使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，而且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀。我们知道在空间彼此相差2p/m的m相绕组，分别通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦电流，合成的电流矢量便在空间作旋转运动，且幅值保持不变。这—点对于反应式步进电机来说比较困难，因为反应式步进电机的旋转磁场只与绕组电流的绝对值有关，而与电流的正反流向无关。以比较经济合理的方式对三相反应式步进电机实现步距角的任意细分，绕组电流波形宜采用如图1所示的形式。 图中，a为电机转子偏离参考点的角度。ib滞后于ia，ic超前于ia。此时，合成电流矢量在所有区间b＝Ime-ja，从而保证合成磁场幅值恒定，实现电机的恒转矩运行。且步进电机在这种情况下也最为平稳。将绕组电流根据细分倍数均匀量化后，所得细分步距角也是均匀的。为了进一步得到更加均匀的细分步距角，可通过实验测取一组在通入量化电流波形时的步进电机细分步距的数据，然后对其误差进行差值补偿，求得实际的补偿电流曲线。这些工作大部分由计算机来完成。 步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置,它具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，已经在当今工业上得到广泛的应用，但其步矩角较大，一般为1.5o~3o，往往满足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有效的方法。本文在选择了合理的电流波形的基础上，提出了基于Intel 80C196MC单片机控制的步进电机恒转矩细分驱动方案，其运行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很强的实用性。
1/17 AN1495 APPLICATION NOTE 1INTRODUCTION Microstepping a stepper motor may be used to achieve one or both of two objectives; 1) increase the position resolution or 2) achieve smoother operation of the motor. In either case the basic the-ory of operation is the same. The simplified model of a stepper motor is a permanent magnet rotor and two coils on the stator separated by 90 degrees, as shown in Figure 1. In classical full step operation an equal current is delivered to each of the coils and the rotor will align itself with the resulting magnetic vector along one of the 45 degree axis. To step the motor, the current in one of the two coils is reversed and the rotor will rotate 90 degrees. The complete full step sequence is shown in figure 2. Half step drive,where the current in the coil is turned off for one step period before being turned on in the opposite direction, has been used to double the step resolution of a motor. In either full and half step drive,the motor can be positioned only at one of the 4 (8 for half step) defined positions.[4][5] Therefore,the number of steps per electrical revolution and the number of poles on the motor determine the resolution of the motor. Typical motors are designed for 1.8 degree steps (200 steps per revolution)or 7.5 degree steps (48 steps per revolution). The resolution may be doubled to 0.9 or 3.75 degrees by driving the motor in half step. Further increasing the resolution requires positioning the rotor at positions between the full step and half step positions. Figure 1. Model of stepper motor MICROSTEPPING STEPPER MOTOR DRIVE USING PEAK DETECTING CURRENT CONTROL Stepper motors are very well suited for positioning applications since they can achieve very good positional accuracy without complicated feedback loops associated with servo sys-tems. However their resolution, when driven in the conventional full or half step modes of operation, is limited by the configuration of the motor. Many designers today are seeking alternatives to increase the resolution of the stepper motor drives. This application note will discuss implementation of microstepping drives using peak detecting current control where the sense resistor is connected between the bottom of the bridge and ground. Examples show the implementation of microstepping drives with several currently available chips and chip sets. REV . 2AN1495/0604
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：
步进电机的种类、结构及工作原理 步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中，执行元件是步进电机。它受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制。但它的结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。 1.步进电机的种类 步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，如表5-1所示。 表5-1 步进电机的分类 2.步进电机的结构
目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种，如表5--1所述。 图5--2是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图5--2所示的步进电机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9°，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽也是等宽的，齿间夹角也是9°，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，如图5--3所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿1/3齿距角，C相磁极齿超前(或滞后)转子齿2/3齿距角。 图5-2 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图
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°。
步进电机驱动方式（细分）概述 众所周知，步进电机的驱动方式有整步，半步，细分驱动。三者即有区别又有联系，目前，市面上很多驱动器支持细分驱动方式。本文主要描述这三种驱动的概述。 如下图是两相步进电机的内部定子示意图，为了使电机的转子能够连续、平稳地转动，定子必须产生一个连续、平均的磁场。因为从宏观上看，电机转子始终跟随电机定子合成的磁场方向。如果定子合成的磁场变化太快，转子跟随不上，这时步进电机就出现失步现象。 既然电机转子是跟随电机定子磁场转动，而电机定子磁场的强度和方向是由定子合成电流决定且成正比。即只要控制电机的定子电流，则可以达到驱动电机的目的。下图是两相步进电机的电流合成示意图。其中Ia是由A-A`相产生，Ib是由B-B`相产生，它们两个合成后产生的电流I就是电机定子的合成电流，它可以代表电机定子产生磁场的大小和方向。 有了以上的步进电机背景描述后，对于步进电机的整步、半步、细分的三种驱动方式，都会是同一种方法，只是电流把一个圆(360°)分割的粗细程序不同。 整步驱动 对于整步驱动方式，电机是走一个整步，如对于一个步进角是3.6°的步进电机，整步驱动是每走一步是走3.6°。
下图是整步驱动方式中，电机定子的电流次序示意图： 由上图可知，整步驱动每一时刻只有一个相通电，所以这种驱动方式的驱动电路可以是很简单，程序代码也是相对容易实现，且由上图可以得到电机整步驱动相序如下： BB’→A’A→B’B→A A’→B B’ 下图是这种驱动方式的电流矢量分割图： 可见，整步驱动方式的电流矢量把一个圆平均分割成四份。 下图是整步驱动方式的A、B相的电流I vs T图： 可以看出，整步驱动描出的正弦波是粗糙的。使用这种方式驱动步进电机，低速时电机会抖动，噪声会比较大。但是，这种驱动方式无论在硬件或软件上都是相对简单，从而驱
步进电机控制系统的研究 杨杰1李学佳2崔二华3韩永清4 英利能源(中国)有限公司河北省保定市071051 摘要：步进电动机由于用共组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。 关键词：步进电机电机控制系统 中图分类号：TM3文献标识码：A文章编号： 前言 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。 一、步进电机概述 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件，具有快速启动和停止的能力。当负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值时，它就可能在一瞬间实现启动和停止。它的步矩角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件(如温度、气压、冲击和振动等)的影响，仅与脉冲频率有关。它每转l周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。 正是因为步进电机具备上述优点，它已经被广泛地用于自动控制系统中作为执行元件。但大多数设计人员常常习惯于用逻辑电路实现复杂的步进电机的控制，虽然已经取得很大成效，但实现起来成本高、费时多，而且一旦组成了电路，就很难再改动，因此不得不完全重新设计控制器。 微处理器与微计算机的先进技术和低廉的价格，给步进电机的控制开创了一个新的局面。人们完全可以借助于软件来对步进电机实施控制，从而实现复杂而
步进电机原理及使用说明 一、前言 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。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 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。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 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 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。
步进电机工作原理 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。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。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 二、感应子式步进电机工作原理 1）、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 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F 与（dФ/dθ）成正比 其磁通量Ф=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=N·I/R N·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。
步进电机驱动器及细分控制原理 步进电机驱动器原理： 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。 以两相步进电机为例，当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时，驱动器经过环形分配器和功率放大后，给电机绕组通电的顺序为AA BB A A B B ，其四个状态周而复始 进行变化，电机顺时针转动；若方向信号变为负时，通电时序就变为 AA B B A A BB ，电机就逆时针转动。 随着电子技术的发展，功率放大电路由单电压电路、高低压电路发展到现在的斩波电路。其基本原理是：在电机绕组回路中，串联一个电流检测回路，当绕组电流降低到某一下限值时，电流检测回路发出信号，控制高压开关管导通，让高压再次作用在绕组上，使绕组电流重新上升；当电流回升到上限值时，高压电源又自动断开。重复上述过程，使绕组电流的平均值恒定，电流波形的波顶维持在预定数值上，解决了高低压电路在低频段工作时电流下凹的问题，使电机在低频段力矩增大。 步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机性能影响较大，电压越高，步进电机转速越高、加速度越大；在驱动器上一般设有相电流调节开关，相电流设的越大，步进电机转速越高、力距越大。 细分控制原理： 在步进电机步距角不能满足使用要求时，可采用细分驱动器来驱动步进电机。细分驱动器的原理是通过改变A，B相电流的大小，以改变合成磁场的夹角，从而可将一个步距角细分为多步。
定子 A 转子 S N B B B S N A A (a)(b) A S N B B N S B S N A (c)(d) 图3.2步进电机细分原理 图 仍以二相步进电机为例，当A、B相绕组同时通电时，转子将停在A、B相磁极中间，如图3.2。 若通电方向顺序按AA AA BB BB BB AA AA AA BB BB BB AA,8个状态周而 复 始进行变化，电机顺时针转动；电机每转动一步，为45度，8个脉冲电机转一周。与图2.1相比，它的步距角小了一半。 驱动器一般都具有细分功能，常见的细分倍数有：1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64；或：1/5，1/10，1/20。 细分后步进电机步距角按下列方法计算：步距角=电机固有步距角/细分数 例如：一台1.8°电机设定为4细分，其步距角为 1.8°/4=0.45°。当细分 等级大于1/4后，电机的定位精度并不能提高，只是电机转动更平稳。
步进电机作为电磁机械装置，其进给的分辨率取决于细分驱动技术。采用软件细分驱动方式，由于编程的灵活性、通用性，使得步进细分驱动的成本低、效率高，要修改方案也易办到。同时，还可解决步进电机在低速时易出现的低频振动和运行中的噪声等。但单一的软件细分驱动在精度与速度兼顾上会有矛盾，细分的步数越多，精度越高，但步进电机的转动速度却降低;要提高转动速度，细分的步数就得减少。为此，设计了多级细分驱动系统，通过不同的细分档位设定，实现不同步数的细分，同时保证了不同的转动速度。 1 细分驱动原理 步进电机控制中已蕴含了细分的机理。如三相步进电机按A→B→C……的顺序轮流通电，步进电机为整步工作。而按A→AC→C→CB→B→BA→A……的顺序通电，则步进电机为半步工作。以A→B为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在IA与IB之间插入过渡向量IAB，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，IAB的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由θb 变为0.5θb，从而也就实现了2步细分。由此可见，步进电机的细分原理就是通过等角度有规律的插入电流合成向量，从而减小合成磁势转动角度，达到步进电机细分控制的目的。 在三相步进电机的A相与B相之间插入合成向量AB，则实现了2步细分。要再实现4步细分，只需在A与AB之间插入3个向量I1、I2、I3，使得合成磁势的转动角度θ1=θ2=θ3=θ4，就实现了4步细分。但4步细分与2步细分是不同的，由于I1、I2、I33个向量的插入是对电流向量IB的分解，故控制脉冲已变成了阶梯波。细分程度越高，阶梯波越复杂。 在三相步进电机整步工作时，实现2步细分合成磁势转动过程为 IA→IAB→IB;实现4步细分转动过程为IA→I2→IAB……;而实现8步细分则转
步进电机基本原理 电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。 永磁步进电机包括一个永磁转子、 线圈绕组和导磁定子。激励一个线圈绕 组将产生一个电磁场，分为北极和南 极，见图1所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。 图2显示了一个两相电机的典型的步进顺序。在第1步中，两相定子的A相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位
置。当A相关闭、B相通电时，转子顺时针旋转90°。在第3步中，B相关闭、A相通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90°。在第4步中，A相关闭、B相通电，极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转。 图2中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。更常用的步进方法是“双相激励”，其中电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性，见图3所示。两相步进时，转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电，本方法比“单相通电”
步进多提供了41.1%的力矩，但输入功率却为2倍。 半步步进 电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，一个90°的步进电机将每半步移动45°，见图4。但是，与“两相通电”相比，半步进通常导致15%～30%的力矩损失（取决于步进速率）。在每交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，所以作用在
转子上的电磁力要小，造成了力矩的净损失。 双极性绕组 双相激励介绍了利用一种“双极性线圈绕组”的方法。每相用一个绕组，通过将绕组中电流反向，电磁极性被反向。典型的两相双极驱动的输出步骤在电气原理图和图5中的步进顺序中 进一步阐述。按图所示，转换只利用绕组简单地改变电流的方向，
CHENGNAN COLLEGE OF CUST 工厂电气控制与PLC课程设计题目：三相步进电动机控制系统设计 学生姓名：刘深圳 学号： 2 班级: 工业电气自动化1301班 专业：自动化（工业电气自动化） 所在院(系): 电气与信息工程系 指导教师：贺勇 起止日期：2015年12月28日～2016年1月8日
目录 一. 目的与要求 (3) 二．三相步进电机的工作原理 (3) 三．方案设计 (5) 四．可编程逻辑控制器概述 (6) 五. 可编程控制器工作原理 (7) 六. 输入输出信号分析与PLC I/O分配图 (8) 七. PLC的选型 (9) 八. 三相步进电机主电路图 (11) 九. 控制流程图 (12) 十. 控制方法 (13) 十一. 程序设计 (14) 十二. 控制面板 (21) 十三.运行与调试程序 (21) 十四.总结 (22) 十五．参考文献 (22)
一、目的和要求 (1) 用PLC 实现对三相步进电动机的控制 (2) 掌握用计时器设计脉宽为一个扫描周期且频率可变的脉冲发生器和用循环移位指令 产生时序脉冲的编程方法和技巧 (3) 训练能综合各种信号实现某种控制规律的编程思路和方法 (4) 掌握PLC 控制系统设计的基本原则和步骤，从而提高应用PLC 的能力 二、三相步进电动机工作原理简介： (1) 概述： 步进电动机是利用电磁铁的作用原理将电脉冲转变成直线位移或角位移。在非超载的情况下，电动机的转速、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，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电动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动机来控制变得非常的简单。步进电动机通常用于数控机床、绘图机、自动控制和记录仪表等。 (2) 结构： 图1 是一个三相反应式步进电机结构图。从图中可以看出，它分成转子和定子两大部分，定子是由硅钢片叠成的，两个相邻定子齿之间的夹角为60°，转子由软磁材料制成。步进电动机三个励磁绕阻绕过相对的两个定子齿，构成一相（A-A’，B-B’，C-C’），定子齿上有5 个均匀分布的矩形小齿；转子上没有绕组，而有40 个小齿均匀分布在其圆周上。当某相绕组通电时，相应的两个磁极就分别形成N-S 极，产生磁场，并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对齐，从而使步进电机向前“走”一步。
步进电机细分驱动电路及原理（后面是已经编好的程序改改就可直接使用） 细分原理分析 步进电机驱动线路,如果按照环形分配器决定的分配方式,控制电动机各相绕组的导通或截止,从而使电动机产生步进所需的旋转磁势拖动转子步进旋转,则步距角只有二种,即整步工作或半步工作,步距角已由电机结构所确定。如果要求步进电机有更小的步距角,更高的分辨率,或者为了电机振动、噪声等原因,可以在每次输入脉冲切换时,只改变相应绕组中额定的一部分,则电机的合成磁势也只旋转步距角的一部分,转子的每步运行也只有步距角的一部分。这里,绕组电流不是一个方波,而是阶梯波,额定电流是台阶式的投入或切除,电流分成多少个台阶,则转子就以同样的次数转过一个步距角,这种将一个步距角细分成若干步的驱动方法,称为细分驱动。在国外,对于步进系统,主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器。但在国内,广大用户对“细分”还不是特别了解,有的只是认为,细分是为了提高精度,其实不然,细分主要是改善电机的运行性能。由于细分驱动器要精确控制电机的相电流,所以对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求,成本亦会较高。 图3 给出了三相步进电机八细分时的各相电流状态。由于各相电流是以1P4 的步距上升或下降的,原来一步所转过的角度θ将由八步完成,实现了步距角的八细分。由此可见,步进电机细分驱动的关键在于细分步进电机各相励磁绕组中的电流。 步进电机细分驱动电路 为了对步进电机的相电流进行控制,从而达到细分步进电机步距角的目的,人们曾设计了很多种步进电机的细分驱动电路。随着微型计算机的发展,特别是单片计算机的出现,为步进电机的细分驱动带来了便利。目前,步进电机细分驱动电路大多数都采用单片微机控制,它们的构成框图如图4 所示。单片机根据要求的步距角计算出各相绕组中通过的电流值,并输出到数模转换器(DPA) 中,由DPA 把数字量转换为相应的模拟电压,经过环形分配器加到各相的功放电路上,控制功放电路给各相绕组通以相应的电流,来实现步进电机的细分。单片机控制的步进电机细分驱动电路根据末级功放管的工作状态可分为放大型和开关型两种(见下图5)。 图5 步进电机细分驱动电路 放大型步进电机细分驱动电路中末级功放管的输出电流直接受单片机输出的控制电压控制,电路较简单,电流的控制精度也较高,但是由于末级功放管工作在放大状态,使功放管上的功耗较大,发热严重,容易引起晶体管的温漂,影响驱动电路的性能。甚至还可能由于晶体管的热击穿,使电路不能正常工作。因此该驱动电路一般应用于驱动电流较小、控制精度较高、散热情况较好的场合。开关型步进电机细分驱动电路中的末级功放管工作在开关状态,从而使得晶体管上的功耗大大降低,克服了放大型细分电路中晶体管发热严重的问题。但电路较复杂,输出的电流有一定的波纹。因此该驱动电路一般用于输出力矩较大的步进电机的驱动。 随着大输出力矩步进电机的发展,开关型细分驱动电路近年来得到长足的发展。目前,最常用的开关型步进电机细分驱动电路有斩波式和脉宽调制(PWM) 式两种。斩波式细分驱动电路的基本工作原理是对电机绕组中的电流进行检测,和DPA 输出的控制电压进行比较,若检测出的电流值大于控制电压,电路将使功放管截止,反之,使功放管导通。这样,DPA输出不同的控制电压,绕组中将流过不同的电流值。脉宽调制式细分驱动电路是把DPA 输出的控制电压加在脉宽调制电路的输入端,脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波,通过对功放管通断时间的控制,改变输出到电机绕组上的平均电流。由于电机绕组是一个感性负载,对电流有一定的波波作用,而且脉宽调制电路的调制频率较高,一般大于20 kHz ,因此,虽然是断续通电,但电机绕组中的电流还是较平稳的。和斩波式细分动电路相比,脉宽调制式细分驱动电路的控制精度高,工作频率稳定,但线路较复杂。因此,脉宽调制式细分驱动电路多用
姓名___ _ _ _ 学号201016050136 院系电气信息工程学院 专业电子信息工程 班级___信息10-1______ __
目录 目录 (2) 摘要 (3) 关键词 (3) Abstract (3) Keywords (3) 一、引言 (4) 二、步进电机细分驱动的基本原理 (4) 三、Quartus II概述 (5) 四、课题设计 (5) （一）总体设计 (5) （二）细分电流的实现 (6) （三）细分驱动性能的改善 (6) （四）程序设计 (6) 六、仿真与测试结果分析 (10) 七、结论 (12) 参考文献 (12) 注释 (13) 附录 (14) 心得体会 (20)
摘要 在对步进电机细分驱动原理进行分析研究的基础上，提出一种基于FPGA 控制的步进电机细分驱动器。利用FPGA中的嵌入式EAB构成LPM-ROM，存放步进电机各相细分电流所需的PWM控制波形数据表，并通过FPGA设计的数字比较器，同时产生多路PWM电流波形，实现对步进电机转角进行均匀细分控制。实验证明，所研制的步进电机驱动器不仅体积小，简化了系统的设计，减少了延迟，改善了低频特性，有良好的适应性和自保护能力，提高了驱动器的稳定性和可靠性。 关键词 步进电机；细分驱动；脉宽调制；FPGA Abstract In this paper, a divided driving circuit for stepping motor controlled by FPGA is put forward, based on the analysis of the principle of stepping motor divided driving. Using embedded EAB in FPGA to compose LPM-ROM, store PWM control wave form data which stepping motor each phase subdivided driving current is needed．The magnitude comparator designed with FPGA generates several PWM current waveform synchronously, to realize the step angles even division control for three–phase stepping motor.Experimments have proved that the developed subdivision driver is not only smaller,sampler in system, can shorten the delay time,improve the stability in low frequency ,but has good self-adaptation and self-protection ability,and its stability and relibility are higher. Keywords stepping motor; divided driving；PWM; FPGA