步进电机及其工作原理和程序设计.ppt

计算公式：
θb = 360°
m* Z*C
式中：m －定子相数
Z － 转子齿数
C －通电方式
C = 1 单相轮流通电、双相轮流通电方式
C = 2 单、双相轮流通电方式
常用步进电机的步距角
常用步进电机的步距角 常用步进电机的定子绕组多数是三相和五相, 与此相
匹配的转子齿数分别为40齿和48齿，即有
三相步进电机：
同理，我们按照A→B→C→A顺序通电一周，则转子转动9°。
三、步进电机控制系统原理
根据实现脉冲分配的方式可分为硬件控制和软件控制
（1）由硬件完成脉冲分配的系统
图4—41步进电机控制系统的组成（P144）
步进电机控制系统原理
步进电机控制器 包括：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转向控制门等 作用：把输入的脉冲转换成环形脉冲，以控制步进电机运行及转向
A
15° A
1
4
2
3
1
B
2 4
B31B源自24B3
A
A
C
B
A 15°
C
B
15° A
C
B
12
15° 1 4
2 3
1 4
2 3
C A
43
C
B
C
单段反应式步进电机的工作原 理 —— 四转子齿
定子通电顺序： A→AC→C→CB→B→BA→A
转子旋转方向： 顺时针
A
15°
步距角： θb = 15°
15°
A
A
C
1
硬件控制
在这种形式里，脉冲分配器（CH250）、驱动电路有硬件完成。 单片机只提供步进脉冲和正、反转控制信号、步进脉冲的产生和停止、 步进脉冲的频率和个数都可以用软件控制。
脉冲分配器中由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路， 它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加在脉冲放大器 上，使步进电机按确定的运行方式工作。下面着重介绍 CH250唤环形脉冲分配器。 CH 250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配 去，通过其控制端的不同揭发可以组成三相双三拍和三相 六拍的不同工作方式，如下图所示
（2）根据所选定的步进电机及控制方式，写出相应控制方 式的数学模型。 上面讲的三种控制方式的数学模型分别为：
三相单三拍
控制位
工作 控制
状态 模型 步 序 PC.7 PC.6 PC.5 PC.4 PC.3 PC.2 PC.1 PC.0
C相 B相 A相
1
0
0
0
0
0
0
0
1
A 01H
2
0
0
0
0
0
0
1
0
B 02H
步进电机的工作原理 及其控制
概览
一
步进电机的机构
二
步进电机的工作原理
三 步进电机控制系统原理
四
脉冲产生与方向控制
五
控制接口与程序设计
一、步进电机的结构
步进电机外形结构
常见步进电机外形构造
步进电机内部结构
举例——单段反应式步进电机的内部结构
定子绕组
A
转子
C
定子
B
磁
极
B
C
A
反应式步进电机的内部结构横剖面示意图
60° A
1
B
2C A
A B
A 1B
2 B
A
A
C
B
60° 1 2
1 2
60°
B
C
B
A
30°
单段反应式步进电机的工作原 理 —— 两转子齿
定子通电顺序： A→AB→B→BC→C→CA→A
转子旋转方向： 顺时针
步距角：θb = 30°
30°
A
A
A
1
1B
B
1
2
2
A
A
C
B
2 B
A
C
B
B
A
C
B
1 2
1
2
1 2
双相轮流通电（M相双M拍） 顺时针轮回 AB→BC→CA→AB 逆时针轮回 BA→AC→CB→BA
单双相轮流通电（M相2M拍） 顺时针轮回 A→AB→B→BC→C→CA→A 逆时针轮回 A→AC→C→CB→B→BA→A
单段反应式步进电机的工作原理 —— 两转子齿
定子通电顺序： A→B→C→A
转子旋转方向： 顺时针
步进电机分类
通常按励磁方式分为三大类： 1）反应式：转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距小。应 用最广。 2）永磁式：转子为永磁材料，转子的极数=每相定子极数，不开小齿 ，步距角较大，力矩较大 3）感应子式(混合式)： 转子为永磁式、两段，开小齿，混合反应式 与永磁式优点：转矩大、动态性能好、步距角小。但结构复杂，成本 较高。
★ 单三拍，通电顺序为 ABC→A； ★ 双三拍， 通电顺序为 ABBCCA→AB； ★ 三相六拍，通电顺序为 AABBBCCCA ；
改变通电顺序可以改变步进电机的转向
3.步进电机通电模型的建立： （1）用微型机输出接口的每一位控制一相绕组， 【例如】用 8255 控制三相步进电机时，
可用 PC.O、PC.1、PC.2 分别接至步进电机的 A、 B、 C 三相绕组。
4
2 3
C
C
1B
4 2
3
C
1
4
2
3
A
A
A
C 4
1
B
15°
A
15°
C
B
C
B
1 2
4 3
1 2
4 3
32
B
C
B
B A
转子转动的原因分析
步进电机的实际结构
A相各齿对齐时,B相转子齿错位3°
A
C
B
50° 47°
B
C
A
转子转动的原因分析
步进电机的转子上没有绕组，而是由40个矩形小齿均匀分布在圆 周上，相邻两齿之间的夹角为9度。当某相绕组通电时，对应的磁极就 会产生磁场，并与转子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的小齿没 有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度，使转子齿和定子 齿对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。
四、脉冲产生和方向控制
1、 脉冲序列的生成
图4—43 脉冲序列 （P143）
★ 脉冲幅值 由数字元件电平决定。 TTL 0 ～ 5V CMOS 0 ～ 10V
★ 接通和断开时间可用延时的办法控制。 要求：确保步进到位。
2．方向控制
步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。 三相步进电机有三种工作方式：
下面以单段反应式步进电机为例来介绍步进电机的工作原理
二、步进电机的工作原理
图4—40 步进电机原理图（P143）
步距角
定义：
步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过 的角度称步距角。
♠ 转子齿数越多，步距角 θb 越小 ♠ 定子相数越多，步距角 θb 越小 ♠ 通电方式的节拍越多，步距角 θb 越小
A
定子通电顺序：
1
B
BA→AC→CB→BA
2
转子旋转方向：
4
B
3
顺时针
A
步距角：
A
θb = 30°
C
B
A
30°
C
1B
4 2
3
C
A
A
C
B
12 43
1 2
4 3
B A
B
C
单段反应式步进电机的工作原 理 —— 四转子齿
定子通电顺序： A→AB→B→BC→C→CA→A
转子旋转方向：逆时针
A
步距角： θb = 15°
3
0
0
0
0
0
1
0
0
C 04H
三相双三拍
用P1口的P1.2、P1.1、P1.0对应C、B、A相进行控制。
★同理，可以得出双三拍和三相六拍的控制模型： 双三拍 03H，06H，05H
★ 三相六拍 01H，03H，02H，06H，04H，05H 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型， 如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。
步进电机控制系统原理
（2）有软件完成脉冲分配工作的系统
图4—42 用微型机控制步进电机原理系统图（P144）
图4—42 与 图4—41相比：
用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成 串行脉冲序列，并 实现方向控制。
只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个 固定的步距角度。
触发器工作的同步信号就是来自插补器的某个坐标轴的位移驱动 信号Δx或Δy。
△A
△B
△C
△X
复位
QA R
CP
QA S
DA
QB R
CP
QB S
DB
QC R
CP
QC S
DC
环形分配器工作原理
三相单三拍工作方式：A→B→C→A 当QA有输出ΔA，就使步进电机的A相通电， 当QB有输出ΔB，就使步进电机的B相通电， 当QC有输出ΔC，就使步进电机的C相通电。
根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步 进电机的最终位置。
特点：
由软件完成脉冲分配工作，不仅使路线简化，成本下降，而且可 根据应用系统的需要，灵活地改变步进电机的控制方案。
讨论解决如下几个问题：
（1）用软件的方法实现脉冲序列 （2）步进电机的方向控制 （3）步进电机控制程序的设计
步距角：
θb = 60°
A
A
1