四相步进电机驱动程序及工作原理
1. 步进电机的工作原理
该步进电机为一四相步进电机，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1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
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2.a、b、c所示：
驱动电路：
程序：
大家对照一下程序就知道，本程序采用了八拍工作方式
/*********************************************
**项目：步进电机正反转（EE01学习板演示程序）
**作者：一线工人
**网站：电子工程师之家https://www.doczj.com/doc/c2532769.html,
*********************************************/
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
uchar code FFW[8]={0xf1,0xf3,0xf2,0xf6,0xf4,0xfc,0xf8,0xf9}; uchar code REV[8]={0xf9,0xf8,0xfc,0xf4,0xf6,0xf2,0xf3,0xf1};
/********************************************************/ /*
/* 延时t毫秒
/* 11.0592MHz时钟，延时约1ms
/*
/********************************************************/ void delay(uint t)
{
uint k;
while(t--)
{
for(k=0; k<123; k++)
{ }
}
}
/********************************************************/ /*
/*步进电机正转
/*
/********************************************************/ void motor_ffw(uint n)
{
uchar i;
uint j;
for (j=0; j<12*n; j++) //转1×n圈
{
for (i=0; i<8; i++) //一个周期转30度
{
P0 = FFW; //取数据
delay(15); //调节转速
}
}
}
/********************************************************/ /*
/*步进电机反转
/*
/********************************************************/ void motor_rev(uint n)
{
uchar i;
uint j;
for (j=0; j<12*n; j++) //转1×n圈
{
for (i=0; i<8; i++) //一个周期转30度
{
P0 = REV; //取数据
delay(15); //调节转速
}
}
}
/******************************************************** *
* 主程序
*
*********************************************************/
main()
{
while(1)
{
motor_ffw(5); //电机正转
delay(1000); //换向延时
motor_rev(5); //电机反转
delay(1000); //换向延时
}
}
1. 步进电机的工作原理 该步进电机为一四相步进电机，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1是该四相反应式 步进电机工作原理示意图。 图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4号齿就和C、D相 绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D 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、b、c所示： a. 单四拍 b. 双四拍c八拍 51单片机驱动步进电机的方法。 驱动电压12V，步进角为度 . 一圈 360 度 , 需要 48 个脉冲完成!!! 该步进电机有6根引线，排列次序如下：1:红色、2:红色、3:橙色、4:棕色、5:黄色、6:黑色。采用51驱动ULN2003的方法进行驱动。 ULN2003的驱动直接用单片机系统的5V电压，可能力矩不是很大，大家可自行加大驱动电压到12V。 1.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
步进电动机的工作原理及特点随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 1 步进电机概述 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 2国外的研究概况 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如、、、、都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器部。 总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。 在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形
减速步进电机28BYJ-48的原理如下图：中间部分是转子，由一个永磁体组成，边上的是定子绕组。当定子的一个绕组通电时，将产生一个方向的电磁场，如果这个磁场的方向和转子磁场方向不在同一条直线上，那么定子和转子的磁场将产生一个扭力将定子扭转。 依次改变绕组的磁场，就可以使步进电机正转或反转(比如通电次序为 A->B->C->D正转，反之则反转)。而改变磁场切换的时间间隔，就可以控制步进电机的速度了，这就是步进电机的驱动原理。 由于步进电机的驱动电流较大，单片机不能直接驱动，一般都是使用 ULN2003达林顿阵列驱动，当然，使用下拉电阻或三极管也是可以驱动的，只不过效果不是那么好，产生的扭力比较小。 参考：减速步进电机28BYJ-48最简单的驱动方法 28BYJ-48的内部结构请见这里 下面是一个步进电机的演示程序： #include
//八拍方式驱动，顺序为A AB B BC C CD D DA unsigned char code clockWise[]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x0d}; void delay(unsigned char z) { unsigned char x,y; for(x=0;x 目录 引言 (1) 第1章绪论 (2) 1.1步进电机的概述 (2) 1.1.1 步进电机的特点 (2) 1.1.2步进电机的工作原理简述 (2) 1.2四相八拍步进电机 (2) 1.2.1 四相步进电机工作原理 (2) 1.2.2 八拍得工作方式 (4) 1.3单片机概述 (4) 1.3.1 单片机原理简述 (4) 1.3.2 8031单片机 (5) 1.4总体方案设计 (5) 1.4.1 系统的组成 (5) 1.4.2 系统的工作原理 (6) 第2章系统软件设计 (7) 2.1显示子程序的设计 (7) 2.2键盘子程序的设计 (8) 2.3正反转程序流程图 (11) 2.3.1 正反转程序流程图 (11) 2.3.2 转速快慢程序流程图 (14) 2.4定时中断流程图 (17) 2.5语音报警系统 (19) 2.6主程序设计 (20) 参考文献 (23) 致谢 (24) 引言 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。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。在本设计方案中采用单片机内部的定时器改变脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行控制，实现电机调速与正反转的功能。 关键词：步进电机，单片机，调速系统 1、概念 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步进电机件。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。 【开环控制系统：不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统 举例：打开灯的开关——按下开关后的一瞬间，控制活动已经结束，灯是否亮起已对按开关的这个活动没有影响；投篮——篮球出手后就无法再继续对其控制，无论球进与否，球出手的一瞬间控制活动即结束。 闭环控制系统：可以将控制的结果反馈回来与希望值比较，并根据它们的误差调整控制作用的系统 举例：调节水龙头——首先在头脑中对水流有一个期望的流量，水龙头打开后由眼睛观察现有的流量大小与期望值进行比较，并不断的用手进行调节形成一个反馈闭环控制；骑自行车——同理，不断的修正行进的方向与速度形成闭环控制。 开环闭环的区别：1、有无反馈；2、是否对当前控制起作用。开环控制一般是在瞬间就完成的控制活动，闭环控制一定会持续一定的时间，可以借此判断， 投篮第一次投篮投近了第二次投的时候用力一些，这也是一种反馈但不会对第一次产生影响了，所以是开环控制】 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。 【所谓时序，就是内存的时钟周期数值，脉冲信号经过上升再下降，到下一次上升之前叫做一个时钟周期，随着内存频率提升，这个周期会变短。例如CL9的意思就是CL这个操作的时间是9个时钟周期。 时序电路，是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回路（输出到输入）或器件组合而成的电路，与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。 如触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、存储器等电路都是时序电路的典型器件，时序逻辑电路的状态是由存储电路来记忆和表示的。虽然组合逻辑电路能够很好地处理像加、减等这样的操作，但是要单独使用组合逻辑电路，使操作按照一定的顺序执行，需要串联起许多组合逻辑电路，而要通过硬件实现这种电路代价是很大的，并且灵活性也很差。为了实现一种有效而且灵活的操作序列，我们需要构造一种能够存储各种操作之间的信息的电路，我们称这种电路为时序电路。】 【步进电机、直流电机和无刷直流电机的主要区别在于他们的驱动方式。步进电机是以步阶方式分段移动，直流电机和无刷直流电机通常采用连续移动的控制方式。步进电机采用直接控制方式，它的主要命令和控制变量都是步阶位置。直流电机则是以电机电压为控制变量，以位置或速度为命令变量。 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。 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 （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。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 S 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。 力矩=力*半径 一．方案设计 本设计采用电压为DC12V的四相八拍步进电机35BYJ46型电机，用ULN2803作为步进电动机驱动电路主芯片，以8255A作为8088并行输出接口，8088对步进电机的控制信号则通过8255A送到ULN2803. 关于转向与转速，通过查表的方式实现，以逐次递增方向查表，依次输出表中数据，则步进电机正转；以逐次递减方向查表，则步进电机反转，即通过一个表实现步进电机的正转与反转。转速则通过调用延时子程序，当调用延时较长的子程序时，则步进电机转速慢，当调用延时较短的子程序时，步进电机转速加快。 二、硬件系统的基本原理 在工业控制系统里步进电动机是主要的控制元件之一。步进电机具有快速启动停止，精确定位和能够使用数字信号进行控制，能够实现脉冲-角度转换的特点，因此得到广泛的应用。在使用步进电机的控制系统里，脉冲分配器产生周期的控制脉冲序列，步进电机驱动器每接收一个脉冲就控制步进电机沿给定方向步进一步。 实验使用型号为35BYJ46的四相步进电机，采用四相八拍控制方式工作。步进电机的转角和转动方向取决于各相中通电脉冲的个数和顺序。8088控制机控制步进电机的电路见图1-1。计算机将表1－1所示的各种通电方式转换成相应的状态控制字，通过计算机将各种状态字依次送到接口电路，并根据速度的要求作相应的延时处理。由接口电路输出所需的控制脉冲通过驱动电路路使步进电机按要求动作。驱动电路使用ULN2803A达林顿晶体管，反相驱动，驱动电流可以达到500mA。驱动电路的作用是对控制脉冲进行放大，产生步进电机工作所需要的激励电流。 图1-1 步进电机控制实验原理图 35BYJ46型步进电机使用DC12V 电压，采用四相八拍控制相序。励磁线圈和励磁顺序如图1-2，控制相序如表1-1。表中的PB10～PB13对应并行接口8055的B 口0～3位。如果使用8255B 口的其它位则相应的状态字也要改变。 表1-1 步进电机四相八拍相序表 步 序 相 序 通电相 对应PB 口的输出值 （状态字） PB13 PB12 PB11 PB10 1 0 0 0 1 A 01H 2 0 0 1 1 AB 03H 3 0 0 1 0 B 02H 4 0 1 1 0 BC 06H 5 0 1 0 0 C 04H 6 1 1 0 0 CD 0CH 7 1 0 0 0 D 08H 8 1 0 1 DA 09H 1 2 3 4 5 6 7 8 5 + + + + + + + + 4 - - - 3 - - - 5 （黑） 4 （黄） 3 （棕） 2 （蓝） 1 （红） +12V A ’ B ’ C ’ D ’ A B C D PB0 PB1 PB2 PB3 8255 驱动单元 步进电动机 四相步进电机原理图 本文先介绍该步进电机的工作原理，然后介绍了其驱动器的软、硬件设计。 1. 步进电机的工作原理 该步进电机为一四相步进电机，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1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图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2.a、b、c 所示： a. 单四拍 b. 双 四 c八拍 图2.步进电机工作时序波形图 2.基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理 步进电机驱动器系统电路原理如图3： 图3 步进电机驱动器系统电路原理图 AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4~P1.7输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一相绕组。AT89C2051选用频率22MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。 图3中的RL1~RL4为绕组内阻，50Ω电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。D1~D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管（D1~D4）而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。 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。 四相步进电机驱动电路及驱动程序设计 我们用一个单片机控制多个步进电机指挥跳舞机器人的双肩、双肘和双脚伴着音乐做出各种协调舒缓充满感情的动作，荣获一等奖。电路采用74373锁存，74LS244和ULN2003作电压和电流驱动，单片机（Atc52）作脉冲序列信号发生器。程序设计基于中断服务和总线分时利用方式，实时更新各个电机的速度、方向。整个舞蹈由运动数据所决定的一截截动作无缝连接而成。本文主要介绍一下这个机器人的四相五线制步进电机驱动电路及程序设计. 1、步进电机简介 步进电机根据内部线圈个数不同分为二相制、三相制、四相制等。本文以四相制为例介绍其内部结构。图1为四相五线制步进电机内部结构示意图。 2、四相五线制步进电机的驱动电路 电路主要由单片机工作外围电路、信号锁存和放大电路组成。我们利用了单片机的I/O端口，通过74373锁存，由74LS244驱动，ULN2003对信号进行放大。8个电机共用4bit I/O端口作为数据总线，向电机传送步进脉冲。每个电机分配1bit的I/O端口用作74373锁存信号，锁存步进电机四相脉冲，经ULN2003放大到12V驱动电机运转。 电路原理图（部分）如图2所示。 （1）Intel 8051系列单片机是一种8位的嵌入式控制器，可寻址64K字节，共有32个可编程双向I/O口，分别称为P0～P3。该系列单片机上集成8K的ROM，128字节RAM可供使用。 （2）74LS244为三态控制芯片，目的是使单片机足以驱动ULN2003。 ULN2003是常用的达林顿管阵列，工作电压是12V，可以提供足够的电流以驱动步进电机。关于这些芯片的详细介绍可参见它们各自的数据手册。 （3）74373是电平控制锁存器，它可使多个步进电机共用一组数据总线。我们用P1.0～P1.7作为8个电机的锁存信号输出端，见表1。 这是一种基于总线分时复用的方式，以动态扫描的方式来发送控制信号，这和高级操作系统里的多任务进程调度的思想一致。这种方法明显的好处是节省I/O口，使系统可以控制更多的步进电机。本电路设计为控制8个。 3 、程序设计 传统的步进电机驱动程序利用简单的条件循环来发送脉冲序列，但当电机数目发生变化时，编程繁杂，冗余代码较多，难以做到信号占空比一致，进而产生“抖动” 现象。下面提出一种基于中断服务方式，面向舞蹈动作，可实时改变各个电机速度和方向（每200ms可改变一次）的程序设计方法。 3.1 速度归一化和线性关系 我们将速度量化成一个-128～127内可变的数，正号代表正转，负号代表返转，称之归一化速度（-128～127为一个字节）。给每个电机分 步进电机工作原理及功能运用 双击自动滚屏发布者：admin 发布时间：2012-02-18 03:06:33 阅读：495次【字体：大中小】步进电机的概术： 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组件，是目前行业设备的主要配件，如剥线机设备就需要用到此步进电机。 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。 单相步进电机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电机各项绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。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。 步进电机按旋转结构分两大类：1是圆型旋转电机如下图A 2直线型电机，结构就象一个圆型旋转电机被展开一样，如下图B 步进电机的别称 步进电机(stepping motor),步进电机(step motor)，或者是脉冲电机(pulse motor)，其它的如(stepper motor)等……有着各式各样的称呼方式，这些用日本话来表示的时候，就成为阶动电动机，还有，阶动就是一步一步阶段动作的意思，这各用另外一种语言来表示时，就是成为步进驱动的意思，总之，就是输入一个脉冲就会有一定的转角，分配转轴变位的电动机。 一、步进电机的特点 交直流电机控制课程设计 任务书 （09级） 步进电机控制 学生姓名沈滨彬 学号09143416 院系工学院机电系 专业自动化 指导教师叶军 填写日期2012-10-17 目录 1. 设计任务与要求 (3) 2．总体方案设计 (3) 2.1设计思路 (3) 2.2方案论证与比较 (3) 2.2.1驱动电路选择方案 (3) 2.2.2 显示模块选择方案 (3) 3 硬件设计 (4) 3.1 步进电机控制系统设计 (4) 3.2 5V稳压电路 (4) 3.3 电机驱动电路 (5) 3.4 人机交互界面 (6) 4 实物图 (7) 5.参考文献 (7) 6.致谢 (8) 7.元器件清单： (8) 附录一： (9) 1. 设计任务与要求 1.1、设计题目 步进电机控制 1.2、内容与要求 设计一步进电机控制系统，实现对电机的正转，反转和速度控制。 1.3、设计任务 1)画出系统原理图。 2）硬件电路设计及描述。 3）任选一种语言编写程序。 4）仿真实验。 5）编写设计说明书一份。 2．总体方案设计 2.1设计思路 本系统设计的步进电机控制系统，以单片机STC12C5A60S2为主控芯片，包括主控器、驱动电路以及人机交互界面。本设计主要通过单片机进行相序输出，经过ULN2803进行电流放大后驱动电机运行。。 2.2方案论证与比较 2.2.1驱动电路选择方案 方案一：采用mc3479，此芯片控制简单，可输出整步/半步相序，省去软件方面的很多麻烦，由于实验室暂无此元件，因此不选此方案。 方案二：采用ULN2803，此芯片主要是用来放大电流的，相对mc3479控制，比较麻烦，但价格便宜，身边正好有此元件因此采用此方案。 2.2.2 显示模块选择方案 方案一：采用SMS0801，驱动方便，但是无法显示中文，外观欠佳，因此不采用。 方案二：采用12864，可以显示中文文字、数字、英文字母等等，功能强大，故选择方案二。 2相四线，四相五线，四相六线步进电机接线及驱动方法 分类：单片机2010-07-18 09:24 5085人阅读评论(9) 收藏举报 步进电机原理 按照常理来说，步进电机接线要根据线的颜色来区分接线。但是不同公司生产的步进电机，线的颜色不一样。特别是国外的步进电机。 那么，步进电机接线应该用万用表打表。 步进电机内部构造如下图： 通过上图可知，A，~A是联通的，B和~B是联通。那么，A和~A是一组a，B和~B是一组b。 不管是两相四相，四相五线，四相六线步进电机。内部构造都是如此。至于究竟是四线，五线，还是六线。就要看A和~A之间，B和B~之间有没有公共端com抽线。如果a组和b组各自有一个com端，则该步进电机六线，如果a和b组的公共端连在一起，则是5线的。 所以，要弄清步进电机如何接线，只需把a组和b组分开。用万用表打。 四线：由于四线没有com公共抽线，所以，a和b组是绝对绝缘的，不连通的。所以，用万用表测，不连通的是一组。 五线：由于五线中，a和b组的公共端是连接在一起的。用万用表测，当发现有一根线和其他几根线的电阻是相当的，那么，这根线就是公共com端。对于驱动五线步进电机，公共com端不连接也是可以驱动步进电机的。 六线：a和b组的公共抽线com端是不连通的。同样，用万用表测电阻，发现其中一根线和其他两根线阻止是一样的，那么这根线是com端，另2根线就属于一组。对于驱动四相六线步进电机，两根公共com端不接先也可以驱动该步进电机的。 步进电机相关概念 相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的） 静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 步进电机驱动 驱动步进电机，无非是给电机a和b组先轮流给连续的脉冲，步进电机就可以驱动了。 步进电机驱动码： 两相步进电机驱动器工作原理 1. 步进电机的工作原理 该步进电机为一四相步进电机，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1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图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2.a、b、c所示：图2.步进电机工作时序波形图 2.基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理 图3 步进电机驱动器系统电路原理图 A T89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4～P1.7输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一相绕组。A T89C2051选用频率22MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。 图3中的RL1～RL4为绕组内阻，50Ω电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。D1～D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管(D1～D4)而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。 在50Ω外接电阻上并联一个200μF电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200Ω电阻可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。 3.软件设计 该驱动器根据拨码开关KX、KY的不同组合有三种工作方式供选择： 方式1为中断方式：P3.5(INT1)为步进脉冲输入端，P3.7为正反转脉冲输入端。上位机(PC机或单片机)与驱动器仅以2条线相连。 方式2为串行通讯方式：上位机(PC机或单片机)将控制命令发送给驱动器，驱动器根据控制命令自行完成有关控制过程。 上海昀研自动化科技有限公司自2004年起致力于三相混合式步进电机及驱动器的开发，42系列低压三相混合式步进电机，57系列低压、高压三相混合式步进电机，86系列低压、高压三相混合式步进电机，110、130系列高压三相混合式步进电机，YK3605MA，TK3411MA，YK3822MA，YKA3722MA等多款产品已成功应用于市场。 上海昀研自动化科技有限公司生产的三相混合式步进电机采用交流伺服原理工作，转子和定子的直径比高达50%，高速时工作扭矩大，低速时运行极其平稳，几乎无共振区。其配套驱动器YK3822MA具有单相220V/50Hz输入，三相正弦输出，输出电流可设置，具有十细分和半流额定值60%功能；控制方式灵活，有“脉冲+方向控制”，也有“正转脉冲+反转脉冲”控制方式；有过热保护功能，因此使用起来十分的方便。 1．前言 步进电机是一种开环伺服运动系统执行元件，以脉冲方式进行控制，输出角位移。与交流伺服电机及直流伺服电机相比，其突出优点就是价格低廉，并且无积累误差。但是，步进电机运行存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高等，又严重制约了步进电机的应用范围。步进电机的运行性能与它的驱动器有密切的联系，可以通过驱动技术的改进来克服步进电机的缺点。相对于其他的驱动方式，细分驱动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使电机运行更加平稳均匀。总体来说，细分驱动的控制效果最好。因为常用低端步进电机伺服系统没有编码器反馈，所以随着电机速度的升高其内部控制电流相应减小，从而造成丢步现象。所以在速度和精度要求不高的领域，其应用非常广泛。 因为三相混合式步进电机比二相步进电机有更好的低速平稳性及输出力矩，所以三相混合式步进电机比二相步进电机有更好应用前景。传统的三相混合式步进电机控制方法都是以硬件比较器完成，本文主要讲述使用DSP及空间矢量算法SVPWM来实现三相混合式步进电机控制。 2．细分原理 步进电机的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的定子绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。最佳的细分方式是恒转矩等步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量的之间的夹角大小决定了步距角的大小。在电机内产生接近均匀的圆形旋转磁场，各相绕组的合成磁场矢量，即各相绕组电流的合成矢量应在空间作幅值恒定的旋转运动，这就需要在各相绕相中通以正弦电流。 三相混合式步进电机的工作原理十分类似于交流永磁同步伺服电机。其转子上所用永磁磁铁同样是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在转子上产生的感应电流对转子磁场的影响可忽略不计。在结构上，它相当于一种多极对数的交流永磁同步电机。由于输入是三相正弦电流，因此产生的空间磁场呈圆形分布，而且可以用永磁式同步电机的结构模型（图1）分析三相混合式步进电机的转矩特性。为便于分析，可做如下假设： a.电机定子三相绕组完全对称； b.磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计； c.激磁电流无动态响应过程。 51单片机控制四相步进电机 2009年07月21日星期二 12:44 51单片机控制四相步进电机 2009-03-01 18:53 接触单片机快两年了，不过只是非常业余的兴趣，实践却不多，到现在还算是个初学者吧。这几天给自己的任务就是搞定步进电机的单片机控制。以前曾看过有关步进电机原理和控制的资料，毕竟自己没有做过，对其具体原理还不是很清楚。今天从淘宝网买了一个EPSON的UMX-1型步进电机，此步进电机为双极性四相，接线共有六根，外形如下 图所示： 详细内容： https://www.doczj.com/doc/c2532769.html,/31907887_d.h tml 拿到步进电机，根据以前看书对四相步进电机的了解，我对它进行了初步的测试，就是将5伏电源的正端接上最边上两根褐色的线，然后用5伏电源的地线分别和另外四根线（红、兰、白、橙）依次接触，发现每接触一下，步进电机便转动一个角度，来回五次，电机刚好转一圈，说明此步进电机的步进角度为360/(4×5)＝18度。地线与四线接触的顺序相反，电机的转向也相反。 如果用单片机来控制此步进电机，则只需分别依次给四线一定时间的脉冲电流，电机便可连续转动起来。通过改变脉冲电流的时间间隔，就可以实现对转速的控制；通过改变给四 线脉冲电流的顺序，则可实现对转向的控制。所以，设计了如下电路图： C51程序代码为： 代码一 #include 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 1 引言 在工业控制系统里步进电动机是主要的控制元件之一。步进电机具有快速启动停止，精确定位和能够使用数字信号进行控制，能够实现脉冲-角度转换的特点，因此得到广泛的应用。在使用步进电机的控制系统里，脉冲分配器产生周期的控制脉冲序列，步进电机驱动器每接收一个脉冲就控制步进电机沿给定方向步进一步。 本实验旨在通过控制AT89S52芯片，实现对四相步进电机的转动控制。具体功能主要是控制电机正转、反转、加速与减速。 具体工作过程是：给试验箱上电后，拨动启动开关，步进电机按照预先设置的转速和转动方式转动。调整正反转按钮，步进电机实现正反转切换；拨动加速开关，步进电机转速加快，速度达到最大值，不再加速；拨动减速开关时，电机减速转动，速度减到最小速度，停止减速。 2 四相步进机 2.I 步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。 2.2 步进电机的控制 1.换相顺序控制：通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：混合式步进电机 的工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。 2.控制步进电机的转向控制：如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正 转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 3.控制步进电机的速度控制：如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步， 再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。 2.3 步进电机的工作过程 图2.1步进电机设计图 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。 八拍工作方式的电源通电时序与波形如图所示：四相八拍步进电机调速
五线四相步进电机简介
步进电机的工作原理其原理图
A步进电机四相八拍
(整理)四相步进电机原理图.
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步进电机工作原理及功能运用
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