第7章 步进电机

两相四线励磁式步进电机工作原理本章将介绍在嵌入式平台UP－NETARM2410－S中步进电机的实现;步进电机在各个领域诸如机器人、智能控制、工业控制等方面都有着广泛的应用空间,本章着重介绍步进电机的工作原理及编程实现步进电机驱动的方法,主要内容如下：l 步进电机的概述l 步进电机的工作原理l 和微处理器的总线连接方式l 驱动程序的编程l Linux 下用软件的方法实现步进电机的脉冲分配,用软件的方法代替硬件的脉冲分配器1．步进电机概述步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,它实际上是一种单相或多相同步电动机;单相步进电动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;多相步进电动机有多相方波脉冲驱动,用途很广;使用多相步进电动机时,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动机各相绕组;每输入一个脉冲到脉冲分配器,电动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;步进电机的特性步进电机转动使用的是脉冲信号,而脉冲是数字信号,这恰是计算机所擅长处理的数据类型;从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路,今天,在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中,步进电机都是不可缺少的组成部分之一;总体上说,步进电机有如下优点：1．不需要反馈,控制简单;2．与微机的连接、速度控制启动、停止和反转及驱动电路的设计比较简单; 3．没有角累积误差;4．停止时也可保持转距;5．没有转向器等机械部分,不需要保养,故造价较低;6．即使没有传感器,也能精确定位;7．根椐给定的脉冲周期,能够以任意速度转__________动;但是,这种电机也有自身的缺点;8．难以获得较大的转矩9、不宜用作高速转动10．在体积重量方面没有优势,能源利用率低;11．超过负载时会破坏同步,速工作时会发出振动和噪声;步进电机的种类目前常用的步进电机有三类：1、反应式步进电动机VR;采用高导磁材料构成齿状转子和定子,其结构简单,生产成本低,步距角可以做的相当小,但动态性能相对较差;2、永磁式步进电动机PM;转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁,在其外侧配置齿状定子;用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动,转动步的角度一般是;它的出力大,动态性能好；但步距角一般比较大;3、混合步进电动机HB;这是PM 和VR的复合产品,其转子采用齿状的稀土永磁材料,定子则为齿状的突起结构;此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点,步距角小, 出力大,动态性能好,是性能较好的一类步进电动机,在计算机相关的设备中多用此类电机;2、步进电机的工作原理现以反应式三相步进电机为例说明其工作原理;三相步进电机的定子铁心上有六个形状相同的大齿,相邻两个大齿之间的夹角为60 度;每个大齿上都套有一个线圈,径向相对的两个线圈串联起来成为一相绕组;各个大齿的内表面上又有若干个均匀分布的小齿;转子是一个圆柱形铁心,外表面上圆周方向均匀的布满了小齿;转子小齿的齿距是和定子相同的;设计时应使转子齿数能被二整除;但某一相绕组通电,而转子可自由旋转时,该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近的转子小齿,使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置,而其它两相的各个大齿下的小齿必定和转子的小齿分别错开正负1/3 的齿距,形成“齿错位”,从而形成电磁引力使电动机连续的____苔K_转动下去;和反应式步进电动机不同,永磁式步进电动机的绕组电流要求正,反向流动,故驱动电路一般要做成双极性驱动;混合式步进电动机的绕组电流也要求正,反向流动,故驱动电路通常也要做成双极性;、步进电机的励磁方式步进电机有2相、4相和5相电机;在4相电机中有4组线圈,若电流按顺序通过线圈则使电机产生转动;2相电机中有2 组线圈;从图可以发现,在各线圈中引出中间端子,因此若以中间端子为基准即可实现4相,称这4为A、B、C、D 的励磁相;本实验使用的就是这种方式的4相电机,而励磁方式中有1 相单向励磁、2 相双向励磁和1－2 相单－双向励磁方式;此外,如果转动的方向不正确,可以交替1、2端子或3、4号端子1. 1相励磁方式按ABCD的顺序总是仅有一个励磁相有电流通过,因此,对应1个脉冲信号电机只会转动一步,这使电机只能产生很小的转矩并会产生振动,故很少使用;A B C DT1 1 0 0 0T2 0 1 0 0T3 0 0 1 0T4 0 0 0 1图－T4表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相,1表示此时有一个脉冲,0表示没有2. 2相励磁方式按AB、BC、CD、DA的方式总是只有2相励磁,通过的电流是1相励磁时通过电流的2倍,转矩也是1相励磁的2 倍;此时电机的振动较小且应答频率升高,目前仍广泛使用此种方式;A B C DT1 1 1 0 0T2 0 1 1 0T3 0 0 1 1T4 1 0 0 1图－T4表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相,1表示此时有一个脉冲,0表示没有脉冲3. 1－2相励磁方式即实验中所有的励磁方式,它按A、AB、B、BC、C、CD、D、DA的顺序交替进行线圈的励磁;与前述的2个线圈励磁方式相比,电机的转速是原来的1/2,应答频率范围变为原来的2倍;转子以滑动的方式转动;A B C DT1 1 0 0 0T2 1 1 0 0T3 0 1 0 0T4 0 1 1 0T5 0 0 1 0T6 0 0 1 1T7 0 0 0 1T8 1 0 0 1图－T8表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相,1表示此时有一个脉冲,0表示没有脉冲3．与微处理器的连接方式步进电机并不是直接与CPU相连的;由于开发板上外部设备很多,各功能模块与微处理器的连接方式有专用线路,局部总线与扩展总线;局部总线与扩展总线局部总线与微处理器直接相连,扩展总线通过一个总线控制器74LVCH6245与局部总线相连;从CPU 出来的数据、地址、读写控制等信号构成局部总线;NAND FLASH、SDRAM和网卡芯片AX88796 直接挂在局部总线上的;局部总线经过四片74LVCH16245 驱动后作为扩展总线引到其他外设以及168Pin 扩展槽;由于数据线是双向的,所以16245芯片必须有方向控制信号,这里采用经过隔离后的写控制信号OE 作为数据线所在16245 芯片的方向控制线;当OE 有效时16245 芯片把扩展总线上的数据传输到局部总线上；当OE无效时反之;另外,必须注意,当系统对局部总线上的芯片读数据时OE 一样会起作用,这样就必须对局部总线和扩展总线进行总线仲裁,这里是外设所具有的四个片选信号nGCS1、3、4、5 用74HC21 相与后作为数据线所在的16245 芯片的输出使能控制线,只有当系统对扩展总线读操作,也就是上述四个片选之一有效时,16245 才能对局部总线输出数据,否则无论OE 如何都呈现高阻态;如下图：注：LDATA表示局部总线的数据线；DATA表示扩展总线的数据线;74LVCH16425芯片共有四块,限于篇幅仅举一片为例,其它三片芯片,一片用于数据线的低位连接,两片用于地址线的连接;注：由于片选线使用的负逻辑电平有效,所有此处用的是与门芯片74HC573扩展总线连接在芯片74HC573上,扩展总线的DATA0－DATA7分别接在74HC573的八个数据输入端上;74HC573芯片是由8个三态门组成的寄存器,它起到暂时保存信息和隔离总线的作用;芯片的输出I\O0—I\O3用于D\A数模转换,I\O4—I\O7用于步进电机的控制;描述：这个芯片采用的是八进位的D触发器,它可以驱动电容式或电阻式的负载;因此它特别适合应用于缓冲寄存器、IO端口、双向的总线控制器、和操作寄存器;当寄存器的使能端LE为高电平时,Q输出端和________D输入端一一对应；当LE为低电平时,输出端管脚Q输出的是寄存器中已被设定的值;当一个能开启缓冲功能的负逻辑管脚OE为0时,无论是在正常逻辑状态还是在高阻抗状态下,都能放置八位的输出数据;在高阻抗状态下;输出并没有负载或者进行控制总线;高阻态和改进的总线驱动可以在不拉起元件的情况下控制总线传输;OE端并不影响寄存器内部的操作;当输出端呈高阻状态时旧的数据可以被保存或者新的数据进行输入;步进电机模块的驱动电路74HC573芯片的输出I\O4—I\O7用于用来驱动步进电机的转动;数据线要首先接在步进电机模块的一个接口上;接口对信号进行放大,使之能够驱动步进电机;放大后的信号就可以直接的来使步进电路进行工作了;、开发板中的步进电机本开发板中使用的步进电机为四相步进电机;转子小齿数为64;系统中采用四路I/O 进行并行控制,ARM 控制器直接发出多相脉冲信号,在通过功率放大后,进入步进电机的各相绕组;这样就不再需要脉冲分配器;脉冲分配器的功能可以由纯软件的方法实现如上图所示;四相步距电机的控制方法有四相单四拍,四相单、双八拍和四相双四拍三种控制方式;步距角的计算公式为：θb＝3600／mC k其中：m 为相数,控制方法是四相单四拍和四相双四拍时C 为1,控制方法是四相单、双八拍时C 为2,Z k 为转子小齿数;本系统中采用的是四相单、双八拍控制方法,所以步距角为360°/512;但步进电机经过一个1/8 的减速器引出,实际的步距角应为360°/512/8;开发平台中使用EXI/O 的高四位控制四相步进电机的四个相;按照四相单、双八拍控制方法,电机正转时的控制顺序为A→AB→B→BC→C→CD→D →DA;EXI/O 的高四位的值参见下表：十六进制二进制通电状态1H 0001 A3H 0011 AB2H 0010 B6H 0110 BC4H 0100 CCH 1100 CD8H 1000 D9H 1001 DA表5. 电机正转时,EXIO的高四位的值反转时,只要将控制信号按相反的顺序给出即可;可以通过宏SETEXIOBITMASKbit,mask来设置扩展I/O 口,其中mask 参数为0xf0;本实验使作的是1－2相励磁方式,还可以使用1相励磁方式和2相励磁方式;1相励磁方式的顺序是ABCD,因此只要设置数组char stepdata={0x10,0x20,0x40,0x80} 即可2相励磁方式的顺序是AB,BC,CD,DA, 因此只要设置数组char stepdata={0x30,0x60,0xc0,0x90} 即可要实现电机的反转,只需将上面数组的值按相反的顺序排列即可4、驱动程序的编程驱动程序采用C语言进行编程,下面是驱动程序中几个重要的函数;static int do_stepmotor_runchar phase //通过调用这个函数使步进电机转起来{unsigned int bak; //变量bak用于存放从寄存器中读出的值bak = readws3c2410_exio_base; //调用内核函数将基地址为s3c2410_exio_base寄存//器的值读出并放在bak中DPRINTK_STEP"s3c2410_exio_base content is %x\n", bak; //调试输出语句tiny_delay5; //延时函数,有延时功能bitops_mask_bitphase, 0xf0, &bak;//清除4－8位然后再设置phase传进来的位也是4－8位DPRINTK_STEP"s3c2410_exio_base content is%x\n", bak; //调试输出语句tiny_delay5;writewbak, s3c2410_exio_base; //调用内核函数将bak的值写入相应的寄存器中bak = readws3c2410_exio_base; //再次将寄存器的值读出DPRINTK_STEP"s3c2410_exio_base content is %x\n", bak;//利用调试语句再次将修改后的寄存器中的值输出,以验证其正确性tiny_delay5;DPRINTK_STEP"\n";return 0;}驱动程序主要通过上面这个函数来使步进电机转动;控制电机的是一个寄存器地址是s3c2410_exio_base=0x08000100,只要给它适当的值电机就可以运动起来;这个函数通过传递变量phase从应用程序获得数据;然后使用函数readw把寄存器的值就读出并送给bak；通过函数bitops_mask_bit修改bak的值；最后由writew写回到寄存器中;5、应用程序的编程1、步进电机模块步进电机模块和DA 模块是使用Bank1 地址空间扩展出来的IO口;共同使用驱动;在驱动程序中,与步进电机相关的主要在函数s3c2410_exio_ioctl：2、对应的应用源程序include <>include <>include <>include <sys/>define STEPMOTOR_IOCTRL_PHASE 0x13static int step_fd = -1;char STEP_DEV="/dev/exio/0raw"; //定义一个指针指向步进电机的驱动程序/ A, AB, B, BC, C CD, D, DA /char stepdata={0x10,0x30,0x20,0x60,0x40,0xc0,0x80,0x90};//各个相位对应的值void Delayint t //延时函数{int i;for;t>0;t--fori=0;i<400;i++;}//int mainint argc, char argv{int i = 0;ifstep_fd=openSTEP_DEV, O_WRONLY<0{printf"Error opening /dev/exio/0raw device\n";return 1;}/打开设备的驱动程序,由于LINUX把所有的设备都模拟成文件;step_fd=openSTEP_DEV,0_WRONLY实际调用的函数为：static int s3c2410_exio_openstruct inode inode, struct file filp //驱动程序中的设备打开程序/for ;; {for i=0; i<sizeofstepdata/sizeofstepdata0; i++ {ioctlstep_fd, STEPMOTOR_IOCTRL_PHASE,stepdatai;}/程序进入一个死循环,这样可以使电机在没有人为停止的状况下,一直的转动下去;第二层for语句循环一次即电机转动一周;函数ioctl对应函数s3c2410_exio_ioctl而这个函数最终将调用函数do_stepmotor_runchararg;使步进电机转动起来;/printf"Delay100\n";Delay100;}closestep_fd; //程序结束时关闭设备printf"Step motor start running\n";return 0;}__。

A,B,C,D相的通断。
1
步进电机的控制
(2)控制步进电机的转向 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 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。调整单片机发出的脉冲频率， 就可以对步进电机进行调速。
目 录
1
2
步距角和静态步距误差 最大静转矩 矩频特性 起动频率和连续运行频率
11
3 4
1
步距角和静态步距误差
步距角也称为步距，是指步进电动机改变一次通电方式转子转过的角度。步 距角与定子绕组的相数、转子的齿数和通电方式有关。
2
最大静转矩
步进电动机的静特性，是指步进电动机在稳定状态（即步进电动机处于通电 状态不变，转子保持不动的定位状态）时的特性，包括静转矩、矩角特性及静 态稳定区。静转矩是指步进电动机处于稳定状态下的电磁转矩。
步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM） 和混合式步进电机（简称HB）。
1
步进电机的控制
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原 理作用如下： (1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方
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
混合式步进电机（简称HB）。
1
打印机中步进电机的常见故障排查
打印机步进电机的制造精度较高，其故障主要表现为不进纸。判断该类电机 是否损坏，可采用以下方法： 1. 根据步进电机上所标注的阻值测量其电阻。 2. 测量时可先用万用表将引线分为两组(各引线相通的为一组)，再用测电阻 的方法找出每一组的中心抽头端，中心端应对其他两端等电阻且与标注电阻值相 符。 3. 用步进电机上所标注的电源电压(或电路中电机的工作电压)进行试验。 4. 有的步进电机具有两个相同的绕组，但无中心抽头端。

《数控技术及应用》第一章绪论（一）数控技术的产生及其应用领域开环控制系统用于经济型数控机床上。

数控机床加工依赖于各种数字化信息。

绕X轴旋转的回转运动坐标轴是A轴。

（二）数控机床的分类、组成、及各部分的作用（三）数字控制系统的分类、组成其工作原理对步进电机施加一个电脉冲信号，步进电机就回转一个固定的角度，这个角度叫做步距角，电机的总角位移和输入脉冲的数量成正比，而电机的转速则正比于输入脉冲的频率。

数控系统所规定的最小设定单位就是脉冲当量。

数控机床的种类很多，如果按加工轨迹分则可分为点位控制、直线控制和连续控制。

根据控制运动方式的不同，机床数控系统可分为点位数控系统和连续数控系统。

点位控制的特点是，可以以任意途径达到要计算的点，因为在定位过程中不进行加工。

（四）数控技术的发展趋势及其与现代制造系统的关系第二章数控加工程序的编制1.数控机床的机床坐标系与工件坐标系的含义是什么?答：机床坐标系是机床上固有的坐标系。

一般利用机床机械结构的基准来确定，在说明书中均有规定。

工件坐标系是在编程时使用，由编程人员在工件上指定某一个点作为原点，并在其上建立工件坐标系。

工件坐标系的原点在机床坐标系中称为调整点，它的选择应使工件上最大尺寸能加工出来。

数控机床上有一个机械原点，该点到机床坐标零点在进给坐标轴方向上的距离可以在机床出厂时设定，该点称机床参考点。

（一）数控机床程序编制的目的、步骤和方法数控加工程序的编制方法主要有手工编程和自动编程两类。

（二）工件加工程序的格式和代码G代码可以分为模态G代码和非模态G代码，非模态指令只能在本程序段内有效。

数控编程中，主轴功能字S指定的是主轴每分钟转速（r/min）。

进给功能字F常用mm/min或mm/r单位。

（三）手工编程方法通常在命名或编程时，不论何种机床，都一律假定工件静止刀具移动。

确定数控机床坐标轴时，一般应先确定Z轴。

数控铣床的默认加工平面是XY平面。

数控机床的标准坐标系是以右手直角笛卡尔坐标系来确定的。

（小于反力），衔铁在释放弹簧作用下打开，主、辅触点又恢复到原来状态。
2.简述什么是伺服电动机
答： 依靠电枢电流与气隙磁通的作用产生电磁转矩，是伺服电动机转动。通常采用电枢控制方式，
即在保持励磁电压不变的条件下，通过改变电枢电压来调节转速。电枢电压越小，则转速越低；电
枢电压为零时，电动机停转。由于电枢电压为零时电枢电流也为零，电动机不产生电磁转矩，不会
即
,
' = ℰ*ℇ
min =
-./
因为
= −
所以
= −
*
− = ( * − * * )( − )
= * − * − * * + * *
= * − 2 * * + * *
硬气的系统动态性能下降，可以提高系统稳定性③比例微分控制在提高了系统动态性能
2.针对某连续被控对象，简述其经典 PID 控制器的微分方程与对应的传递函数。
答： （把公式中变量的定义写出来）
微分方程：
u = > +
1
/
+ B
()

传递函数：
D =
四、看图填空
5.模糊集合中每一个元素被赋予一个表征该元素属于模糊集合的隶属度。
6.引入隶属度之后，将人们对事物认识的模糊性转化为语义解释确定的主观性。
7.模糊控制以模糊数学为基础，运用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行决策
的一种高级计算机控制策略。
二、判断题
1.从控制原理的角度，PID 调节器是参数可以调整的 PID 控制器。（对）
5.伺服电动机和步进电动机是最常用的控制电机。