步進電機的工作原理及其控制步進電機的工作原理及其控制1一步進電機的機構二步進電機的工作原理三步進電機控制系統原理四脈沖產生與方向控制五控制接口與程序設計概覽一步進電機的機構二步進電機的工作原理三步進電機控制系統原理四2一、步進電機的結構步進電機外形結構常見步進電機外形構造

一、步進電機的結構步進電機外形結構常見步進電機外形構造3步進電機內部結構步進電機內部結構4步進電機的工作原理及其控制課件5舉例——單段反應式步進電機的內部結構反應式步進電機的內部結構橫剖面示意圖

轉子定子繞組定子磁極舉例——單段反應式步進電機的內部結構反應式步進電機的內部結構6步進電機分類通常按勵磁方式分為三大類：1）反應式：轉子為軟磁材料，無繞組，定、轉子開小齒、步距小。應用最廣。2）永磁式：轉子為永磁材料，轉子的極數=每相定子極數，不開小齒，步距角較大，力矩較大3）感應子式(混合式)：轉子為永磁式、兩段，開小齒，混合反應式與永磁式優點：轉矩大、動態性能好、步距角小。但結構復雜，成本較高。下面以單段反應式步進電機為例來介紹步進電機的工作原理步進電機分類通常按勵磁方式分為三大類：下面以單段反應式步進電7二、步進電機的工作原理圖4—40步進電機原理圖（P143）二、步進電機的工作原理圖4—40步進電機原理圖（P143）8步距角定義：

步進電機的定子繞組每改變一次通電狀態，轉子轉過的角度稱步距角。?轉子齒數越多，步距角越小?定子相數越多，步距角越小?通電方式的節拍越多，步距角越小式中：m－定子相數

Z－轉子齒數

C－通電方式

C=1單相輪流通電、雙相輪流通電方式

C=2單、雙相輪流通電方式計算公式：步距角定義：式中：m－定子相數9常用步進電機的步距角常用步進電機的步距角常用步進電機的定子繞組多數是三相和五相,與此相匹配的轉子齒數分別為40齒和48齒，即有三相步進電機：五相步進電機：常用步進電機的步距角常用步進電機的步距角10單相輪流通電（M相單M拍）

順時針輪回A→B→C→A

逆時針輪回A→C→B→A

雙相輪流通電（M相雙M拍）

順時針輪回AB→BC→CA→AB

逆時針輪回BA→AC→CB→BA單雙相輪流通電（M相2M拍）

順時針輪回A→AB→B→BC→C→CA→A

逆時針輪回A→AC→C→CB→B→BA→A單段反應式步進電機的工作原理

——定子的通電方式

單相輪流通電（M相單M拍）單段反應式步進電機的工作原理—11單段反應式步進電機的工作原理

——兩轉子齒定子通電順序：

A→B→C→A轉子旋轉方向：

順時針步距角：

單段反應式步進電機的工作原理

——兩轉子齒定子通電順序：12單段反應式步進電機的工作原理

——兩轉子齒定子通電順序:

A→C→B→A轉子旋轉方向：

逆時針步距角：

單段反應式步進電機的工作原理——兩轉子齒定子通電順序:13單段反應式步進電機的工作原理

——兩轉子齒定子通電順序：

AB→BC→CA→AB轉子旋轉方向：

順時針步距角：

單段反應式步進電機的工作原理——兩轉子齒定子通電順序：14單段反應式步進電機的工作原理

——兩轉子齒定子通電順序：

BA→AC→CB→BA轉子旋轉方向：

逆時針步距角：

單段反應式步進電機的工作原理——兩轉子齒定子通電順序：15單段反應式步進電機的工作原理

——兩轉子齒定子通電順序：

A→AB→B→BC→C→CA→A轉子旋轉方向：順時針步距角：單段反應式步進電機的工作原理——兩轉子齒定子通電順序：16單段反應式步進電機的工作原理

——兩轉子齒定子通電順序：

A→AC→C→CB→B→BA→A

轉子旋轉方向：逆時針步距角：單段反應式步進電機的工作原理——兩轉子齒定子通電順序：17單段反應式步進電機的工作原理

——四轉子齒定子通電順序：

A→B→C→A轉子旋轉方向：

逆時針步距角：

單段反應式步進電機的工作原理——四轉子齒定子通電順序：18單段反應式步進電機的工作原理

——四轉子齒定子通電順序:

A→C→B→A轉子旋轉方向：

順時針步距角：

單段反應式步進電機的工作原理——四轉子齒定子通電順序:19單段反應式步進電機的工作原理

——四轉子齒定子通電順序：

AB→BC→CA→AB轉子旋轉方向：

逆時針步距角：

單段反應式步進電機的工作原理——四轉子齒定子通電順序：20單段反應式步進電機的工作原理

——四轉子齒定子通電順序：

BA→AC→CB→BA轉子旋轉方向：

順時針步距角：

單段反應式步進電機的工作原理——四轉子齒定子通電順序：21單段反應式步進電機的工作原理

——四轉子齒定子通電順序：

A→AB→B→BC→C→CA→A轉子旋轉方向：逆時針步距角：單段反應式步進電機的工作原理——四轉子齒定子通電順序：22單段反應式步進電機的工作原理

——四轉子齒定子通電順序：

A→AC→C→CB→B→BA→A

轉子旋轉方向：順時針步距角：單段反應式步進電機的工作原理——四轉子齒定子通電順序：23轉子轉動的原因分析步進電機的實際結構轉子轉動的原因分析步進電機的實際結構24轉子轉動的原因分析步進電機的轉子上沒有繞組，而是由40個矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩齒之間的夾角為9度。當某相繞組通電時，對應的磁極就會產生磁場，并與轉子形成磁路。若此時定子的小齒與轉子的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉子轉動一定的角度，使轉子齒和定子齒對齊。由此可見，錯齒是促使步進電機旋轉的根本原因。例如，在單三拍控制方式中，假如A相同點，B、C相不通電，在磁場的作用下使轉子齒和A相的定子齒對齊。若以此為初始狀態，設與A相磁極中心對齊的轉子齒為0號齒，由于B相磁極與A相磁極相差120°，且120°/9°=13不為整數，所以，此時轉子齒不能與B相定子齒對齊，只是13號小齒靠近B相磁極的中心線，與中心線相差3°，如果此時突然變為B相通電，而A、C兩相不通電，則B相磁極迫使13號轉子齒與之對齊，整個轉子就轉動3°，此時，稱電機走了一步。同理，我們按照A→B→C→A順序通電一周，則轉子轉動9°。轉子轉動的原因分析步進電機的轉子上沒25三、步進電機控制系統原理圖4—41步進電機控制系統的組成（P144）根據實現脈沖分配的方式可分為硬件控制和軟件控制（1）由硬件完成脈沖分配的系統三、步進電機控制系統原理圖4—41步進電機控制系統的組成（P26步進電機控制系統原理步進電機控制器包括：緩沖寄存器、環形分配器、控制邏輯及正、反轉向控制門等作用：把輸入的脈沖轉換成環形脈沖，以控制步進電機運行及轉向功率放大器：把環形脈沖放大，以驅動步進電機轉動何為環形分配器？步進電機控制系統原理步進電機控制器27環形分配器

將插補器的單序列脈沖轉換為步進電機需要的多序列脈沖的裝置叫環形分配器。環行分配器可以由硬件構成也可以由軟件構成。環形分配器將插補器的單序列脈沖轉換為步進電機需28環形分配器工作原理

硬件環行分配器的基本構成是觸發器。因為步進電機有幾相就需要幾個序列脈沖，所以步進電機有幾相，就要設置幾個觸發器。每個觸發器發出的脈沖就是一個序列脈沖，用來控制步進電機某相定子繞組的通、斷電。

觸發器工作的同步信號就是來自插補器的某個坐標軸的位移驅動信號Δx或Δy。環形分配器工作原理硬件環行分配器的基29環形分配器工作原理三相單三拍工作方式：A→B→C→A當QA有輸出ΔA，就使步進電機的A相通電，當QB有輸出ΔB，就使步進電機的B相通電，當QC有輸出ΔC，就使步進電機的C相通電。輸出波形如下：環形分配器工作原理三相單三拍工作方式：A→B→C→A30環形分配器工作原理

如果用D觸發器,則觸發器的輸入端就是D端，它的信號也取自觸發器本身，不過這中間還要加一定的外接無源電路。

觸發器的輸出和輸入通過一定的外電路連接在一起，構成一個封閉的整體環形電路，只要有ΔX這個單序列脈沖它就能連續不斷地輸出ΔA、ΔB、ΔC，這就是我們把它稱為環行分配器的道理。即環形就是觸發器的輸入由其輸出連接，分配就是根據步進電機定子繞組的通電順序要求對Δx的序列脈沖進行再分配。所以也常直接稱其為脈沖分配器。環形分配器工作原理如果用D觸發器,31硬件控制在這種形式里，脈沖分配器（CH250）、驅動電路有硬件完成。單片機只提供步進脈沖和正、反轉控制信號、步進脈沖的產生和停止、步進脈沖的頻率和個數都可以用軟件控制。硬件控制在這種形式里，脈沖分配器（C32脈沖分配器中由門電路和雙穩態觸發器組成的邏輯電路，它根據指令把脈沖信號按一定的邏輯關系加在脈沖放大器上，使步進電機按確定的運行方式工作。下面著重介紹CH250喚環形脈沖分配器。CH 250環形脈沖分配器是三相步進電動機的理想脈沖分配去，通過其控制端的不同揭發可以組成三相雙三拍和三相六拍的不同工作方式，如下圖所示脈沖分配器中由門電路和雙穩態觸發器組成的邏輯電路，它根據指令33左圖CH250三相雙三拍接法右圖CH250三相六拍接法左圖CH250三相雙三拍接法右圖CH250三相六拍接34CH250環形脈沖分配器的功能關系如下表所示CH250環形脈沖分配器的功能關系如下表所示35進一步討論：單片機輸出步進脈沖后，再由脈沖分配電路按事先確定的順序控制各相的通斷。一般來說，硬件一旦確定下來，不易更改，這種方案，硬件設備成本高，它的應用受到了限制。怎樣用軟件產生步進脈沖呢？所謂軟件產生就是用軟件控制P3.0為0或為1的次序和長短。如果先令P3.0=1，延時一段時間，再令P3.0=0，再延時一段時間后，又令P3.0=1，如此循環，就可構成脈沖序列，延時時間的長短決定了脈沖呢序列的周期，而脈沖序列的周期又與步進電機的步距有關。進一步討論：單片機輸出步進脈沖后，再由脈沖分配電路按事先確定36步進電機控制系統原理圖4—42用微型機控制步進電機原理系統圖（P144）（2）有軟件完成脈沖分配工作的系統步進電機控制系統原理圖4—42用微型機控制步進電機原理系37圖4—42與圖4—41相比：用微型機代替了步進控制器把并行二進制碼轉換成串行脈沖序列，并實現方向控制。只要負載是在步進電機允許的范圍之內，每個脈沖將使電機轉動一個固定的步距角度。根據步距角的大小及實際走的步數，只要知道初始位置，便可知道步進電機的最終位置。特點：

由軟件完成脈沖分配工作，不僅使路線簡化，成本下降，而且可根據應用系統的需要，靈活地改變步進電機的控制方案。圖4—42與圖4—41相比：38討論解決如下幾個問題：（1）用軟件的方法實現脈沖序列（2）步進電機的方向控制（3）步進電機控制程序的設計討論解決如下幾個問題：（1）用軟件的方法實現脈沖序列39四、脈沖產生和方向控制1、脈沖序列的生成圖4—43脈沖序列（P143）四、脈沖產生和方向控制1、脈沖序列的生成圖4—43脈沖40

★脈沖幅值由數字元件電平決定。TTL0～5VCMOS0～10V

★接通和斷開時間可用延時的辦法控制。要求：確保步進到位。步進電機的工作原理及其控制課件412．方向控制步進電機旋轉方向與內部繞組的通電順序相關。三相步進電機有三種工作方式：

★單三拍，通電順序為ABC→A；

★雙三拍，通電順序為ABBCCA→AB；

★三相六拍，通電順序為

AABBBCCCA

；

改變通電順序可以改變步進電機的轉向2．方向控制423.步進電機通電模型的建立：（1）用微型機輸出接口的每一位控制一相繞組，【例如】用8255控制三相步進電機時，可用PC.O、PC.1、PC.2分別接至步進電機的

A、B、C三相繞組。（2）根據所選定的步進電機及控制方式，寫出相應控制方式的數學模型。上面講的三種控制方式的數學模型分別為：3.步進電機通電模型的建立：43三相單三拍步序控制位

工作狀態控制模型PC.7PC.6PC.5PC.4PC.3PC.2C相PC.1B相PC.0A相100000001A01H200000010B02H300000100C04H三相單三拍控制位工作狀態控制模型P44三相雙三拍用P1口的P1.2、P1.1、P1.0對應C、B、A相進行控制。三相雙三拍用P1口的P1.2、P1.1、P1.0對應C、B、45★同理，可以得出雙三拍和三相六拍的控制模型：雙三拍03H，06H，05H★

三相六拍01H，03H，02H，06H，04H，05H

以上為步進電機正轉時的控制順序及數學模型，如按逆序進行控制，步進電機將向相反方向轉動?！锿恚梢缘贸鲭p三拍和三相六拍的控制模型：46五、控制接口與程序設計

由于步進電機的驅動電流較大，所以微型機與步進電機的連接都需要專門的接口及驅動電路。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程接口芯片，如8255、8155等。驅動器可用大功率復合管，也可以是專門的驅動器。光電隔離器，一是抗干擾，二是電隔離，五、控制接口與程序設計由于步進電機的驅47步進電機與微型機的接口及程序設計圖4—44步進電機與微型機接口電路之一(P146)步進電機與微型機的接口及程序設計圖4—44步進電機與微型48步進電機與微型機的接口及程序設計總之，只要按一定的順序，改變P1.0~P1.2三位通電的狀況，即可控制步進電機依選定的方向步進。由于步進電機運行時功率較大，可在微型機與驅動器之間增加一級光電隔離器，以防強功率的干擾信號反串進主控系統。如圖4-25所示步進電機與微型機的接口及程序設計總49步進電機與微型機的接口及程序設計圖4—45步進電機與微型機接口電路之二（P147）步進電機與微型機的接口及程序設計圖4—45步進電機與微型50步進電機與微型機的接口及程序設計步進電機程序設計（1）步進電機程序設計的主要任務是：

★判斷旋轉方向；

★按順序傳送控制脈沖；

★判斷所要求的控制步數是否傳送完畢。（2）程序框圖下面以三相雙三拍為例說明這類程序的設計。步進電機與微型機的接口及程序設計步進電機程序設計51圖4.46三相雙三拍步進電機控制程序流程圖p134圖4.46三相雙三拍步進電機控制程序流程圖52

ORG

0100H

ROUNT1：

MOV A，#N ；步進電機步數→A

JNB 00H，LOOP2 ；反向，轉LOOP2

LOOP1：MOV P1，#03H ；正向，輸出第一拍

ACALL DELAY ；延時

DEC A ；A＝0，轉DONE

JZ DONE

MOV P1，06H ；輸出第二拍

ACALL DELAY ；延時

DEC A ；A＝0，轉DONE

JZ DONE

MOV P1，05H ；輸出第三拍

ACALL DELAY ；延時

DEC A ；A≠0，轉LOOP1

JNZ LOOP1

ORG0100H53AJMPDONE ；A＝0，轉DONELOOP2：MOV P1，03H ；反向，輸出第一拍

ACALLDELAY；延時DECA；A＝0，轉DONJZ DONE

MOVP1，05H ；輸出第二拍

ACALLDELAY ；延時DEC A

JZ DONE

MOV P1，06H ；輸出第三拍

ACALLDELAY ；延時

DEC A ；A≠0，轉LOOP2

JNZ LOOP2DONE：RETDELAY：

AJMPDONE ；A54對于節拍比較多的控制程序，通常采用循環程序進行設計。循環程序作法：把環形節拍的控制模型按順序存放在內存單元中，逐一從單元中取