步进电机控制系统原理 ppt课件
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步进电动机ppt课件
T=-Csinθ
式中C为常数，与控制绕组、控制电流、磁阻等有关。步进电机某 相绕组通电时矩角特性如图所示。
矩角特性上静转矩的最大值Tsm称为最大静转矩。
7
2、多相通电时 a) 三相步进电动机 A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电
TA=Tmaxsinθse TB=Tmaxsin(θse-120°)
TAB= TA+ TB= 2Tmaxcos60°=Tmax
8
b)五相步进电动机 1、供电方式； （C=1）：五相单五拍 A→B→C→D→E→A
五相双五拍 AB→BC→CD→DE→EA→AB 五相三五拍 ABC→BCD→CDE→DEA→EAB→ABC (C=2): 五相单双十拍 A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA→A 五相三双十拍 AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB
二、步进运行状态（单脉冲运行状态） 当接入控制绕组的脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下 一个脉冲才到来，电机呈现出一转一停的状态，故称之为步进 运行状态。 1、步进运行状态过程负载 TL=0（即空载）
12
A相通电时，-π<θ<π为静稳定区，当A相绕组断电转到B相绕组通电 时，新的稳定平衡点为b，对应于它的静稳定区为-π+θb<θ<π+θb （图中θb=2/3π）,在换接的瞬间，转子的位置只要停留在此区域内， 就能趋向新的稳定平衡点b，所以区域（-π+θb，π+θb）称为动稳定 区，显而易见，相数增加或极数增加，步距角愈小，动稳定区愈接 近静稳定区,即静、动稳定区重叠愈多，步进电机的稳定性愈好。
A相通电时，有
Ua
ra ia
d(Laia ) dt
式中C为常数，与控制绕组、控制电流、磁阻等有关。步进电机某 相绕组通电时矩角特性如图所示。
矩角特性上静转矩的最大值Tsm称为最大静转矩。
7
2、多相通电时 a) 三相步进电动机 A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电
TA=Tmaxsinθse TB=Tmaxsin(θse-120°)
TAB= TA+ TB= 2Tmaxcos60°=Tmax
8
b)五相步进电动机 1、供电方式； （C=1）：五相单五拍 A→B→C→D→E→A
五相双五拍 AB→BC→CD→DE→EA→AB 五相三五拍 ABC→BCD→CDE→DEA→EAB→ABC (C=2): 五相单双十拍 A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA→A 五相三双十拍 AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB
二、步进运行状态（单脉冲运行状态） 当接入控制绕组的脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下 一个脉冲才到来，电机呈现出一转一停的状态，故称之为步进 运行状态。 1、步进运行状态过程负载 TL=0（即空载）
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A相通电时，-π<θ<π为静稳定区，当A相绕组断电转到B相绕组通电 时，新的稳定平衡点为b，对应于它的静稳定区为-π+θb<θ<π+θb （图中θb=2/3π）,在换接的瞬间，转子的位置只要停留在此区域内， 就能趋向新的稳定平衡点b，所以区域（-π+θb，π+θb）称为动稳定 区，显而易见，相数增加或极数增加，步距角愈小，动稳定区愈接 近静稳定区,即静、动稳定区重叠愈多，步进电机的稳定性愈好。
A相通电时，有
Ua
ra ia
d(Laia ) dt
步进电机及其工作原理1ppt课件
360°
θb = m* Z*C
式中：m －定子相数
2
A A
1
4
2
Z － 转子齿数
3
C －通电方式
A
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
制作：张津
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：
1. 脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合
为正向或负向脉冲进给信号 2. 加减脉冲分配电路
将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲
制作：张津
步进电机的驱动控制
3. 加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性
的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。 4. 环形分配器
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
制作：张津
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
步距角：
θb = 60°
A
A
1
B
1 2
2
B
A
A
C
B
1 2
1 2
C A 60°
2 B
A
A
C
B
60° 1 2
1 2
60°
B
C
B
A
制作：张津
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
θb = m* Z*C
式中：m －定子相数
2
A A
1
4
2
Z － 转子齿数
3
C －通电方式
A
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
制作：张津
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：
1. 脉冲混合电路 将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合
为正向或负向脉冲进给信号 2. 加减脉冲分配电路
将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲
制作：张津
步进电机的驱动控制
3. 加减速电路 将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性
的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。 4. 环形分配器
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
制作：张津
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
步距角：
θb = 60°
A
A
1
B
1 2
2
B
A
A
C
B
1 2
1 2
C A 60°
2 B
A
A
C
B
60° 1 2
1 2
60°
B
C
B
A
制作：张津
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
《步进电动机》PPT课件
2021/4/23
24
第11章 步进电动机
t
360 Zr
(式中， Zr为转子齿数)， 所以转子每步转过的空间 角度(机械角度)， 即步距角为
s
t
N
360 Zr N
(11 - 1)
式中， N为运行拍数， N=km (k=1, 2； m为相数)。
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第11章 步进电动机
为了提高工作精度， 就要求步距角很小。 由式(11 - 1)可见， 要减小步距角可以增加拍数N。 相数增加相 当于拍数增加， 但相数越多， 电源及电机的结构也越 复杂。 反应式步进电动机一般做到六相， 个别的也有 八相或更多相数。 对同一相数既可以采用单拍制， 也 可采用双拍制。 采用双拍制时步距角减小一半。 所以 一台步进电动机可有两个步距角， 如1.5°/0.75°、 1.2°/0.6°、 3°/1.5°等。
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第11章 步进电动机
当A相控制绕组通电，而B相和C相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点， 所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同理，当断开A相接通B相时，转子便按逆时针方 向转过30°，使转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐。断开B相，接通C相，则转子再转过 30°，使转子齿1和3的轴线与C极轴线对齐。从而实现逆时针旋转。
θte=360° 或 θte=2π rad 相应的步距角为
be
te
N
360 N
(11 - 2)
2021/4/23
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第11章 步进电动机
或
be
2
N
(11 - 3)
所以当拍数一定时， 不论转子齿数多少， 用电角
度表示的步距角均相同。
第3章步进电动机的控制
ƒ
升速 恒速 减速 低速
起点
终点
（时间） t
图3-24
点、位控制中的加减速控制
15
变速控制的方法有：
改变控制方式的变速控制：最简单的变速控制可利用改变步进电 机的控制方式实现。例如：对于三相步进电机系统，启动或停止时 用三相六拍，大约0.1s以后，改用三相三拍，快到达终点时再采用 三相六拍，以达到减速控制的目的。 均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制：步进电机的加速（或减速） 控制，可以用均匀地改变脉冲时间间隔来实现。 采用定时器的变速控制：单片机控制系统中，用单片机内部的定 时器来提供延时时间。方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间， 由定时器向CPU申请一次中断，CPU响应中断后，便发出一次控制脉 冲。此时只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加速（或 减速）的目的。这种方法可以提高控制系统的效率。
脉冲 方向控制
步进控制器
功率放大器
步进电机
负载
图3-19 步进电机控制系统的组成
2
随着电子技术的发展，除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软 件实现。采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器，不仅简化了 线路，降低了成本而且可靠性也大为提高，同时，根据系统的需要可 灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。典型的微型机控制 步进电机系统原理图如图3-20所示。 使用微型机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。 步 进 电 机
6
二、步进电动机的闭环控制
在开环步进电动机系统中，电动机的输出转矩在很大程度上取决于驱 动电源和控制方式。对于不同的步进电动机或同一种步进电动机而不 同负载，励磁电流和失调角发生改变，输出转矩都会随之发生改变， 很难找到通用的控速规律，因此，也很难提高步进电机的技术指标。 闭环系统是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适 当处理自动给出驱动脉冲串。因此采用闭环控制可以获得更精确的位 置控制和更高、更平稳的转速，从而提高步进电动机的性能指标。 步进电动机的输出转矩是励磁电流和失调角的函数。为了获得较高的 输出转矩，必须考虑到电流的变化和失调角的大小，这对于开环控制 来说是很难实现的。
升速 恒速 减速 低速
起点
终点
（时间） t
图3-24
点、位控制中的加减速控制
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变速控制的方法有：
改变控制方式的变速控制：最简单的变速控制可利用改变步进电 机的控制方式实现。例如：对于三相步进电机系统，启动或停止时 用三相六拍，大约0.1s以后，改用三相三拍，快到达终点时再采用 三相六拍，以达到减速控制的目的。 均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制：步进电机的加速（或减速） 控制，可以用均匀地改变脉冲时间间隔来实现。 采用定时器的变速控制：单片机控制系统中，用单片机内部的定 时器来提供延时时间。方法是将定时器初始化后，每隔一定的时间， 由定时器向CPU申请一次中断，CPU响应中断后，便发出一次控制脉 冲。此时只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加速（或 减速）的目的。这种方法可以提高控制系统的效率。
脉冲 方向控制
步进控制器
功率放大器
步进电机
负载
图3-19 步进电机控制系统的组成
2
随着电子技术的发展，除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软 件实现。采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器，不仅简化了 线路，降低了成本而且可靠性也大为提高，同时，根据系统的需要可 灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。典型的微型机控制 步进电机系统原理图如图3-20所示。 使用微型机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。 步 进 电 机
6
二、步进电动机的闭环控制
在开环步进电动机系统中，电动机的输出转矩在很大程度上取决于驱 动电源和控制方式。对于不同的步进电动机或同一种步进电动机而不 同负载，励磁电流和失调角发生改变，输出转矩都会随之发生改变， 很难找到通用的控速规律，因此，也很难提高步进电机的技术指标。 闭环系统是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适 当处理自动给出驱动脉冲串。因此采用闭环控制可以获得更精确的位 置控制和更高、更平稳的转速，从而提高步进电动机的性能指标。 步进电动机的输出转矩是励磁电流和失调角的函数。为了获得较高的 输出转矩，必须考虑到电流的变化和失调角的大小，这对于开环控制 来说是很难实现的。
《步进电机》PPT课件
➢ 当U相通电，V、W相不通电，如图3.3a所示，1、3齿 与U相对齐；
➢ 当V相通电，U、W相不通电，如图3.3b所示，2、4齿 与V相对齐；
➢ 当W相通电，U、V相不通电，如图3.3c所示，1、3齿 与W相对齐；
整理ppt
8
整理ppt
9
由此可见，当通电顺序为U→V → W→U →V →…时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通 电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的 角度称为步距角。
上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U → UV → V → VW→W → WU →U →… 称为三相六拍通电，如图3.4所示。 三相六拍通电方式的步距角减小一倍。
整理ppt
13
3.1.2 小步距角步进电动机
实际的小步距角电动机如图3.5所示。它的定子内 圆和转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的 齿宽和齿距相等。
第3章 步进电动机传动控制
3.1 步进电动机 3.2 步进电动机的环形分配器 3.3 步进电动机的驱动电路
整理ppt
1
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或 角位移的执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉 冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形 分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为了 使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生 的脉冲信号还需要进行功率放大。
整理ppt
11
（2）通电方式 双相轮流通电方式
每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳， 且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易 失步。
以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：UV → VW→WU →UV →… 称为三相双三拍通电。
整理ppt
12
（2）通电方式 单双相轮流通电方式
➢ 当V相通电，U、W相不通电，如图3.3b所示，2、4齿 与V相对齐；
➢ 当W相通电，U、V相不通电，如图3.3c所示，1、3齿 与W相对齐；
整理ppt
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整理ppt
9
由此可见，当通电顺序为U→V → W→U →V →…时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通 电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的 角度称为步距角。
上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U → UV → V → VW→W → WU →U →… 称为三相六拍通电，如图3.4所示。 三相六拍通电方式的步距角减小一倍。
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13
3.1.2 小步距角步进电动机
实际的小步距角电动机如图3.5所示。它的定子内 圆和转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的 齿宽和齿距相等。
第3章 步进电动机传动控制
3.1 步进电动机 3.2 步进电动机的环形分配器 3.3 步进电动机的驱动电路
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1
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或 角位移的执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉 冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形 分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为了 使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生 的脉冲信号还需要进行功率放大。
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（2）通电方式 双相轮流通电方式
每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳， 且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易 失步。
以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：UV → VW→WU →UV →… 称为三相双三拍通电。
整理ppt
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（2）通电方式 单双相轮流通电方式
步进电机驱动器PPT课件
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26
3相6拍——两转子齿
-
27
3相6拍——两转子齿
-
28
3相单3拍——两转子齿和四转子齿
-
29
步距角
-
30
细分驱动
细分驱动：细分步进驱动是将全 步进驱动时的步距角个相的电流 以阶梯状n步逐渐增加，使吸引 转子的力慢慢改变，每次转子在 该力的平衡点静止，全步距角作 n个细分，可使转子的运转效果 光滑。
-
35
5、单极与双极驱动
-
36
5、单极驱动与双极驱动
单极性方式：
磁极上绕有两个线圈组成双 线圈，一个线圈直流通电产 生的极性，与另一个线圈直 流通电产生的极性相反，此 为单极性方式。
双极性方式：
激磁定子磁极的线圈为单线 圈绕组，磁极正反切换，则 电流需要正反向流
（a）单极与双极绕组
-
37
步进电机驱动
(b)单极与双极电路与电压波形
-
38
6、步进电机驱动器的使用方法
-
39
6.1、驱动器产品接线方式
共阴极接线 共阳极接线 差分方式接线法
-
40
6.2、电路图
共阳极接线
共阴极接线
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41
6.2、电路图
差分接线
-
42
6.2、电机的接线
-
43
6.3、电路图
-
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6.4、实物图（57步进电机+6560v4驱动器+步进电机控制器）
-
15
3.1.3、步进电机的驱动电源
（a）单一电压型驱动电源
-
16
3.1.3、步进电机的驱动电源
（b）高、低压切换型驱动电源
汽车电工电子技术-步进电机与自动控制-PPT课件
按AB C A ……的顺序给三相绕组 轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转
过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在 空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。 2. 三相六拍 按AAB B BC C CA的顺序给三相 绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制 特性。
B、C相同时通电， C' 、C 磁极拉住1、3 齿，B、B' 磁极拉住 2、4齿，转子再转过 15。
三相反应式步进电动机的一个通电循环周 期如下：AAB B BC C CA，每个循 环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角）， 一个通电循环周期(6拍)转子转过90 (齿距角)。 与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更 小，更适用于需要精确定位的控制系统中。
给定 反 馈
误差
控制对象 反馈环节
•
输出
闭环控制系统结构比较复杂。把输出信号的 一部分通过反馈环节引回到输入端，与给定信号 比较，得到误差信号，再送入控制对象去调节输 出结果。如此反复循环，直至误差为零。这种控 制是通过反馈来实现的，所以也叫做反馈控制系 统。
闭环控制系统（反馈控制系统）的各个基 本环节如下图所示：
给 Ug 控制指令 定 + 元 – 件 Ud Uf 放 大 元 件 执 行 元 件 检测元件 控 制 被调量 对 象
系统中各部分的作用如下：
给定元件——把控制指令变成给定值。它 与被调量存在着一定的函数关系。改变给定值， 即可改变被调量。
检测元件——把被调量检测出来，按一定的 函数关系反馈到输入端。 比较元件——把反馈信号Uf与给定信号Ug比 较以获取误差信号Ud。 放大元件——当误差信号太微弱时，需要用 放大元件把误差信号放大到足以推动执行元件的 程度。 执行元件——直接推动控制对象改变被调量。 控制对象——由执行元件推动的各种装置， 如各种机械负载、发电机、加热炉、闸门等，相 应的被调量就是转速、电压、温度、位移等。
第三章步进电动机的控制
¤按静态步距角误差，步进电动机的精度分为两级。
2、静特性：
静特性是指在稳定状态（通电状态不变，转子保持不动的定 位状态）时的特征，包括静转距、距角特性及静态稳定区。
A）静转距：电动机处于稳定状态下的电磁转距。它是绕组 内电流与失调角的函数。
在稳定状态下，若无负载，转子齿与定子齿对齐，处于初始 平衡状态，电磁转矩为0。若在转子加一负载转距，转子齿 要偏离初始位置，转过一个角度θ，这时定转子之间产生的 电磁转矩，此转矩克服负载转矩达到平衡，转子停在一个新 的平衡点，这时电动机的电磁转距即为静态转矩。
初始状态
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
A
B' 4 C'
31
C 2B
A'
3.1.2 步进电动机分类
反应式(磁阻式) 永磁式 分类方法很多，按工作原理可分为： 电磁式 混合式(永磁感应式) ★反应式步进电机的转子用硅钢片叠成，其上没有励磁线 圈，结构和原理简单。 ★电磁式步进电机的转子上有励磁线圈。 ★混合式步进电动机转子为永磁材料，在同样的励磁电流 下，可以产生更大的转矩，效率高，电流小，发热低。
组轮流励磁，利用电磁铁原理，每来一个电脉冲，电 机转动一个角度，将脉冲信号转换成角位移。
IA
A B' 1 C'
42
C 3B
A'
A 相通电， A 方向的磁通经转子形成 闭合回路。磁力线力图走磁阻最小的 路径，若转子和磁场轴线方向原有一 定角度，则在磁场的作用下，转子被 磁化吸引，使转、定子的齿对齐，使 得通电相磁路的磁阻最小。
2、静特性：
静特性是指在稳定状态（通电状态不变，转子保持不动的定 位状态）时的特征，包括静转距、距角特性及静态稳定区。
A）静转距：电动机处于稳定状态下的电磁转距。它是绕组 内电流与失调角的函数。
在稳定状态下，若无负载，转子齿与定子齿对齐，处于初始 平衡状态，电磁转矩为0。若在转子加一负载转距，转子齿 要偏离初始位置，转过一个角度θ，这时定转子之间产生的 电磁转矩，此转矩克服负载转矩达到平衡，转子停在一个新 的平衡点，这时电动机的电磁转距即为静态转矩。
初始状态
A
B'
C'
C
B
A'
A
B'
C'
C
B
A'
A
B' 4 C'
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C 2B
A'
3.1.2 步进电动机分类
反应式(磁阻式) 永磁式 分类方法很多，按工作原理可分为： 电磁式 混合式(永磁感应式) ★反应式步进电机的转子用硅钢片叠成，其上没有励磁线 圈，结构和原理简单。 ★电磁式步进电机的转子上有励磁线圈。 ★混合式步进电动机转子为永磁材料，在同样的励磁电流 下，可以产生更大的转矩，效率高，电流小，发热低。
组轮流励磁，利用电磁铁原理，每来一个电脉冲，电 机转动一个角度，将脉冲信号转换成角位移。
IA
A B' 1 C'
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C 3B
A'
A 相通电， A 方向的磁通经转子形成 闭合回路。磁力线力图走磁阻最小的 路径，若转子和磁场轴线方向原有一 定角度，则在磁场的作用下，转子被 磁化吸引，使转、定子的齿对齐，使 得通电相磁路的磁阻最小。
步进电机课件ppt
响应速度快
步进电机具有快速的响应速度，能够适应高 速运动和频繁启停的需求。
可靠性高
步进电机运行稳定可靠，使用寿命长，减少 了维护成本。
节能环保
步进电机具有较高的能效比，运行过程中能 耗低，符合绿色环保理念。
05
步进电机的常见问题 与解决方案
步进电机失步问题
总结词
步进电机失步是指电机在运行过程中，实际转过的角度与控 制器发出的脉冲数不相符，导致输出轴无法准确到达目标位 置。
01
02
03
04
作用
转子是步进电机中与定子相对 转动的部分，通常由永磁体或
软磁材料制成。
组成
转子通常包括转子铁芯和永磁 体，转子铁芯由导磁性能良好
的铁磁材料制成。
特点
转子的磁性能和结构决定了步 进电机的输出转矩和效率。
材料
转子铁芯通常采用导磁性能良 好的低碳钢或硅钢片。
驱动器
作用
驱动器是用来控制步进电机的 设备，通过向定子绕组提供脉
步进电机的发展前景 与展望
新材料的应用
高性能磁性材料
随着科技的发展，高性能磁性材料如 稀土永磁材料的应用，能够提高步进 电机的转矩密度和运行效率，降低能 耗。
轻量化材料
采用轻量化材料如碳纤维、钛合金等 ，能够减轻步进电机的重量，使其在 航空航天、机器人等领域的应用更加 广泛。
新控制技术的应用
智能控制技术
机器人
步进电机作为机器人的驱动元件，可 以实现机器人的精确运动和定位。
医疗器械
步进电机在医疗器械领域，如手术机 器人、诊断仪器等设备中发挥重要作 用。
智能家居
步进电机在智能家居设备，如智能门 锁、智能窗帘等中提供稳定可靠的驱 动。
步进电机具有快速的响应速度，能够适应高 速运动和频繁启停的需求。
可靠性高
步进电机运行稳定可靠，使用寿命长，减少 了维护成本。
节能环保
步进电机具有较高的能效比，运行过程中能 耗低，符合绿色环保理念。
05
步进电机的常见问题 与解决方案
步进电机失步问题
总结词
步进电机失步是指电机在运行过程中，实际转过的角度与控 制器发出的脉冲数不相符，导致输出轴无法准确到达目标位 置。
01
02
03
04
作用
转子是步进电机中与定子相对 转动的部分，通常由永磁体或
软磁材料制成。
组成
转子通常包括转子铁芯和永磁 体，转子铁芯由导磁性能良好
的铁磁材料制成。
特点
转子的磁性能和结构决定了步 进电机的输出转矩和效率。
材料
转子铁芯通常采用导磁性能良 好的低碳钢或硅钢片。
驱动器
作用
驱动器是用来控制步进电机的 设备，通过向定子绕组提供脉
步进电机的发展前景 与展望
新材料的应用
高性能磁性材料
随着科技的发展，高性能磁性材料如 稀土永磁材料的应用，能够提高步进 电机的转矩密度和运行效率，降低能 耗。
轻量化材料
采用轻量化材料如碳纤维、钛合金等 ，能够减轻步进电机的重量，使其在 航空航天、机器人等领域的应用更加 广泛。
新控制技术的应用
智能控制技术
机器人
步进电机作为机器人的驱动元件，可 以实现机器人的精确运动和定位。
医疗器械
步进电机在医疗器械领域，如手术机 器人、诊断仪器等设备中发挥重要作 用。
智能家居
步进电机在智能家居设备，如智能门 锁、智能窗帘等中提供稳定可靠的驱 动。
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二、由软件完成脉冲分配工作
2、步进电机控制系统原理
图3、用微型机控制步进电机原理
一、由硬件完成脉冲分配的功能
在这种形式里，脉冲分配器（CH250）、驱动电路由硬件 完成。单片机只提供步进脉冲和正、反转控制信号，步进脉冲 的产生与停止、步进脉冲的频率和个数都可用软件控制。
• 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 进电动机按确定的运行方式工作。下面着重介绍CH250环形 脉冲分配器。
2、步进电机控制系统原理
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。
（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：
• 一般来说，硬件一旦确定下来，不易更改，这种方案，硬设备成本高，它 的应用受到了限制。
• 怎样用软件产生步进脉冲呢？所谓软件产生就是用软件控制P3．0为1 或 为0的次序和长短。如果先令P3．0=1，延时一段时间，再令P3.0＝0，再 延时一段时间后，又令P3．0=1，如此循环，就可构成脉冲序列。延时时 间的长短决定了脉冲序列的周期，而脉冲序列的周期又与步进电机的步矩 有关。
2、步进电机控制系统原理
★ 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 。
2、步进电机控制系统原理
★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。
为什么步进电机功率驱动电路采用光电隔离？
步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态，采用光电耦合器 将单片机与步机电机隔离可以避免单片机与步进电机功率回路的共地干 扰，此外，万一驱动电路发生故障。也不致让功放中较高的电压串入单 片机而使其损坏。
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
图6 步进电机与微型机接口电路之二
图2、步进电机控制系统的组成
2、 步进电机控制系统原理
1）步进控制器 ① 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。 ② 作用: 把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。
2）功率放大器 把环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。
步进电机与MCS-51单片机的接口
步进电机与单片机的连接一般有两种形式： 一、由硬件完成脉冲分配的功能
2、步进电机控制系统原理
★ 三相单三拍
控制位
工控
步 PC. PC. PC. PC. PC. PC. PC. PC. 作 制 序 7 6 5 4 3 2 1 0 状模
C相 B相 A相 态 型
1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H
2 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02 H
3 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04 H
2、步进电机控制系统原理
主要解决如下几个问题： (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。
2 、步进电机控制系统原理
1．脉冲序列的生成
图4 脉冲序列
2、步进电机控制系统原理
★ 脉冲幅值 由数字元件电平决定。 TTL 0 ～ 5V CMOS 0 ～ 10V
1
0
1
0
1
0
0
1
0
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
• CH250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器， 通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不 同工作方式，如图7、图8所示。
图7 CH250三相双三拍接法
图8 CH250三相六拍接法
CH250环形脉冲分配器的功能关系如表1所列
讨论：
• 单片机输出步进脉冲后，再由脉冲分配电路按事先确定的顺序控制各相的 通断。
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
图5 步进电机与微型机接口电路之一 01
01 100
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
总之， 只要按一定的顺序
改变 P1.0～P1.2 三位通电的状况， 即可控制步进电机依选定的方向步进。
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔 离器，以防强功率的干扰信号反串进主控系统。 如图所示。
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
4.步进电机与微型机的接口电路
（1）由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的 连接都需要专门的接口及驱动电路。
• 接口电路可以是锁存器，也可以是可编程接口芯片，如 8255、 8155等。
• 驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。 光电隔离器，一是抗干扰，二是电隔离，
★ 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、步进电机控制系统原理
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：
★ 单三拍，通电顺序为 ABC ； ★ 双三拍， 通电顺序为 ABBCCA ； ★ 三相六拍，通电顺序为
AABBB
二、由软件完成脉冲分配工作
• 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。 • 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，不仅使线路简化，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。
1、 步进电机工作原理
图1 步进电机原理图
步进电机有如下特点：
• 给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转； • 步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢； • 改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机的运行方式； • 改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。
2、 步进电机控制系统原理
2、步进电机控制系统原理
图3、用微型机控制步进电机原理
一、由硬件完成脉冲分配的功能
在这种形式里，脉冲分配器（CH250）、驱动电路由硬件 完成。单片机只提供步进脉冲和正、反转控制信号，步进脉冲 的产生与停止、步进脉冲的频率和个数都可用软件控制。
• 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 进电动机按确定的运行方式工作。下面着重介绍CH250环形 脉冲分配器。
2、步进电机控制系统原理
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。
（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：
• 一般来说，硬件一旦确定下来，不易更改，这种方案，硬设备成本高，它 的应用受到了限制。
• 怎样用软件产生步进脉冲呢？所谓软件产生就是用软件控制P3．0为1 或 为0的次序和长短。如果先令P3．0=1，延时一段时间，再令P3.0＝0，再 延时一段时间后，又令P3．0=1，如此循环，就可构成脉冲序列。延时时 间的长短决定了脉冲序列的周期，而脉冲序列的周期又与步进电机的步矩 有关。
2、步进电机控制系统原理
★ 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 。
2、步进电机控制系统原理
★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。
为什么步进电机功率驱动电路采用光电隔离？
步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态，采用光电耦合器 将单片机与步机电机隔离可以避免单片机与步进电机功率回路的共地干 扰，此外，万一驱动电路发生故障。也不致让功放中较高的电压串入单 片机而使其损坏。
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
图6 步进电机与微型机接口电路之二
图2、步进电机控制系统的组成
2、 步进电机控制系统原理
1）步进控制器 ① 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。 ② 作用: 把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。
2）功率放大器 把环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。
步进电机与MCS-51单片机的接口
步进电机与单片机的连接一般有两种形式： 一、由硬件完成脉冲分配的功能
2、步进电机控制系统原理
★ 三相单三拍
控制位
工控
步 PC. PC. PC. PC. PC. PC. PC. PC. 作 制 序 7 6 5 4 3 2 1 0 状模
C相 B相 A相 态 型
1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H
2 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02 H
3 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04 H
2、步进电机控制系统原理
主要解决如下几个问题： (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。
2 、步进电机控制系统原理
1．脉冲序列的生成
图4 脉冲序列
2、步进电机控制系统原理
★ 脉冲幅值 由数字元件电平决定。 TTL 0 ～ 5V CMOS 0 ～ 10V
1
0
1
0
1
0
0
1
0
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
• CH250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器， 通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不 同工作方式，如图7、图8所示。
图7 CH250三相双三拍接法
图8 CH250三相六拍接法
CH250环形脉冲分配器的功能关系如表1所列
讨论：
• 单片机输出步进脉冲后，再由脉冲分配电路按事先确定的顺序控制各相的 通断。
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
图5 步进电机与微型机接口电路之一 01
01 100
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
总之， 只要按一定的顺序
改变 P1.0～P1.2 三位通电的状况， 即可控制步进电机依选定的方向步进。
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔 离器，以防强功率的干扰信号反串进主控系统。 如图所示。
3、步进电机与微型机的接口及程序设计
4.步进电机与微型机的接口电路
（1）由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的 连接都需要专门的接口及驱动电路。
• 接口电路可以是锁存器，也可以是可编程接口芯片，如 8255、 8155等。
• 驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。 光电隔离器，一是抗干扰，二是电隔离，
★ 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、步进电机控制系统原理
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：
★ 单三拍，通电顺序为 ABC ； ★ 双三拍， 通电顺序为 ABBCCA ； ★ 三相六拍，通电顺序为
AABBB
二、由软件完成脉冲分配工作
• 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。 • 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，不仅使线路简化，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。
1、 步进电机工作原理
图1 步进电机原理图
步进电机有如下特点：
• 给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转； • 步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢； • 改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机的运行方式； • 改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。
2、 步进电机控制系统原理