第3章 步进电动机的控制
步进电动机的控制
1.工作原理 2.接线 3.控制方式 4.其他
一、步进电动机的简介
步进电动机（stepping motor)是将电脉冲激励 信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制 电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一 步，所以又称脉冲电动机。 urage the signal for the electric pulses to the displacement or the displacement of discrete values control motors, motor when entering a electric pulses will move a step, also called a pulse the motor.
由上述分析可知,要使磁阻式步进电机具有工作能力,最起码的条件是定子极分度 角不能被齿距角整除,且应满足下列方程: 极分度角/齿距角= R + k· 1/m 进一步化简得齿数z: z = q (mR + k) (2-3) 式中:m──相数; q──每相的极数; k──≤ (m - 1)的正整数; R──正整数,为0、1、2、3……。 按选定的相数和不同的极数,由上式就可推算出转子齿数。 因为三相双三拍步进电机不易失步,控制精度比较高,所以本文对三相双三拍步 进电机进行控制,定子有三对磁极,运行时两相同时通电,循环带动转子转动。 4、转速控制 控制步进电机的运行速度,实际上是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周 期,即在升速过程中,使脉冲的输出频率逐渐增加;在减速过程中,使脉冲的输出频 率逐渐减少。脉冲信号的频率可以用软件延时和硬件中断两种方法来确定。 采用软件延时,一般是根据所需的时间常数来设计一个子程序,该程序包含一定 的指令,设计者要对这些指令的执行时间进行严密的计算或者精确的测试,以便确 定延时时间是否符合要求。每当延时子程序结束后,可以执行下面的操作,也可用 输出指令输出一个信号作为定时输出。采用软件定时, CPU一直被占用,因此CPU 利用率低。 可编程的硬件定时器直接对系统时钟脉冲或某一固定频率的时钟脉冲进行计 数,计数值则由编程决定。当计数到预定的脉冲数时,产生中断信号,得到所需的延 时时间或定时间隔。由于计数的初始值由编程决定,因而在不改动硬件的情况下, 只通过程序变化即可满足不同的定时和计数要求,因此使用很方便。
步进电机工作原理及控制电路
//按键标志变量
flag1=0;
//步进数标志变量
init();
//液晶初始化子程序
while(1)
{
keyscan();
//键盘扫描子程序
if(flag==1)
{
zz();
//正转子程序
}
else if(flag==3) {
fz(); } writebjs(8,count); } }
//反转子程序
it 动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。励
磁顺序： A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A
A-B 表4.3 1-2 相励磁法
步进电动机的负载转矩与速度成反比，速度愈快负载转矩愈小，当速度快至 其极限时，步进电动机即不再运转。所以在每走一步后，程序必须延时一段时间。 下面介绍的是国产20BY-0型步进电机，它使用+5V直流电源，步距角为18度。电 机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，驱动方式为二相激磁方式，电机示意图 和各线圈通电顺序如图4.2和表4.1所示：
6
法增大起动电流，以提高步进电机转动力矩，即提高其工作频率。由于步进电机
是感性负载，所以进入绕组的电流脉冲是以指数形式上升，即这时电流脉冲i为：
i = IH (1 − e−1/Tj )
(4.4)
公式
其中：i是电流脉冲瞬时值；
IH 是在开关回路电压为u时的电流稳态值；
Tj 是开关回路的时间常数，Tj = L / ( RL + RC )
θ s = 2Π / Nrk
公式（4.1） 或
θ s = 360o / Nrk
公式（4.2）
其中：k是步进电机工作拍数，Nr是转子的齿数。
步进电动机的PLC控制
任务二 步进电动机的PLC控制
一、步进电动机控制系统的组成 步进电动机是由电脉冲控制运动的，步进电动机控制系统框图如图4 -8
所示，由控制装置发出指令脉冲，控制步进电动机的运行速度、位移， 控制装置常采用单片机或可编程控制器PLC 1.脉冲分配器 它接收来自控制器的脉冲信号和转向信号，把脉冲信号按一定的逻辑关 系分配到每一相脉冲放大器上，使步进电动机按选定的运行方式工作。 由于步进电动机各相绕组是按一定的通电顺序并不断循环来实现步进功 能的，因此脉冲分配器也称为环形分配器。 2.功率放大器
三、步进电动机的主要性能 1.精度 步进电动机的精度可用步距角误差最大值和步距累积误差最大值表示。 步距角误差最大值是指步进电动机旋转一圈后相邻两步之间最大步距角
和理想步距角的差值。
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任务一 步进电动机
步距累积误差最大值是指从任意位置开始经过任意步后，角位移误差的 最大值。在大多数情况下，采用步距累积误差来衡量所选用的步进电动 机的精度。
2.双相轮流通电方式
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任务一 步进电动机
“双”是指定子绕组每次切换前后有两相通电，则三相反应式步进电动 机的通电循环为AB →BC →CA →AB…或AC →CB →BA →AC…，称 为三相双三拍。它的步距角与单三拍控制方式相同，也是300。由于是 双相通电，具有力矩大、定位精度高、不易失步的特点。
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任务二 步进电动机的PLC控制
二、YKA2404MC驱动器 YKA2404 M C为具有细分功能的两相混合式步进电动机驱动器，其
外形如图4 -9 (a)所示。〕 1. YI}A2404MC端子说明 图4一9 (b)为YKA2404 MC端子图，表4一1为各端子说明。 2. DIP功能设定开关 在YKA2404 MC驱动器的侧面连接端子中间有一个六位DIP功能设定开
步进电机的开环控制和闭环控制
步进电机的开环控制和闭环控制一、步进电机的开环掌握1、步进电机开环伺服系统的一般构成图1 步进电机开环伺服系统步进电动机的电枢通断电次数和各相通电挨次打算了输出角位移和运动方向，掌握脉冲安排频率可实现步进电动机的速度掌握。
因此，步进电机掌握系统一般采纳开环掌握方式。
图为开环步进电动机掌握系统框图，系统主要由掌握器、功率放大器、步进电动机等组成。
2、步进电机的掌握器1、步进电机的硬件掌握步进电动机在—个脉冲的作用下，转过一个相应的步距角，因而只要掌握肯定的脉冲数，即可精确掌握步进电动机转过的相应的角度。
但步进电动机的各绕组必需按肯定的挨次通电才能正确工作，这种使电动机绕组的通断电挨次按输入脉冲的掌握而循环变化的过程称为环形脉冲安排。
实现环形安排的方法有两种。
一种是计算机软件安排，采纳查表或计算的方法使计算机的三个输出引脚依次输出满意速度和方向要求的环形安排脉冲信号。
这种方法能充分利用计算机软件资源，以削减硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲安排更显示出它的优点。
但由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。
另一种是硬件环形安排，采纳数字电路搭建或专用的环形安排器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。
采纳数字电路搭建的环形安排器通常由分立元件（如触发器、规律门等）构成，特点是体积大、成本高、牢靠性差。
2、步进电机的微机掌握：目前，伺服系统的数字掌握大都是采纳硬件与软件相结合的掌握方式，其中软件掌握方式一般是利用微机实现的。
这是由于基于微机实现的数字伺服掌握器与模拟伺服掌握器相比，具有下列优点：（1）能明显地降低掌握器硬件成本。
速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，硬件费用会变得很廉价。
体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。
（2）可显著改善掌握的牢靠性。
集成电路和大规模集成电路的平均无故障时（MTBF）大大长于分立元件电子电路。
（3）数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。
第3章 步进电动机的控制-1
这种反应式步进电动机的步距角较大，不适合一般用途的要求。
4.小步距角步进电动机
图3-1所示为三相反应式步进电动机。设m为相数，z为 转子的齿数则齿距：
tb 360 z
因为每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，各 相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。故步距角：
b
齿距 拍数 齿距 Km 360 Km z
通电方式: 从一相通电改换成另一相通电，即通电方式改变一次叫 “一拍”。步进电动机有单相轮流通电、双相轮流通电和单 双相轮流通电的方式。
3.多段反应式步进电机结构及工作原理
前面介绍的单段反应式步进电机是按 径向分相的，此外，还有一种反应式 步进电机是按轴向分相，这种步进电 机又称为多段反应式步进电机。 多段反应式步进电机是沿轴向分成磁 性相对独立的几段，每一段都有一组 励磁绕组，形成一相，因此，三相电 动机有三段，其结构如图3-2所示。 图3-2 三段三相反应式步进电动 机结构原理图
一、步进电动机的种类
1.按运动方式来分：分为旋转运动、直线运动、平面运动（印刷绕组式）和 滚切运动式步进电机。 2.按工作原理来分：分为反应式(磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁感应式 （混合式）步进电机。 3.按其工作方式来分：分为功率式和伺服式。前者输出转矩较大，能直接带 动较大的负载；后者输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通 过液压放大元件来传动。 4.按结构来分：分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。 5.按相数来分：分为三相、四相、五相、六相等。 6.按使用频率来分：分为高频步进电机和低频步进电机。 不同类型步进电机其工作原理、驱动装臵也不完全一样，但其工作过程 基本是相同的。
（3-2）
若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角应满足:
第3章 步进电动机的控制
步进电动机特点
电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比； 转向与通电相序有关。当它转一周后，没有累积误差，具有良好的跟 随性。 由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价， 又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控 系统。 步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相 应的措施。 步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。
小步距角步进电动机
若步进电动机通电的脉冲频率为ƒ(脉冲数/秒)，步距角用弧度表示，则 步进电动机的转速
2π f 60 θb 60 f Kmz = n= f 60 = 2π 2π Kmz
(r/min)
由上式可知，步进电动机在一定脉冲频率下，电动机的相数和转子齿数 越多，转速就越低。而且相数越多，驱动电源也越复杂，成本也就越高。
• 转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进电动机 • 用永久磁铁做转子的称为“永磁式”步进电动机。
目前以反应式步进电动机用得较多。
单段式三相反应式步进电动机的结构
磁极按照定子径向排列，径向分相式； 磁极按照定子径向排列，径向分相式； 电机的定子上有六个均布的磁极， 电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角 是60º。 60 。 定子磁极数为相数的两倍，即2p=2m； 定子磁极数为相数的两倍， 2p=2m； 每个磁极上都装有控制绕组，并接成m 每个磁极上都装有控制绕组，并接成m相； 转子上均布40个小齿。 转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距 40个小齿 为360º/40=9 360 /40=9º /40=9 定子每个磁极的极弧上也有5个小齿， 定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定 子和转子的齿距和齿宽均相同
第3章步进电动机的控制
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。
机电控制
第一章 机电传动断续控制1、电动机的自动控制方式有（断续控制）、（连续控制）和（数字控制）三种方式。
机电传动系统：电源、控制设备、电动机、传动装置、工作机构。
旋转磁场的转速n 0称为同步转速，其大小取决于（电流频率f1）和（磁场的极对数p ）。
人为机械特性有（降低定子电压）、（转子电路串接对称电阻）、（改变定子电源频率）、（改变极对数）等特性。
异步电动机的起动有（直接起动）、（降压起动）、（绕线型电动机转子串电阻起动），制动有（能耗制动）、（转子反转的反接制动）、（定子两相反接的反接制动）、（发电反馈制动）。
2、执行电器KM （电磁铁、接触器）、检测电器SB 、ST 、K 、KS （按钮开关、行程开关、电流及电压继电器、速度继电器）、控制电器KA 、KT （中间继电器、时间继电器）、保护电器FR 、FU 、QF （热继电器、熔断器、低压断路器）的定义。
a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 、i 、j 、k 分别表示（动合按钮）、（动断按钮）、（复合按钮）、（行程开关的动合触点）、（动断触点）、（时间继电器的得电延时型）、（得电延时型的动作触点）、（时间继电器的失电延时型）、（失电延时型的动作触点）、（热继电器的热元件）、（热继电器的动断触点）。
接触器的辅助动合触点。
3、电器设备图纸有（电气控制原理图）、（电气设备位置图）和（电气设备接线图）。
电器原理图中应将（电源电路）、（主电路）、（控制电路）和（信号电路）分开绘制。
电器原理图中同一电气元件的各个部件按其在电路中所起的作用，它的图形符号可以（不画）在一起，但代表同一元件的文字符号（必须相同）。
4、 每个接触器线圈的文字符号下面有两条竖直线分成左、中、右三栏，栏中写有受其控制而动作的触点所处图区数字。
左栏为（主触点）所处图区号，中栏为（辅助动合触点）所在图区号，右栏为（辅助动断触点）所在图区号。
每个继电器线圈文字符号下面有一条竖直线分成左、右栏，其左栏为（动合触点）所处图区号，左栏为（动断触点）所处图区号，对于（备用触点）用记号“×”标出。
步进电动机
是一种将数字式电脉冲信号转换成机械位移（角位移或 线位移）的机电执行元件。它的机械位移与输入的数字 脉冲有着严格的对应关系，即一个脉冲信号可使步进电 动机前进一步，所以称为步进电动机。 主要优点 能直接实现数字控制 ；控制性能好 ；无电刷和换向器 ； 抗干扰能力强 ；无累积定位误差 ；（1） 具有自锁能力 （磁阻式）和保持转距（永磁式），可重复堵转而不损坏； 机械结构简单、坚固耐用。 主要缺点 运动增量和步距角是固定的，在步进分辨率方面缺乏灵活 性 ；需要专用的驱动电路。
步进式旋转磁场的产生： 当A相控制绕组通电时， 由于B、C两相不通电， 此时产生的磁阻转矩使转 子齿轴线与定子磁极轴线 对齐，即磁阻转矩使转子 齿1、3和定子极A－A对 齐。
控制元件
磁阻式步进电动机的工作原理
• 当A相控制绕组通电时，由于B、C两相不通电，此 时产生的磁阻转矩使转子齿轴线与定子磁极轴线对 齐，即磁阻转矩使转子齿1、3和定子极A－A对齐。 之后，A相断电，B相控制绕组通电而C相不通电时， 则转子便按逆时针方向转过300角度，使转子齿2和4 的轴线与定子B－B极轴线对齐。断开B相，接通C相， 则转子再转过300，使转子1和3的轴线与C－C极轴线 对齐。如此按A-B-C-A的顺序通电，转子就会一步 一步地按逆时针方向转动，如图所示。其转速取决 于各控制绕组通电和断电的频率（即输入的脉冲频 率），旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。 若按A-C-B-A的顺序通电，则电机反向转动。
控制元件
磁阻式步进电动机的工作原理
齿距角：转子每一相邻两齿轴线间的距离所对应的空间 角度，即 3600 θt = Zr 图示为三相六极步进电动机，Zr=4，所以它的齿距角θt=900。 •磁阻式步进电动机的工作原理 磁阻式步进电动机的工作原理 简单：旋转磁场+磁阻转矩 详细：各相绕组轮流通电，形成步 进式旋转磁场。磁阻转矩使转子转 到磁阻最小的位置。 极距： 相邻异性磁极轴线之间的夹角
步进电机
主要缺点：效率较低，需配适当的驱动电源， 主要缺点：效率较低，需配适当的驱动电源，
带惯性负载的能力不强。 带惯性负载的能力不强。
种类： 种类： 磁阻式(反应式) 励 磁 方 式 永磁式 混合式
转子有多相磁极，而转子用软磁材料制成,三相 转子用永磁材料制成，这样可提高电机 的输出转矩，减少定子绕组的电流。两 相 两相、三相和五相
1 结构
步进电机主要由两部分构成：定子和转子。 步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均 由磁性材料构成，其上分别有六个、 由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。 定子绕组
反应式步进电机的定子上有 磁极， 磁极，每个磁极上有激磁绕 转子无绕组， 定子组，转子无绕组，有周向均 布的齿， 布的齿，依靠磁极对齿的吸 合工作。 合工作。如图所示为三相步 进电机，定子上有三对磁极， 进电机，定子上有三对磁极， 分成A、 、 三相 三相。 分成 、B、C三相。为简 化分析，假设转子只有4个 化分析，假设转子只有 个 齿。
以上三种工作方式， 以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六 拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。 拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。
2 步进电机的主要特性 2.1 步距角及其精度 指每给一个脉冲信号，电动机转子应转过角度的 理论值。它取决于电机结构和控制方式。步距角 可按下式计算：
根据结构分类 步进电机可制成轴向单段式和多段式。多段式又 称为轴向分相式，定子每相是一个独立的段，各 段只有一个绕组，结构完全相同，
1－ 线圈
2－ 定子
3－转子
三段式（三定子）轴向分相步进电机 三段式（三定子）
旋转励磁型5相步进电机 减速－制动复合型5相步进电机
步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电机驱动 步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（ ）。控制器 脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量， 控制器（ 器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的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， 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。 速的目的。
单片机控制步进电机的原理
单片机控制步进电机的原理
单片机控制步进电机是通过对步进电机的相序进行控制，从而实现不同的转动效果。
步进电机通常由定子和转子组成，定子上的绕组接通不同的电流即可实现不同的步进角度。
在单片机控制步进电机过程中，首先需要电源为步进电机提供工作电压。
然后，通过单片机的输出引脚来控制步进电机驱动器的相序，驱动器根据接收到的相序信号，将不同的电流通入步进电机的不同相序绕组，从而引起转子的步进运动。
单片机通常会配置一个时序驱动器，用来产生相序信号。
时序驱动器内部会保存一个相序表，包含所有可能的相序组合。
单片机通过改变时序驱动器的输入信号，来改变驱动器输出的相序信号，从而实现对步进电机的控制。
在实际应用中，单片机一般使用脉冲信号来驱动步进电机。
每个脉冲信号会引起步进电机转动一个固定的角度，这个角度取决于步进电机的结构特性，如步距角等。
通过改变脉冲信号的频率和相序，可以控制步进电机的转速和转向。
例如，正转时，依次给出相序A、B、C、D；反转时，依次给出相序D、C、B、A。
这样，单片机通过控制相序信
号的变化，就能控制步进电机的运动模式。
除此之外，单片机还可以结合其他传感器信息来实现更复杂的步进电机控制。
例如，通过接收光电传感器的信号，可以实现步进电机在指定位置停止；通过接收陀螺仪的信号，可以实现
步进电机的姿态控制等。
总之，单片机控制步进电机的原理是通过改变步进电机的相序，从而控制步进电机的转动效果。
这样的控制方式简单可靠，广泛应用于各种工业自动化和机器人控制领域。
步进电动机正反转控制方法
步进电动机正反转控制方法
步进电动机是一种可编程的电机驱动器，可以通过控制其步进序列来实现精确的控制。
步进电动机的正反转是一个重要的功能，以下是实现步进电动机正反转的一些方法:
1. 使用两个不同的控制信号来控制步进电动机的正反转。
这种方法需要使用两个不同的控制信号，一个用于正转，另一个用于反转。
在控制电路中，需要将两个信号进行切换，以实现步进电动机的正反转。
2. 使用一个控制信号，通过控制步进电动机的步进序列来实现反转。
这种方法需要使用一个控制信号，将其与步进电动机的步进序列进行关联，以实现反转。
例如，当控制信号为高电平时，步进电动机会正向旋转;当控制信号为低电平时，步进电动机会反向旋转。
3. 使用反转开关来控制步进电动机的正反转。
这种方法需要使用一个反转开关，将其设置为“开”或“关”,以控制步进电动机的正反转。
在控制电路中，需要将反转开关的信号与步进电动机的控制信号进行关联，以实现反转。
以上是三种常见的实现步进电动机正反转的方法。
每种方法都有其优缺点，具体选择哪种方法取决于具体的应用场景和需求。
例如，使用两个不同的控制信号来控制步进电动机的正反转方法可以提供更精确的控制，但需要更多的电路和元件;使用反转开关来控制步进电动机的正反转方法则更为简单，但无法控制步进电动机的精确旋转方向。
自动控制元件部分课后题答案
自动控制元件 部分课后题答案第一章 直流伺服电动机1-1直流伺服电动机的电磁转矩和控制电流由什么决定？答：a ：由T em =C m ΦI a 知电磁转矩由每极磁通量和绕组电流大小决定。
b ：由T em =T 0 +T 2 =CmΦIa 控制电流由负载转矩(T 2)和空载转矩(T 0)大小决定。
1-2当直流伺服电动机的负载转矩恒定不变时，控制电压升高将使稳态的电磁转矩、控制电流、转速发生怎样的变化？为什么？答：a ：电磁转矩T em =T 0 +T 2可见电磁转矩也不变。
由T em =C m ΦI a 知控制电流I a 也不变b ：KeKtRaTem Ke Ua n -=知T em 不变可见U a 转速升高理想空载转速变大导致转速n 升高。
1-3已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V ，额定运行时电枢电流Ia=0.4A ，转速n=3600rpm ，它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=15mN.m 。
试问该电动机额定负载转矩是多少？答：Ea= Ua- IaRa=110-0.4×50=90VEa=Ce Φn, Ce=0.105Cm Cm Φ=0.23836000.10590n 105.0=⨯=⨯Ea T em =T 0 +T 2=CmΦIa→T 2=CmΦIa -T 0 =0.40.238=0.0952-15×10-3=80.2mN.m 1-6当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化？并说明由原来的状态到新的稳态的物理过程。
答：磁转矩T em =T 0 +T 2可见T 2 ↓电磁转矩也↓。
由T em =C m ΦI a 知控制电流I a ↓Ea= Ua- IaRa 可见I a ↓知Ea↑，由Ea=Ce Φn 知Ea↑知n ↑第二章 直流测速发电机2-4某直流测速发电机，其电枢电压U=50V ，负载电阻R L =3000Ω，电枢电阻Ra=180Ω，转速n=3000rpm ，求该转速下的空载输出电压Uo 和输出电流Ia 。
步进电机控制系统设计
步进电机控制系统设计目录1绪论 (3)1.1 步进电机概述 (3)1.2 步进电机的特征 (3)1.3 步进电机驱动系统概述 (4)1.4 课题研究的主要内容 (4)2步进电机驱动系统的方案论证 (5)2.1 步进电机驱动系统简介 (5)2.2 步进电机驱动器的特点 (5)2.3 混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较 (6)2.3.1 双极性驱动器与单极性驱动器 (6)2.3.2 单电压驱动方式 (8)2.3.3 高低压驱动方式 (9)2.3.4 斩波恒流驱动 (10)2.4 方案的确定 (10)3混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计 (11)3.1单片机最小系统 (11)3.2 红外遥控电路 (12)3.2.1 红外发射电路 (12)3.2.2 红外接收电路 (13)3.3 LCD显示电路 (14)3.4 双机通讯 (15)3.5 步进电机驱动部分 (16)3.5.1 单极性步进电机驱动 (16)3.5.2 双极性步进电机驱动 (18)3.6 电源电路 (18)4 软件设计 (19)4.1 主机LCD显示菜单程序 (19)4.2 双机通讯程序 (20)4.3 下位机步进电机驱动程序 (22)5 驱动器试验结果 (24)5.1 概述 (24)5.2 试验内容和结论 (24)总结 (26)参考文献 (27)1绪论1.1 步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线性运动的执行器。
它由步进电机及其动力驱动装置组成，形成开环定位运动系统。
当步进驱动器接收到脉冲信号时，它驱动步进电机以设定方向以固定角度（步进角度）旋转。
脉冲输入越多，电机旋转的角度越大;输入脉冲的频率越高，电机的速度越快。
因此，可以通过控制脉冲数来控制角位移，从而达到精确定位的目的;同时，通过控制脉冲频率可以控制电机转速，从而达到调速的目的。
根据自身结构，步进电机可分为三类：反应型（VR），永磁型（PM）和混合型（HB）。
混合式步进电机具有无功和永磁两种优点，应用越来越广泛。
步进电机的细分控制理论
(3-5)
使得 ∑ ω (θ n )[in − ϕ ∗ (θ n )]2 最小。
n =1
N
−
则选择 in = ϕ ∗ (θ n ) 作为细分电流与细分步距角的函数关系式。 关于 a ∗ n ( n = 0，l，２…N )的求解方法，在诸多计算数学的著作（如文献[34]）中已 经有论述，在此不在详述。 前面提到线性+正弦的规律是线性和正弦两种规律的组合，由于这种电流的变化 规律和理论分析得出的步进电机非线性趋势相吻合，故一般这种波形的驱动均匀性 好，振动最小。并且这种方法比较容易实现，本文在此基础上来确定细分电流。
Te = 2 KTp I max sin(α − Z rθ )
(3-2)
(3-3)
根据转矩的表达式(3-3)可以看出它与同步电机有相似的形式，此时两相混合式步 进电动机可以作为一台多极两相永磁同步电机分析，如果转子有Zr个齿，则它的特性 相当于一台2Zr极的两相同步电动机。对于理想化模型 (不计铁芯饱和的影响并忽略主 磁导中高次谐波的影响)，两相混合式步进电机定子两相分别通入模拟的正、余弦电流 则可得到类似同步机的转矩特性，使电机均匀旋转。微步驱动正是用有限的数字化电 流量来模拟正余弦电流，得到好的效果。 按照式(3-1)对电机A、B两相电流进行控制时，每当 α 变化1o ，步进电机转子就转 过1/360的步距角，从而实现电机的360细分控制。由 α 的不同就可以确立不同的细分 方式。图3.2是 α 的步长为 变化情况。
A相
B相
图3.1
绕组阶梯电流波形图
如上所述步进电机细分驱动的实质是把对定子绕组改为阶梯形电流波供电。要求 定子绕组中的电流以若干个等宽的阶梯上升到额定值，或以同样的阶梯从额定值下降 到零。 对两相混合式步进电机的电磁转矩分析我们得到了转矩表达式(2-28)。即：
第三章步进电动机的控制
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。
程宪平 机电传动与控制(第三版)3第三章
27
三、性能指标
第3章 控制电机
3-5 直线电动机
直线电动机是一种能直接将电能转换为直线运动的 伺服驱动部件，与普通直流电动机、异步电动机等 的工作原理相同； 在结构型式上一般把定子与转子作成初级与次级 长度不等的平面，把一方固定不动，而另一方在 电磁力的推动下作直线运动。 机械特性、调速特性等均与普通电动机相同。 在一些作直线运动的场所，采用直线电动机作驱动 部件，可简化机构、提高精度、减少振动和噪声， 加快过渡过程、改善散热条件， 但它有效率与功率因数较低等缺点。
机 电 传 动 控 制
—
直流伺服电动机 的原理图
SM
直流伺服电动机电枢控制时的机械特性
10
优缺点比较：
机 电 传 动 控 制
直流伺服电动机：转矩大，线性度好， 机械特性硬；效率高，功率大；结构复 杂，维护困难，有无线干扰。 交流伺服电动机：非线性特性曲线，影 响系统动态精度；体积大，效率低；结 构简单，运行可靠，维护方便。
18
机 电 传 动 控 制
第3章 控制电机
3-4 步进电动机 二、工作原理
机 电 传 动 控 制
三相单三拍运行方式 反应式步进电机工作原理图
19
第3章 控制电机
3-4 步进电动机 二、工作原理
三相单三拍 A→B→C 0° 30° 60°
机 电 传 动 控 制
0°
15°
三相单、双六拍 A→AB→B ↑ ↓ CA←C←BC 30° 思考：相数m为二相、 四相、五相、六相…
转换为角位移或直线运动的执行部件。
五相十拍步进电机控制设计
目录第1章引言 2 第2章系统总体方案设计3 2.1 五相十拍步进电动机的控制要求 3 2.2 方案原理分析 3 2.3 方案设计思路 4 第3章PLC控制系统设计 5 3.1 I/O地址分配 5 3.2 PLC外部接线图 5 3.3 步进控制设计 6 3.4 梯形图设计 8 3.5 调试说明 19 结束语20 参考文献21第1章引言步进电机作为执行元件，是电气自动化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。
步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。
目前，比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电机。
但采用单片机控制，不仅要设计复杂的控制程序和I/O接口电路，实现比较麻烦。
基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。
步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。
矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。
改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。
对五相十拍步进电机的控制，主要分为两个方面：五相绕组的接通与断开顺序控制。
正转顺序：ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB 反转顺序：ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB以及每个步距角的行进速度。
围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下：1、可正转或反转；2、运行过程中，步进三种速度可分为高速（0.05S），中速（0.3S）,低速（0.5S）三档，并可随时手控变速；下面介绍一种基于PLC的步进电机控制的方法。
第2章系统总体方案设计2.1 五相十拍步进电动机的控制要求1．五相步进电动机有五个绕组: A、B、C、D、E ,正转顺序: ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB反转顺序: ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB2．用五个开关控制其工作：1号开关控制其运行( 启/ 停)。
第3章 执行元件
机电一体化
8、步进电机的升降速控制
如要求步进电动机运行速度低，运行脉冲频率低于它本 身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并 以该频率连续运行； 停止的时候，可以从运行频率直接降到零速，无需升降 频控制。 如要求运行速度较高，脉冲 频率选择不当，步进电机或者不 能正常启动，或者由于惯性不能 准确地移到新的位置，即发生失 步或过冲现象。 在步进电机开环控制系统中， 如何防止失步或过冲是步进电机 开环控制系统能否正常运行的关 键。
机电一体化
三、步进电动机及其驱动
将电脉冲信号转换成机械角位移的 执行元件。 每当电动机绕组接受一个电脉冲， 转子就转过一个相应的步距角。 转子角位移的大小及转速分别 与输入的电脉冲数及频率成正比， 并在时间上与输入脉冲同步。 只要控制输入电脉冲的数量、 频率以及电动机绕组的通电顺序， 电动机即可获得所需的转角、转速 及转向，很容易用微机实现数字控 制。
机电一体化
6、步进电机驱动电源
单电压驱动
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机电一体化
单电压驱动（3相功放）
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机电一体化
高、低压双电压驱动电路
回首页
机电一体化
高、低压双电压驱动电路
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机电一体化
斩波恒流驱动电路
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机电一体化
7、步进电机的细分驱动
基本步距角的大小只有两种，即整步或半步工作（如三相三 拍，三相六拍工作方式：1.5°/0.75°）。步距角已由步进电 动机结构所确定。 如果要求步进电动机有更小的转角（实际步距角）或者为减 小电动机振动、噪声等原因，可以在每次脉冲切换时，不将绕 组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一 部分，电动机转过的每步运动也只是基本步距角的一部分。 绕组电流不再是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式 的投入或切除。电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数 转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法 被称为细分驱动。 细分驱动的特点：在不改动电动 机结构参数的情况下，可使运行平稳， 提高匀速性，减弱或消除振荡。但细 分后的步距角精度并未提高，功率放 大驱动电路也相应复杂。 回首页
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现以三相步进电动机为例说明步进电动机的通电方式。 （1）三相单三拍通电方式 其通电顺序为A—B—C—A。“三相”即是三相
步进电动机，每次只有一相绕组通电，而每一个循环只有三次通电，故称为 三相单三拍运行。 单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位 置附近产生振荡，运行稳定性较差。另外，在切换时一相控制绕组断电而另 一相控制绕组开始通电，容易造成失步，因而实际上很少采用这种通电方式。 （2）双三拍通电方式 其通电顺序为AB—BC—CA—AB。这种通电方式由 两相同时通电，转子受到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高。另外， 转换时始终有一相的控制绕组通电，所以工作稳定，不易失步。 （3）三相六拍通电方式 其通电顺序为A—AB—B—BC—C—CA—A。这 种通电方式是单、双相轮流通电。它具有双三拍的特点，且通电状态增加一 倍，而使步距角减少一半。三相六拍步距角为15º。这种反应式步进电动机 的步距角较大，不适合一般用途的要求。实际的步进电动机是一种小步距的 步进电动机。
若步进电动机通电的脉冲频率为ƒ(脉冲数/秒)步距角用弧度表示，则步进电
动机的转速 n=
2
b f 60 Kmz f 60 60 f
2
2
Kmz
(r/min)
（3—3）
由上式可知，步进电动机在一定脉冲频率下，电动机的相数和转子齿数越多，
转速就越低。而且相数越多，驱动电源也越复杂，成本也就越高。
步进电动机应用在机床上一般是通过减速器和丝杆螺母副带动工作台移动。 所以，步距角θ对应工作台的移动量便是工作台的最小运动单位，也称脉冲 当量δ（mm/脉冲）
• 阻尼方法，消除振荡是通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼法和 电子阻尼法两大类。机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器；电 子阻尼法有多种，主要有：多相励磁法、变频变压法、细分步法、反相阻尼 法等。
步进电动机的驱动方法
步进电动机的运行特性，不仅与步进电动机 本身的特性和负载有关，而且与配套使用的驱动 电源（即驱动电路）有着十分密切的关系。选择 性能优良的驱动电源对于充分发挥步进电动机的 性能是十分重要的。
FZ： MOV A，R0
MOV DPTR，#ABC
；指向数据存放首地址
经分配器输出的脉冲，未经放大时，其驱动功率很 小，而步进电动机绕组需要相当大的功率，即需要较大 的电流才能工作。所以由分配器输出的脉冲还需进行功 率放大才能驱动步进电动机。
步进电动机驱动电源设计
驱动电源主要包括脉冲发生器（变频 信号源）、环形分配器（又称脉冲分配器） 和功率放大器几个基本部分。变频信号源 是一个频率可从几十Hz到几十kHz连续变 化的脉冲发生器。经济型数控系统中，脉 冲的产生和分配均由微机来完成。下面主 要介绍环形分配器和功率放大器。
环形分配器
步进电动机的每相绕组不是恒定的通 电，而是按照一定的规律轮流通电，环形 分配器的作用是将控制脉冲按规定方式分 配到各相绕组上。环形分配器是根据步进 电动机的相数和要求通电的方式来设计的。 环形分配器有硬件环形分配器、软件环形 分配器。
硬件环形分配器
触发器型环形分配器
环形分配器种类很多，可以由D触发器或JK触发器所组成。图3—8是一个由3只J-K触发器 及12个与非门组成的三相六拍的环形分配器。
步进电动机技术指标实例，步进电动机的型号表示方法举例如下（不同生产 厂家其表示方法也有所不同） 反应式步进电动机： （如150BF003）
混合式步进电动机：（如42BYG008）
永磁式步进电动机：
步进电动机的振荡、失步及解决方法
• 振荡，步进电动机的振荡现象主要发生于：步进电动机工作在低频区；步进电动机工作 在共振区；步进电动机突然停车时。当步进电动机工作在高频区时，由于换相周期短， 转子来不及反冲。同时绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所 以在这个工作区中不会产生振荡。减小步距角可以减小振荡幅值，以达到削弱振荡的目 的。
步进电动机有如下特点： 1) 电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成
正比；转向与通电相序有关。当它转一周后，没有累积误差，具有 良好的跟随性。 2) 由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉 价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭 环数控系统。 3) 步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 4) 步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采 取相应的措施。 5) 步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序，可得到各 种需要的运行特性。
• 失步，步进电动机的失步原因有两种。第一种是转子的转速慢于旋转磁场的 速度，或者说慢于换相速度。例如，步进电动机在启动时，如果脉冲的频率 较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的 速度，所以引起失步。因此步进电动机有一个启动频率，超过启动频率启动 时，肯定会产生失步。注意，启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、 减小电动机转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率。第二 种是转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和突然换相时， 转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。
；送控制字到P1口
RET
ABC： DB 0FCH，0F8H，0F9H，0F1H，0F3H 控制字
；10个
DB 0E3H，0E7H，0E6H，0EEH，0ECH
反转程序为：
CCW： DEC R0
；反转减1(反序)
CJNE R0，#0FFH，FZ
修正为9
；如果计数器等于FFH
MOV R0，#09H
若步进电动机的转子齿数z=40，按三相单三拍运行时，K=1，m=3
b
360 1 3 40
3
若按五相十拍运行时，则K=2，m=5，z=40
b
360 2 5 40
0.9
可见，步进电动机的相数和转子齿数越多，步距角就越小，控制越精确。 故步进电动机可以做成三相，也可以做成二相、四相、五相、六相或更多 相数。
单段式三相反应式步进电动机的结构
三段式三相反应式步进电动机结构
反应式步进电动机的工作原理
通电方式
从一相通电改换成另一相通电，即通电方 式改变一次叫“一拍”。步进电动机有单 相轮流通电、双相轮流通电和单双相轮流 通电的方式。“单”是指每次切换前后只 有一相绕组通电；“双”就是指每次有两 相绕组通电。
例３—１ 一台三相反应式步进电动机，采用三相六 拍分配方式，转子有40个齿，脉冲频率为600HZ，求： ⑴写出一个循环的通电程序。⑵步进电动机步距角。⑶ 步进电动机转速。
解 ⑴ 脉冲分配方式有两种：A—AB—B—BC—C—CA 或 A—AC—C—CB—B—BA
⑵ 根据 b
齿距 拍数
齿距 Km
360 Kmz
CW： INC R0
；正转加1
CJNE R0，#0AH，ZZ
为0
；如果计数器等于10修正
MOV R0，#00H
ZZ： MOV A，R0
；计数器值送A
MOV DPTR，#ABC
；指向数据存放首地址
MOV DPTR，#ABC
；指向数据存放首地址
MOVC A，@A+DPTR
；取控制字
MOV P1，A
步进电动机或称脉冲电动机，是一种将电脉 冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执 行元件。步进电动机实际上是一个数字/角度转 换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个 电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为 “一步”，这个固定的角度称为步距角。步进电 动机的运动状态是步进形式的，故称为“步进电 动机”。从步进电动机定子绕组所加的电源形式 来看，与一般交流和直流电动机也有区别，既不 是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压、电 流，所以有时也称为脉冲电动机或电脉冲马达。
步进电动机的驱动方法是与驱动电源有关的。 驱动电源按供电方式分类，有单电压供电、双电 压供电、调频调压供电；按功率驱动部分所用元 件分类，有大功率晶体管驱动、快速晶闸管驱动、 可关断晶闸管驱动、混合驱动。图3—7为步进电 动机驱动系统原理图。
步进电动机的控制方法可归纳为两点：第一，按预 定的工作方式分配各个绕组的通电脉冲；第二，控制步 进电动机的速度，使它始终遵循加速—匀速—减速的运 动规律工作。控制绕组是按一定的通电方式工作的，为 了实现这种轮流通电，必须依靠环形分配器将控制脉冲 按规定的通电方式分配到各相控制绕组上。环形分配可 以用硬件电路来实现，也可以由微机通过软件进行。
环形分配器集成芯片
目前市场上有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的 集成脉冲分配器供选择。按其电路结构不同可分为TTL集 成电路和CMOS集成电路。如国产TTL脉冲分配器有三相 （YBO13）、四相（YBO14）、五相（YBO15）和六 相（YBO16），均为18个管脚的直插式封装。CMOS集 成脉冲分配器也有不同型号。如CH250型是专为三相反 应式步进电动机设计的环形分配器。封装形式为16脚直
小步距角步进电动机
图3—1所示的为三相反应式步进电动机。设m为相数，z为转子的齿数则
齿距
tb=
360 z
（3—1）
因为每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，各相绕组轮流通电一次，
转子就转过一个齿距。故步距角
b
齿距 拍数
齿距 Km
360 Kmz
（3—2）
式中 K为状态系数，K=拍数/相数。
伺服系统
第3 篇
步进电动机的控制
内容提要
步进电动机的工作原理及驱动方法 步进电动机的开、闭环控制 步进电动机的最佳点-位控制 步进电动机控制的程序设计
步进电动机的工作原理及驱动方法
步进电动机的种类 步进电动机的工作原理 步进电动机的驱动方法 步进电动机驱动电源设计 步进电动机与微机的接口技术