第三节步进电动机及其驱动
一、步进电机的特点与种类
1.步进电机的特点
步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，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、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。
步进电动机具有以下特点：
?工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响；
?步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ；
?由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易；
?控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；
?不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；
?缺点是能量效率较低。
就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说，可将其分为以下三种：
（1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫反应式步进电动机
（2）永磁(PM-Permanent Magnet)型
（3）混合(HB-Hybrid)型
（1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)
结构原理：该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机。其结构原理如图3.5定子1
上嵌有线圈，转子2朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁阻型。
图3.6 可变式阻步进电机
可变磁阻步进电机的特点：
反应式电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力；
需要将气隙作得尽可能小，例如几个微米；
结构简单，运行频率高，可产生中等转矩，步距角小（0.09~9°）
制造材料费用低；
有些数控机床及工业机器人上使用。
（3）混合(HB-Hybrid)型
结构原理
这类电机是PM式和VR式的复合形式。其定子与VR类似，表面制有小齿，转子由永磁铁和铁心构成，同样切有小齿，为了减小步距角可以在结构上增加转子和定子的齿数。其结构如图3.7所示。
混合式步进电机特点:
HB兼有PM和VR式步进电机的特点：
步距角可以做得较小(0.9~3.6°)；
无励磁时具有保持力；
可以产生较大转矩，应用较广。
拍:从一相通电换接到另一相通电称为一拍。
三相单三拍：通电方式A-B-C-A →… ，步距角为30度
三相双三拍：通电方式AB→BC→CA→AB →… ，步距角为30°
三相六拍：通电方式A→AB→B→BC→C→CA→A→…，步距角为l5°（见图3.9）。
二、步进电机的工作原理
步进电动机的步距角越小，意味着它所能达到的位置精度越高。通常的步矩角是1.5o或0.75o。为此需要将转子做成多极式的，并在定子磁极上制成小齿，定子磁极上的小齿和转子磁极上的小齿大小、齿宽和齿距一样。当一相定子磁极的小
齿与转子的齿对齐时，其它两相磁极的小齿都与转子的齿错过一个角度。按着相序，后一相比前一相错开的角度要大。
步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，用下式计算：
α＝360o/(Zm)
式中,Z—转子齿数；m—运行拍数，通常等于相数或相数整数倍，即m=KN(N 为电动机的相数，单拍时K＝1，双拍时K＝2)。
三、步进电动机的性能指标及运行特性
1. 步距角α（分辨力）
0.6/1.2，0.75/1.5，0.9/1.8，1/2，1.5/3
步距角为α与系统脉冲当量为δ和丝杠基本导程为l0的条件下，减速比的匹配关系：
δ={[α/(3600)]/i}l0
所以，
i＝αl0／(3600)δ
2. 静态特性：步进电动机的静态特性是指它在稳定状态时的特性，包括矩-角特性、静转矩等。
在空载状态下，给步进电动机某相通以直流电流时，转子齿的中心线与定子齿的中心线相重合，转子上没有转矩输出。如果在电动机转于轴上加一负载转矩TL，定子与转子之间将有一角位移θe(见图3.11)，称为失调角。此时转子上的电磁转矩与负载转矩相等，称为静态转矩T j。
T j-θe的关系曲线为矩-角特性曲线（图3.12 ）。
3动态特性
1）动态稳定区
2）启动转矩
在某一通电方式下，各相的矩-角特性总和为矩-角特性曲线族，每一曲线依次错开的电角度为θe＝2π/3m，m为运行拍数。A相与B相矩-角特性曲线之交点所对应的转矩T q被称为起动转矩。
3）空载启动频率与惯-频特性：在空（负）载条件下，步进电机转子从静止状态不失步地起动的最大控制频率称为空载起动频率 (fq)。
当带负载起动时，所允许的起动控制频率会大大下降，它反映了电机跟踪的快速性，且随负载惯量的增加而下降。步进电动机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动惯量之间的关系为惯-频特性。
除惯性负载之外，还有外负载转矩，则起跳频率将会进一步下降。
90BF002型步进电动机的启动矩频特性曲线和运行矩频特性。
4）最高连续运行频率及矩-频特性：步进电机在连续运行时所能接受的最高控制频率被称为最高运行频率（f max）。电动机在连续运行状态下，其电磁转矩随控制频率的升高而逐步下降。这种转矩与控制频率之间的变化关系称为矩-频特性。
四、步进电机的型号表示方法
不同生产厂家的步进电机型号表示方法也不尽相同，举例如下：
步进电机的尺寸
实物的步进电机及驱动器
五、步进电机的驱动与控制
1.步进电机的驱动
步进电机的驱动包括脉冲分配器和功率放大器等
微机或数控装置等送来的脉冲信号及方向信号应按要求的配电方式自动循环地供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电动机的转角及转速。
（1）脉冲分配器
步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作，（环形）脉冲分配器就是实现该功能的。
实现方法有三种：
①软环分：利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配。以下图所示的微机控制三相步进电机为例，对其软环分状态进行详细介绍。
可将表中状态代码0lH、03H、02H、06H、04H、05H列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正反转。通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速。
该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补一次的时间增加，易影响步进电动机的运行速度。
②采用小规模集成电路搭接
图3.15为用双稳态触发器C1、C2、C3搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器，利用这种方式可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间，但柔性较差，硬件一旦完成就不易修改。
③采用专用环形分配器器件
图为市售的CH250即为一种三相步进电动机专用环形分配器。它可以实现三相步进电动机的各种环形分配（双三拍，单六拍等），使用方便、接口简单。图3.16为CH250的管脚图，图b为三相六拍接线图。
③采用专用环形分配器器件管脚A、B、C为相输出端;管脚R、R*用于确定初始励磁相:若为10，则为A相，若为01，则为A、B相，若为00，则为环形分配器工作状态;管脚CL、EN为进给脉冲输入端:若EN=1，进给脉冲接CL，脉冲上升沿使环形分配器工作，若CL=0，进给脉冲接EN，脉冲下降沿使环形分配器工作，否则环形分配器状态锁定;管脚J3r、J3L、J6r、J6L为三拍或六拍工作方式的控制端;管脚UD、US为电源端。
（2）功率放大器
从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，须采用功率放大器将脉冲电流进行放大才能驱动步进电动机运转。电动机各相绕组都是感性负载，通电时，电流上升率受到限制；断电时，又会产生反电动势，为使电流尽快衰减，增加适当的续流回路。
仅仅介绍简单的单电压功率放大电路。
单电压功率放大电路优点：是线路简单；缺点是电流上升慢，高频时负载能力低。
实用驱动系统
KT350步进电动机驱动器的外形及接口图。其中接线端子排A、A、B、B、C、C、D、D、E、E接至电动机的各相;AC为电源进线，用于接50Hz、80V的交流电源，端子G用于接地;连接器CN1为一个9芯连接器，可与控制装置连接。RPW、CP为两个LED指示灯;SW是一个四位拨动开关，用于设置步进电动机的控制方式。
其中第1位用于脉冲控制模式的选择，OFF位置为单脉冲控制方式，ON位置为双脉冲控制方式;第2位用于运行方向的选择（仅在单脉冲方式时有效），OFF位置为标准运行，ON位置为单方向运行;第3位用于整.半步运行模式选择，OFF 位置时，电动机以半步方式运行，ON位置时，电动机以整步方式运行;第4位用于运行状态控制，OFF位置时，驱动器接受外部脉冲控制运行，ON位置时，自动试机运行（不需外部脉冲）。
图示为混合式步进电动机驱动器的典型接线图。
图混合式步进电动机驱动器的典型接线图
步进电机控制系统
2.步进电机的控制
（1）控制方式：使用微机对步进电动机进行控制有串行和并行两种方式。
①串行控制：将微机送出的脉冲串和方向信号送入驱动电源，由驱动电源进行脉冲分配和功率放大，并驱动步进电机转动（图3.24a）。
特点是使用的信号线少；可进行远距离传输；但驱动电源中必须含有环形分配器。
②并行控制：由微机对脉冲串进行分配，并同时经并行端口送入驱动电源驱动步进电机转动（图3.24b）。
特点是使用的信号线多；传输速度快；一般由微机进行软环分，所以驱动电源只需进行功率放大。
（2）速度控制
控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出步进脉冲的频率或者换相的周期。系统可用两种办法来确定步进脉冲的周期：
①软件延时通过调用延时子程序的方法来实现，占有CPU时间。
②用定时器通过设置定时器时间常数的方法来实现，需硬件支持。
①软件延时
②用定时器
加减速规律一般有①按照直线规律升速②按指数规律升速两种。其实现也可以由软件延时和定时器两种方法。当利用定时器方式时，实质就是不断改变定时器装载值的大小。为了减少每步计算装载值的时间，可用阶梯曲线来逼近理想升降曲线。这样，每次装载，软件系统可通过查表的方法，查出所需要的装载值。
下面以最简单的等加速、等减速的加减速过程对直线加减速规律进行介绍：加速和减速的速度曲线有图3.25所示两种。
2.步进电机的控制
图中，f q为起跳频率，f n为正常运行频率，起始频率f q=0 时(图 a)，直线加速的斜率为：K= f n /(t n -t0)= f n /(t n)。则电机的回转角速度为：ω=Kαt，α为步距角。在如下图所示的步进电机速度—时间曲线中（加减速过程是线性且对称的），A、B、C…各相当于一个步距角对应的面积，假设电机起动频率为0HZ，稳定运行频率为4500HZ，电机从零时刻起动，加减速时间为0.5s。试据此推导加速段脉冲时刻t1,t2,t3的数值。
设A、B、C…各相当于一个步距角α对应的面积，即在每个脉冲内回转角速度对时间的积分。则下式成立：
当t0 =0时，其通解为：
进一步可得：
，各步的脉冲频率为：
课程设计说明书 课程设计名称：数字电路课程设计 课程设计题目：步进电机简单的控制电路 学院名称：南昌航空大学信息工程学院 专业：班级： 学号：姓名： 评分：教师： 2013 年 9 月 9 日 数字电路课程设计任务书 20 13－20 14 学年第 1 学期第 2 周－ 4 周
注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。 2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
步进电机是一种原理为利用电子电路的电脉冲信号转变为角位移或线位移的感应电机。通过简单的数字电路来控制它的转速并可以利用数码管来计算其转动的圈数，便可以实现电机的正反向转动，并且在数码管上精确的显示出它转动的圈数，从而广泛应用于实际生活当中。其中涉及到计算机，数字电路，电机，机械，完成了简单的自动化控制流程，将所学知识应用于工程中，增加实践动手能力。 关键词：分频、时序控制、脉冲计数
前言 (1) 第一章设计内容及要求 (1) 第二章系统的组成及工作原理 (2) 第三章单元电路设计 (2) 3.1多谐振荡器 (2) 3.2 步进电机信号控制电路 (3) 3.3转速的测量及显示电路 (4) 第四章调试 (5) 4.1电路排板及制作 (5) 4.2电路的调试 (5) 第五章总结 (6) 附录1：设计原理图 (7) 附录2：PCB电路图 (8) 附录3: 元件清单 (9)
前言 步进电机最早出现于上世纪，源于资本主义的造船工业，是一种可以自由转动的电磁铁，其工作原理和如今的反应式电机差不多，是依靠磁导来产生电磁矩，从而实现转动。 到了80年代之后，微型计算机逐步的应用于工业与生活中，使得步进电机的控制更加的灵活多样，最主要的是利用分立元件或者小型的集成电路来控制，但是对元件的需求量很大，调试也很复杂，出现问题需要花大量的精力来调试，因此，通过计算机软件来控制步进电机是必然的趋势，以提高工作效率。 现在的步进电机主要是由数字电路组成，也是利用集成电路来控制电路，但是大大的提高了其精度，更好的满足工业发展的需要。目前用到最多的是混合式步进电机，并具有很好的发展前景。 步进电机按照工作原理可分为永磁式、磁阻式和永磁感应子式三种。 今后步进电机将会有以下四个方面的发展，为减小其占用的空间从而会往小型方向发展，以更加的适用于工业制造当中；为增加力矩，从而会将圆形改为方形，以提高其工作效率；为体现其优越的控制性能，从而会偏向于一体化设计，以实现电子自动化控制，更加灵活方便；为降低其成本，增加其性能，从而会向三相和五相的方向发展，以充分实现其优越性能。 步进电机以其显着的特点，在电子数字化时代将发挥重大作用，将广泛应用于数控车床、机器人、航空工业和电子领域中，可完成工作量大，任务复杂、精度高的制造业以及代替人类完成不利于身体健康的工业中，为生活带来更多的便利。 第一章设计内容及要求 基本要求：1、利用proteus软件设计步进电机的工作原理图，并进行仿真。 2、调试及实现。 （1）实现步进电机根据输入的脉冲旋转的相应圈数。 （2）可以实现复位，正反转控制，由4个LED代替4个线圈。 （3）实现步进电机的加速、减速功能。
步进电机驱动电路设计 摘要 随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件, 具有快速起动和停止的特点。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。直流电机广泛应用于计算机外围设备( 如硬盘、软盘和光盘存储器) 、家电产品、医疗器械和电动车上, 无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢, 并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。他们都是利用电和磁的相互作用来实现向机械能能的转换。 介绍了步进电机和直流电机原理及其驱动程序控制控制模块，通过AT89S52单片机及脉冲分配器(又称逻辑转换器) L298完成步进电机和直流电机各种运行方式的控制。实现步进电机的正反转速度控制并且显示数据。整个系统采用模块化设计,结构简单、可靠,通过按键控制，操作方便，节省成本。 关键词：步进电机，单片机控制，AT89S52，L297，L298目录
单片机控制步进电机驱动器工作原理 步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。 有时从一些旧设备上拆下的步进电机(这种电机一般没有损坏)要改作它用，一般需自己设计驱动器。本文介绍的就是为从一日本产旧式打印机上拆下的步进电机而设计的驱动器。 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. 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. 双四拍 c八拍 图2.步进电机工作时序波形图 2.AT89C2051 步进电机驱动器系统电路原理如图3：
实用的步进电机驱动电路(图) 概述 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，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。 目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计选用第三种方案，用PMM8713三相或四相步进电机的脉冲分配器、SI-7300A 两相或四相功率驱动器，组成四相步进电机功率驱动电路，以提高集成度和可靠性，步进电机控制框图见图1。 图1 步进电机控制系统框图 硬件简介 ● PMM8713原理框图及功能 PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器，适用于控制三相或四相步进电机。控制三相或四相步进电机时都可以选择3种励磁方式，每相最小吸入与拉出电流为20mA，它不仅满足后级功率放大器的输入要求，而且在其所有输入端上均内嵌施密特触发电路，抗干扰能力强，其原理框图如图2所示。
图2 PMM8713的原理框图 在PMM8713的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入发。PMM8713有两种脉冲输入法：双脉冲输入法和单脉冲输入法。采用双脉冲输入法时，CP、CU两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲。当采用单脉冲输入时，步进电机的正反转方向由U/D的高、低电位决定。 激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。激励方式判断电路用于输出检测；而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序信号。 ● SI-7300A的结构及功率驱动原理 SI-7300A是日本三青公司生产的高性能步进电机集成功率放大器，该器件为单极性四相驱动，采用SIP18封装。 步进电机功率驱动级电路可分为电压和电流两种驱动方式。电流驱动方式最常用的是PWM恒流斩波驱动电路，也是最常用的高性能驱动方式，其中一相的等效电路图如图3所示。
https://www.doczj.com/doc/4b13172374.html,/gykz/2010/0310/article_2772.html 引言 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。驱动器接收到一个脉冲信号后，驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。首先，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；其次，通过控制脉冲顿率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到涮速的目的。目前，步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，在机电一体化产品中应用广泛，常用作定位控制和定速控制。步进电机驱动电路常用的芯片有l297和l298组合应用、3977、8435等，这些芯片一般单相驱动电流在2 a左右，无法驱动更大功率电机，限制了其应用范围。本文基于东芝公司2008年推出的步进电机驱动芯片tb6560提出了一种步进电机驱动电路的设计方案 1步进电机驱动电路设计 1.1 tb6560简介 tb6560是东芝公司推出的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片。其主要特点有：内部集成双全桥mosfet驱动；最高耐压40 v，单相输出最大电流3.5 a(峰值)；具有整步、1／2、1／8、1／16细分方式；内置温度保护芯片，温度大于150℃时自动断开所有输出；具有过流保护；采用hzip25封装。tb6560步进电机驱动电路主要包括3部分电路：控制信号隔离电路、主电路和自动半流电路。 1.2步进电机控制信号隔离电路 步进电机控制信号隔离电路如图1所示，步进电机控制信号有3个(clk、cw、enable)，分别控制电机的转角和速度、电机正反方向以及使能，均须用光耦隔离后与芯片连接。光耦的作用有两个：首先，防止电机干扰和损坏接口板电路；其次，对控制信号进行整形。对clk、cw信号，要选择中速或高速光耦，保证信号耦合后不会发生滞后和畸变而影响电机驱动，且驱动板能满足更高脉冲频率驱动要求。本设计中选择2片6n137高速光耦隔离clk、cw，其信号传输速率可达到10 mhz，1片tlp521普通光耦隔离enable信号。应用时注意：光耦的同向和反向输出接法；光耦的前向和后向电源应该是单独隔离电源，否则不能起到隔离干扰的作用。
步进电机驱动器工作原理 步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。 有时从一些旧设备上拆下的步进电机（这种电机一般没有损坏）要改作它用，一般需自己设计驱动器。本文介绍的就是为从一日本产旧式打印机上拆下的步进电机而设计的驱动器。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：
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
一种新的五相步进电机驱动电路开发 T.S. 维拉孔和 T. 萨马拉纳亚克 斯里兰卡,佩勒代尼耶大学工程学院,电子与电气工程学院 付自刚译 摘要 本文详细地介绍了一种新的五相步进电机驱动电路。这种新的驱动电路是由商业上现成的,廉价的,标准的步进电机驱动 IC 搭建,它能实现由内部电流回路驱动的闭环速度和位置控制。经证明, 这种驱动电路能推广到任何更多相数的奇数相的步进电机。 这种驱动电路具有速度控制和方向控制,包括全步、半步、顺时针、逆时针控制模式。 一、概述 在大多数机器人和自动化工程设计中, 各种各样步进电机都被广泛应用来得到需要的运动姿态。步进电机倍受人们青睐是因为它不需要频繁的维护并能在苛刻的环境中运行。步进电机及其驱动器的选择要根据具体应用中需要的效果来决定。市场上最常见的是两相和四相步进电机。 可是,实际应用中要求高精度,低噪声和低震动,因此五相步进电机得以应用。因为步距角较小, 五相步进电机有较高的分辨率, 较低的震动和良好的加速与减速特性。因此, 确保设计的驱动电路能使步进电机充分发挥这些优点非常重要。 因为在机器人应用中是很少见得类型,而且结构很复杂,很难找到它们的驱动IC ,只能专门定做。结果导致五相步进电机的驱动电路产品异常昂贵。用普通步进电机如二相与四相步进电机的驱动控制 IC 来制作其它步进电机的驱动电路是一种经济有效的方法。
L297继承了控制单极性和双极性步进电机所需要的所有控制电路系统。 L298N 双 H 桥驱动器形成了一个完善的步进电机微处理器接口。在这里,我们通过给 L297和 L298N 加上微处理器和逻辑控制系统研究开发出了一种新的五相步进电机驱动电路。 第二部分解释了元器件特性。第三部分介绍了控制逻辑电路设计。第四部分是接口设计,结果在第五部分。最后,第六部分加以总结。 二、主要元器件特性分析 如图一所示,集成块 L297可以与 H 桥集成电路一起使用作为步进电机驱动器。在该设计中, H 桥的功能用 L298N 或者 L293E 实现。这要根据步进电机的额定功率而定。输入 L297的控制信号可能来自为控制器或者外部开关。一个 IC 能驱动一个两相双极性永磁式步进电机, 一个四相单极性永磁式步进电机或者一个四相变磁阻式步进电机。因为用到的电子元器件非常少, 该设计好处颇多, 比如,花费少,可靠性高,占用的空间相对较小。按照接收到的输入信号的不同, L297产生三种不同模式的相位序列,即半步模式,全步模式和波形模式。
步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。本文重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。 步进电机的构造 如图1所示，步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流的流向如图1所示，并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部，那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则，这样的电流会产生一个北极向上的磁场。
现在假设我们构造一个定子上缠绕有两个绕组的电机，内置一个能够绕中心任意转动的永久磁铁，这个可旋转部分叫做转子。图2给出了一种简单的电机，叫做双相双极电机，因为其定子上有两个绕组，而且其转子有两个磁极。如果我们按图2a所示方向给绕组1输送电流，而绕组2中没有电流流过，那么电机转子的南极就会自然地按图中所示，指向定子磁场的北极。 再假设我们切断绕组1中的电流，而按图2b所示方向给绕组2输送电流，那么定子的磁场就会指向左侧，而转子也会随之旋转，与定子磁场方向保持一致 接着，我们再将绕组2的电流切断，按照图2c的方向给绕组1输送电流，注意：这时绕组1中的电流流向与图2a所示方向相反。于是定子的磁场北极就会指向下，从而导致转子旋转，其南极也指向下方。 然后我们又切断绕组1中的电流，按照图2d所示方向给绕组2输送电流，于是定子磁场又会指向右侧，从而使得转子旋转，其南极也指向右侧。。 最后，我们再一次切断绕组2中的电流，并给绕组1输送如图2a所示的电流，
步进电机驱动电路讲解 打印机的字车电机、走纸电机、头间隙控制电机大多采用步进电机。步进电机具有控制精度高，控制方便的特点。只要通过控制步进电机转动的步数，就可以控制步进电机的转动角度实现对纸张移动、字车移动定位、打印头间隙的精确控制。 步进电机的驱动主要有以下三点： 1)由cpu产生4相控制信号，这4个相位控制信号的相位顺序不同，将控制电机正向或反向转动。输出相位信号 脉冲的个数来控制步进电机转动的角度。 2)通过控制电机驱动电流的大小来控制转动力矩。 3)在打印间隙步进电机不转的时候需要一个比较小的电流来使电机产生一个静力矩。来保证字车，纸张的位置精 度不被破坏。 以上三条是要控制步进电机的必须具备的条件。其中第一项式打印机cpu通过程序运算来实现的，并且4个相位的控制信号也是从cup输出的。在电路图中只能看到有4条信号线从cup或者门阵输出到驱动电路，在这里我们就不做进一步的讨论了。我们在这里讲解的步进电机驱动电路将只解决后两项要求的问题，这是我们的重点和核心。（如何控制电机的工作电流包括：开启、稳定调整电流、锁定电流） 根据实现方法不同步进电机驱动电路主要分下列常见的是3种电路形式，这三种电路形式在不同型号的打印机里有被用于字车电机的驱动电路，也有被用于走纸电机的驱动电路。下面我们将逐一为大家进行介绍： 1高压驱动低压锁定电路 1.1 电路组成 1.2 工作原理 电机是一个4相步进电机，采用1—2相激励方式工作，当接收到一个驱动脉冲时，电机转过一定角
度，如图4-33、4-34分别是送纸电机驱动电路和1—2相激励方式产生的送纸电机控制信号图。 图4-34 送纸电机驱动信号 送纸电机电压使用情况如下： 状态电压作用 操作+35 V 电机驱动 准备+5V 保持偏压，锁定电机 通过设置门阵列的PCMN口为高或低电平，及三极管TR1和三极管阵列TA1的导通与截止，输入送纸电机的电压可被改变。当TA1被打开，+35V电压供给送纸电机，电机被驱动，进行送纸；当TA1被断开，+5V电压经二极管D1供给送纸电机，给送纸电机一个偏压，该偏压使步进电机产生静转矩阻止轴摆动，使字车锁定在该位置，以保证送纸精度，这就是所谓的“高压驱动、低压锁定”的驱动原理。 1.3 特点总结 这种电路的优点是比较简单，他没有单独的电流控信号，其工作电流的控制是通过控制公共通路三极管的导通与截止实现的，缺点是如果输出功率太大时，需要使用太多的大功率元器件成本较高。另外他的锁定电流是从5V 逻辑回路电源共给的，如果锁定电流过大的话会影响逻辑电路工作的稳定性。 以前的老型号打印机中使用的比较多，打印机中字车电机和走纸电机驱动电路使用的都是这种电路。在新型号打印机种主要用于小功率电机（例如走纸电机、打印头间隙电机等）的控制。 1.4 应用电路介绍 在DS1700打印机中，送纸电机是一个4相步进电机，采用1—2相激励方式工作，当接收到一个驱动脉冲时，电机转过一定角度，如图3-1是送纸电机驱动电路。
` 基于L297系列芯片的步进电机驱动器 设计说明书 一：概述 步进电动机是用脉冲信号进行控制，将点脉冲信号转换成相应的角位移和线位移的微电机，广泛地应用于打印机等办公知道设备以及各种控制装置。 步进电机和一般的电机不同，之接电源步进电机不能转动，而每加一个点脉冲仅转动一定的角度，另外，改变脉冲的频率时，步进电机的速率也跟着改变。 步进电机按电磁转距产生机理的不同可以分为反应式步进电机，永磁式步进电机和混合式步进电机，而按绕组的相数又可以分为单相，两相，三相。五相……… 二：步进电机的驱动方式 由于篇幅有限和设计的实际情况，在这我只介绍和设计方式相关的二相步进电机的励磁方式和驱动方式。 （一）驱动器结构简介 步进电机驱动器主要结构可以由下图表示 各部分的主要作用为 1：环行分配器：根据输入信号的要求产生电机在不同状态下的开关波形 2：信号处理：对环行分配器产生的开关信号波形进行PWM调制以及对相关的波形进行滤波整形处理 3：推动级：对开关信号的电压，电流进行放大提升 4：主开关电路：用功率元器件直接控制电机的各相绕组 5：保护电路：当绕组电流过大时产生关断信号对主回路进行关断，以保护电机驱动器和电机绕组 6：传感器：对电机的位置和角度进行实时监控，传回信号的产生装置。 （二）：励磁方式
本设计对二相双极性电机进行的，所以介绍二相电机的励磁方式 1：一相励磁：通电的绕组只有一相，依次切换相电流产生旋转步距角为1。8度，对这种励磁方式，每个脉冲到来时的旋转角的响应有振动，若频率过高，有时会产生失步现象 2：两相励磁：两相同时流通电流，也采用依次切换相电流的方法，二相励磁的步距角为1.8度，二相历次的总电流增大2倍，则最高启动频率增大，能获得高的转速，另外，过度性能也好。 3：一，二相励磁：这是一种交替进行一相励磁，二相励磁的方法，启动电流每两个始终切换依次，因此步距角为0。9度，励磁电流变大，过度性能也好，最大启动频率也高。 （三）：驱动方式 单极性和双极性是步进电机最常采用的两种驱动架构。单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构则如图1所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人混淆又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。 单极性步进电机驱动电路 双极性步进电机的驱动电路则如图2所示，它会使用八颗晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的成本。双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。
实习名称：电子设计制作与工艺实习 学生姓名：周文生 学号：201216020134 专业班级：T-1201 指导教师：李文圣 完成时间： 2014年6月13日 报告成绩：
步进电机控制驱动电路设计 摘要： 本设计在根据已有模电、物电知识的基础上，用具有置位，清零功能的JK 触发器74LS76作为主要器件来设计环行分配器，来对555定时器产生的脉冲进行分配，通过功率放大电路来对步进电机进行驱动，并且产生的脉冲的频率可以控制，从而来控制步进电机的速度，环形分配器中具有复位的功能，在对于异常情况可以按复位键来重新工作。 关键字：555定时器脉冲源环行分配器功率放大电路 一、方案论证与比较： （一）脉冲源的方案论证及选择： 方案一：采用555定时器产生脉冲，它工作频率易于改变从而可以控制步进电机的速度并且工作可靠，简单易行。 C2 10uF 图一 555定时器产生的方法 方案二:采用晶振电路来实现，晶振的频率较大，不利于电机的工作，易失步，我们可以利用分频的方法使晶振的频率变小，可以使电机工作稳定，但分频电路较复杂，并且晶振起振需要一定的条件，不好实现。
X1 1kohm 1kohm 图二晶振产生脉冲源电路 综上所述，我们采用方案一来设计脉冲源。 （二）环形分配器的设计： 方案一：采用74ls194通过送入不同的初值来进行移位依此产生正确的值使步进电机进行转动。但此方案的操作较复杂，需要每次工作时都要进行置位，正反转的操作较复杂，这里很早的将此方案放弃。 方案二：使用单独的JK 触发器来分别实现单独的功能。 图三双三拍正转 图四单三拍正转
图五三相六拍正转 利用单独的做，电路图较简单，单具体操作时不方便，并且不利于工程设计。块分的较零散，无法统一。 方案三：利用JK触发器的自己运动时序特性设计，利用卡诺图来进行画简。 图六单，双三拍的电路图 单，双三拍的正，反转主要由键s1,s2的四种状态来决定四种情况的选择。
机电传动与控制综合课程设计设计说明书设计题目: 五相十拍（2/3）步进电机 控制程序设计 院系名称：机电工程学院专业班级：机制F09 学生姓名：学号： 20094805 指导教师：王宗才 2012年12 月05 日
内容摘要 本文主要是介绍采用可编程控制器(PLC) 对五相十拍步进电机进行控制的设计原理及方法进行分析。其中步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，是一种控制精度极高的电机,常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。可编程控制器是工业自动化设备的主导产品，具有控制功能强，可靠性高，适用于不同控制要求的各种控制对象等优点。 本文详细的介绍了用PLC控制步进电机系统的原理，及硬件和软件设计方法。其内容主要包括I/O地址分配、PIC外部接线图、控制流程图、主电路图、梯形图、元件清单以及语句表。本文设计过程中使用了十六位移位寄存器，大大简化了程序的设计，使程序更间凑，方便了设计。在实际应用中表明此设计是合理有效的。 关键词: PLC;梯形图；元件清单；五相十拍步进电机
目录 第1章引言 (1) 第2章系统总体方案设计 (2) 2.1 程序设计的基本思路 (2) 2.2 五相步进电动机的控制要求 (2) 2.3 方案原理分析 (2) 第3章 PLC控制系统设计 (4) 3.1 设计流程分析 (4) 3.1.1 控制流程图 (4) 3.1.2电机工作过程图 (5) 3.2 I/O地址分配表 (5) 3.3 PLC外部接线图 (6) 3.4 主电路 (7) 3.5 元件清单 (8) 3.6 程序设计 (8) 3.6.1 步进控制设计 (8) 3.6.2 梯形图设计 (10) 3.7 调试说明 (11) 第4章设计总结 (12) 致谢 (13) 参考文献 (14) 附录 (15) 附录一程序梯形图 (15) 附录二程序语句表 (20) 1
北京工业大学电子课程设计报告 （数电部分） 题目：步进电机
目录 一、设计题目------------------------------------------------------------------------------------------------3 二、设计任务和设计要求 1.设计题目------------------------------------------------------------------------------------------------3 2.设计技术指标及设计要求----------------------------------------------------------------------------3 三、电路设计------------------------------------------------------------------------------------------------4 1.脉冲发生电路-------------------------------------------------------------------------------------------4 2.环形脉冲分配电路-------------------------------------------------------------------------------------5 3.控制电路-------------------------------------------------------------------------------------------------6 4.驱动电路-----------------------------------------------------------------------------------------------10 5.步进电机-----------------------------------------------------------------------------------------------11 四、电路的组装和调试------------------------------------------------------------------------------------12 1.电路的组装----------------------------------------------------------------------------------------------12 2.电路的调试----------------------------------------------------------------------------------------------13 五、收获和体会---------------------------------------------------------------------------------------------14 六、附录------------------------------------------------------------------------------------------------------15 1.列表-------------------------------------------------------------------------------------------------------15 2.参考资料-------------------------------------------------------------------------------------------------15 3.部分芯片管脚图----------------------------------------------------------------------------------------16
电机行业专业求职平台 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、交流电机在常规下使用。步进电机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。它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 提及此知识，希望能给予正在对电机选型的客户有所帮助。 2.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，则产生力 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 力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态） 因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。 一、混合式步进电机
电机行业专业求职平台1、特点： 混合式（又称感应子式步进电机）与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 混合式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运 行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C= A ,D=B . 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相， 而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，更可以作二相电机绕组串联或并联使用。 2、分类 混合式步进电机可分二相、三相、四相、五相等，我公司混合式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机: TEB20H,TEB28H,TEB35H,TEB39H,TEB42H,TEB57H,TEB86H,TEB110 H,TEC57H,TEC86H,TEC110H,TEC130H. 3、步进电机的静态指标术语 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）
舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计 摘要：介绍了舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计。电路采用74373锁存,74LS244和ULN2003作电压和电流驱动,单片机AT89C52作工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复用方式,实时更新各个电机的速度和方向。 关键词：单片机,中断服务,速度累加计数器,归一化速度 在机器人舞蹈时,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。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。 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。
课程实习报告 实习名称：电子设计制作与工艺实习 学生姓名：周文生 学号： 2 专业班级：T-1201 指导教师：李文圣 完成时间： 2014年6月13日 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师日期
步进电机控制驱动电路设计 摘要： 本设计在根据已有模电、物电知识的基础上，用具有置位，清零功能的JK 触发器74LS76作为主要器件来设计环行分配器，来对555定时器产生的脉冲进行分配，通过功率放大电路来对步进电机进行驱动，并且产生的脉冲的频率可以控制，从而来控制步进电机的速度，环形分配器中具有复位的功能，在对于异常情况可以按复位键来重新工作。 关键字：555定时器脉冲源环行分配器功率放大电路 一、方案论证与比较： （一）脉冲源的方案论证及选择： 方案一：采用555定时器产生脉冲，它工作频率易于改变从而可以控制步进电机的速度并且工作可靠，简单易行。 C2 10uF 图一 555定时器产生的方法 方案二:采用晶振电路来实现，晶振的频率较大，不利于电机的工作，易失步，我们可以利用分频的方法使晶振的频率变小，可以使电机工作稳定，但分频电路较复杂，并且晶振起振需要一定的条件，不好实现。
X1 1k ohm 1k ohm 图二晶振产生脉冲源电路 综上所述，我们采用方案一来设计脉冲源。 （二）环形分配器的设计： 方案一：采用74ls194通过送入不同的初值来进行移位依此产生正确的值使步进电机进行转动。但此方案的操作较复杂，需要每次工作时都要进行置位，正反转的操作较复杂，这里很早的将此方案放弃。 方案二：使用单独的JK 触发器来分别实现单独的功能。 图三双三拍正转 图四单三拍正转
2009 届毕业设计（论文）开题报告 二级学院：延陵学院班级：09电Y1 学生：尚严鑫学号：09120920 指导教师：张建生职称：教授 课题名称 课题类型 □毕业设计□毕业论文 起止时间 开题报告 （毕业设计：含课题来源及现状、设计要求、工作内容、设计方案、技术路线、预期目标、时间安排及参考文献等。字数为3000以上。） （毕业论文：含课题来源、研究价值，国内外研究现状，研究内容，研究方法，研究思路，论文提纲，预期目标，时间安排及参考文献等。字数为3000以上。） 一．课题来源及研究价值 步进电动机是将电脉冲信号转化为机械角位移或线位移的控制电机，它可以看作是一个比较特殊的运行方式的同步电机。步进电机是由专门的电源提供脉冲信号。当每输入一个电脉冲信号时，步进电机就会往前移动一小步，移动的角度大小叫做步距角，因此这种不同于普通的匀速旋转的电机被称为步进电动机。步进电动机是受走脉冲信号控制的，直线位移量、角位移量和电脉冲数的关系成正比例，所以电动机的线速度、转速也与脉冲频率构成正比关系。利用改变脉冲频率的高与低，可以在很大范围内调节电动机的转速，从而实现电机的快速启动、制动和反转控制。步进电机的优点是在不失步的情况下工作，步距误差不会积累。从而完全适用数字控制的开环系统中，并使整个系统运行可靠。是工业生产中性能优良的数字执行元件。随着单片机应用技术、电力电子技术和自动控制技术在工业生产中的普及和深入，步进电机的的需求量愈来愈大。根据调查显示，全球步进电机的年产量在以13%以上的速度增加。同时国内对步进电机的要求也与日增加。对步进电机的研究，提高步进电机的系统性能，可以改善劳动条件、节约能源、提高产品质量和经济效益。基于微型单片机的控制系统则通过软件控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机已经成为一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展需要。 步进电机作为数字式执行元件，具有成本低廉、容易控制、定位方便和步距误差不会长期累积等优点，被广泛应用在数控装置、绘图机、机械手、印刷和包装设备等工业、军事和医疗自动化领域中。在多种步进电机中，混合式步进电机集反应式和永磁式步进电机的优点于一身，应用更加普遍。但是步进电机在应用当中仍然存在一些制约性的因素，步进电机及其系
步进电机驱动器的工作原理 步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。 有时从一些旧设备上拆下的步进电机(这种电机一般没有损坏)要改作它用，一般需自己设计驱动器。本文介绍的就是为从一日本产旧式打印机上拆下的步进电机而设计的驱动器。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： 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