步进电机以与驱动原理周立功

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1、 广州周立功单片机科技有限公司 步进电机及其驱动原理步进电机及其驱动原理 电机驱动系列解决方案电机驱动系列解决方案 应用笔记应用笔记 AN1402252 V1.00 Date: 2014/02/25 类别 内容 关键词 步进电机 摘 要 本文档介绍步进电机及其驱动的基本原理 广州周立功单片机科技有限公司广州周立功单片机科技有限公司 电机驱动系列解决方案 产品应用笔记产品应用笔记 2014 Guangzhou ZLG MCU Technology Co., Ltd. i 步进电机及其驱动原理步进电机及其驱动原理 修订历史修订历史 版本 日期 原因 V1.00 2014/02/25 创建文档 广州

2、周立功单片机科技有限公司广州周立功单片机科技有限公司 电机驱动系列解决方案 产品应用笔记产品应用笔记 2014 Guangzhou ZLG MCU Technology Co., Ltd. 1 步进电机及其驱动原理步进电机及其驱动原理 目 录 1. 步进电机的工作原理.1 2. 步进电机的单极性驱动.2 2.1 单极性驱动的原理.2 2.2 单极性驱动电路.4 2.3 单极性驱动程序.4 3. 步进电机的双极性驱动.8 3.1 双极性驱动的原理.8 3.2 双极性驱动电路.11 3.3 双极性驱动程序.11 3.4 细分驱动的简介.12 4. 免责声明.13 广州周立功单片机科技有限公司广州周

3、立功单片机科技有限公司 电机驱动系列解决方案 产品应用笔记产品应用笔记 2014 Guangzhou ZLG MCU Technology Co., Ltd. 1 步进电机及其驱动原理步进电机及其驱动原理 1. 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 步进电机是典型的数字控制电机， 具有速度和位置控制简单的优点。 步进电机能将电脉 冲信号转变成角位移，即驱动器每给一个脉冲信号，它就转动一个固定的角度，脉冲给得越 快，转得越快，脉冲给得越多，转得越多。 步进电机可分为三大类：反应式步进电机、永磁 式步进电机和混合式步进电机。不管那一种电机，都 可以等效成图 1.1 的结构，定子可以等效成 A、B、

4、C 和 D 四个线圈绕组，转子可以等效成一对南北极 （S/N）的磁铁。定子的接线方式一般如图 1.2 所示， A2和C2、 B2和D2分别连在一起， 所以有A1、 A2/C2、 C1、B1、B2/D2 和 D1 等 6 跟输出线。因为在电气连 接上有 A/C、B/D 两组互不接触的线圈绕组，所以称 作“两相式”步进电机，后面所提到的步进电机都是 指两相式步进电 机。工作时，只要 给 A、B、C 和 D 四个线圈通上合 适的电流， 转子就 会在磁力的吸引下转动。 根据通电方式， 步进电机的驱动 分为： 单极性驱动和双极性驱动两大类， 单极性驱动的电 路简单，但转矩小，双极性驱动的转矩大，但电路复

5、杂。 图 1.1 步进电机的等效结构图 图 1.2 两相式步进电机的引线图 广州周立功单片机科技有限公司广州周立功单片机科技有限公司 电机驱动系列解决方案 产品应用笔记产品应用笔记 2014 Guangzhou ZLG MCU Technology Co., Ltd. 2 步进电机及其驱动原理步进电机及其驱动原理 2. 步进电机的单极性驱动步进电机的单极性驱动 2.1 单极性驱动的原理单极性驱动的原理 单极性驱动分为整步驱动和半步驱动两大类，图 2.1 是单极性整步驱动的工作原理图， 首先如图 2.1（a）所示，给 A 线圈通上从 A2 到 A1 的电流，A 线圈产生上南（S）下北（N） 的磁

6、极，转子的南极（S）被吸引到 A 线圈的下方；接着如图 2.1（b）所示，给 B 线圈通上 从 B2 到 B1 的电流，转子的南极被吸引到 B 线圈的左边；然后如图 2.1（c）所示，给 C 线 圈通上从 C2 到 C1 的电流，转子的南极被吸引到 C 线圈的上方；最后如图 2.1（d）所示， 给 D 线圈通上从 D2 到 D1 的电流，转子的南极被吸引到 D 线圈的右方。 这样在 ABCD 的通电顺序下，转子将分 4 步顺时针旋转，如果通电顺序改成 DCBA，转子将逆时针旋转。在这个过程中，每个线圈的电流方向固定从“2”到 “1” ，例如从 A2 到 A1，所以称作单极性驱动；转子从一个线圈

7、一步到位地转到另一个线 圈，每一步转过的角度是 90，所以称作整步驱动；在任意时刻，只给一个线圈通电，其他 三个线圈都没有被通电，单极性整步驱动比后面介绍的双极性整步驱动的转矩要小。 单极性半步驱动的方式如图 2.2 所示，它和图 2.1 所示的整步驱动相比，在两个整步之 间插入了一个“半步” ，例如图 2.2（b）所示，给 A、B 线圈同时通电，电流方向分别从 A2 到 A1 和 B2 到 B1，A、B 线圈在靠近转子的一端，同时形成磁力相等的北极（N） ，转子的 南极（S）在磁力的平衡作用下，停在 A 和 B 的正中央。 这样在 AABBBCCCDDDA 的通电顺序下， 转子将分 8 步顺

8、时 针旋转，如果通电顺序改成 DADCDCBCBABA，转子将逆时针旋 图 2.1 单极性整步驱动 广州周立功单片机科技有限公司广州周立功单片机科技有限公司 电机驱动系列解决方案 产品应用笔记产品应用笔记 2014 Guangzhou ZLG MCU Technology Co., Ltd. 3 步进电机及其驱动原理步进电机及其驱动原理 转。在这个过程中，每个线圈的电流方向也是固定从“2”到“1” ，所以也称作单极性驱动； 转子每次只走半步 45，所以称作半步驱动；和整步驱动相比，半步驱动把一整步分成两个 半步来跑，电机转起来会更顺畅。 图 2.2 单极性半步驱动 广州周立功单片机科技有限公司

9、广州周立功单片机科技有限公司 电机驱动系列解决方案 产品应用笔记产品应用笔记 2014 Guangzhou ZLG MCU Technology Co., Ltd. 4 步进电机及其驱动原理步进电机及其驱动原理 在驱动过程中，为了让转子的机械速度能够跟上定子 的通电速度，每驱动一步，都要延时一段时间才能驱动下 一步，例如在半步驱动中，首先给 A 线圈通电，接着延时 一段时间，等转子转到 A 线圈处，然后同时给 A、B 线圈 通电，再延时一段时间，等转子转到 A、B 线圈的中央， 如此类推，改变延时的时间，即可改变速度。如果延时时 间太短，转子还没有转到位，就开始驱动下一步，那么转 子就会出现失

10、步、震荡的情况。步进电机在启动时，如果 目标速度较高，必须有加速过程，即延时时间要逐步减少， 让电机的速度一步一步地提高到目标速度为止。为了简化 实验，下面的程序例子都是以低速运行，没有加速过程。 对于实际使用的步进电机，为了减少每步的角度，一 般通过增加定子线圈和转子磁铁的数目而实现。图 2.3 是永磁式步进电机的等效结构图，整 步从 90减少到 15，它的转子含有 6 个磁铁，定子含有 AH 等 8 个线圈，其中 A 和 C、E 和 G 、B 和 D、F 和 H 分成 4 组，每组各自并联在一起，工作时可以等效成图 1.1，转子可 以等效成一对南北极的磁铁，定子等效成 4 个线圈绕组，分析

11、方法相同。实验中的步进电机 的整步是 18。 2.2 单极性驱动电路单极性驱动电路 如图 2.4 所示为步进电机的单极性驱动电路。此电路和直流电机单方向驱动电路类似， 采用 Q1Q4 四个三极管分别驱动 A、B、C 和 D 四个线圈，三极管导通时，对应的线圈得 到从“2 端”到“1 端”的电流，三极管截至时，线圈通过 D1D4 四个二极管形成续流，为 了降低工作电流，线圈分别串接了电阻 R5R8。 图 2.4 步进电机单极性驱动电路图 2.3 单极性驱动程序单极性驱动程序 如程序清单 2.1 所示为步进电机的单极性驱动程序。程序清单 2.1（1）是根据图 2.2 和 图 2.4 定义的驱动层宏

12、定义，包括电机驱动的 I/O 口、4 个整步和 4 个半步的驱动电平。程 序清单 2.1（2）是选择“整步驱动”和“半步驱动”的宏定义，大于 0 时，motStepMove() 图 2.3 实际步进电机的磁极 广州周立功单片机科技有限公司广州周立功单片机科技有限公司 电机驱动系列解决方案 产品应用笔记产品应用笔记 2014 Guangzhou ZLG MCU Technology Co., Ltd. 5 步进电机及其驱动原理步进电机及其驱动原理 函数使用整步驱动的相关代码， 小于等于 0 时， 使用半步驱动的相关代码。 程序清单 2.1 （3） 是驱动表 GucStepTab，存放程序清单 2

13、.1（1）定义的 8 步的电平。 motStepMove()函数用于驱动电机，它有两个输入参数：lMoveSteps 和 ulDelayTime， lMoveSteps 是有符号数，表示要转动的步数，选择整步驱动时，单位是整步，选择半步驱动 时，单位是半步，大于等于 0 表示正转，小于 0 表示反转，ulDelayTime 是每步的延时时间。 如程序清单 2.1（4）所示，函数首先把 lMoveSteps 的绝对值赋给临时变量 ulStepNum，然后 进入 for 循环，每循环一次，驱动电机走一个整步或一个半步。在 for 循环中，首先如程序 清单 2.1（5） ，在驱动 I/O 口中输出一

14、步；接着如程序清单 2.1（6） ，调整下一步的指针 GcStepPointer，如果 lMoveSteps 大于等于 0，则增加 GcStepPointer，电机将正转，如果 lMoveSteps 小于 0，则减少 GcStepPointer，电机将反转，如果选择编译“整步驱动” ，那么 GcStepPointer 加 2 或减 2，并且限定范围在 06 之间，刚好对应驱动表 GucStepTab 中的 4 个整步，如果选择编译“半步驱动” ，那么 GcStepPointer 加 1 或减 1，并且限定范围在 07 之间，对应驱动表 GucStepTab 中的每一步；最后如程序清单 2.1（

15、7） ，延时一步的时间，这 里只使用 for 循环作粗略的延时，如果需要精确延时，可以改用硬件定时器。 主函数 main()进入死循环 for 之后，首先调用 motStepMove()函数，让电机正转 40 步， 接着延时 1s 左右，然后再调用 motStepMove()函数，让电机反转 40 步，最后延时 2s 左右。 因为实验采用的步进电机每整步是 18，所以在整步模式下，电机将正转 2 圈，反转 2 圈循 环下去，在半步模式下，电机将正转 1 圈，反转 1 圈循环下去。 程序清单 2.1 步进电机的单极性驱动程序 #include /* 驱动层宏定义 （1） */ #define MOT_IO P1 /使用 P1 口驱动电机 #define MOT_STP0 0xF7 /A 相： P1.3=0 #define MOT_STP1 0xD7 /A/B 相：P1.3=P1.5=0 #define MOT_STP2 0xDF /B 相