步进电机报告

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1、步进电机控制仪步进电机控制仪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。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电 机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您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；同时您可以通过控制脉冲 频

2、率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。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B表示。9 =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9 =360度/ （50*4 ） =1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为9 =36

3、0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）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是 衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气 隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪 音。步进电机的一些特点：1 .一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2 .步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下

4、降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3 .步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越 高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流 减小，从而导致力矩下降。4 .步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够 正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启

5、动，可能发生 丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转 动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希 望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随 着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。一、步进电机模块简介1、步进电机性能指标2 相6线式步进电机步距角7.5度工作电压12V（实验时也可以用5V供电，只是力矩变小）额定静力矩240g/cm动力矩 80g/cm外形： 35 x 15mm步进电机结构则如图2所示包含两组带有中间抽头的线圈，A-CO

6、M1-C为一组，B-COM2-D为另一组。整个电机共有六条线与步进电机模块J3连接。谊22、步进电机模块的工作原理:步进电机模块中使用的驱动芯片为 ULN2003A它是集电极开路输出的功率反相 器，并且每个输出端都有一个连接到共同端（COM的二极管，为断电后的电机 绕组提供一个放电回路，起放电保护作用。内部逻辑如图3所示。因此,ULN2003A 非常适合驱动小功率的步进电机。用3步进电机模块原理图如图 4所示。单片机的P1.0-P1.3输出的脉冲信号经J2 送到ULN2003A的IN1-IN4 输入端，经ULN2003A放大和倒相后的输出脉冲信 号通过J3来驱动步进电机作相应的操作。ULN20

7、03A的COM端和步进电机的COM、1 COM2连接到VCG D1-D4发光二极管可以同步显示驱动步进电机的脉冲 信号。二极管D5起外接电源极性保护作用。例如：当单片机的P1.0 输出高电平时，ULN2003A勺IN1输入端则为高电平，经过 ULN2003A放大和倒相后在 OUT1输出端输出低电平，使步进电机的 A相得电旋转一个步距角，同时 D1也 被点亮。BVOC步进电机TR)i47U470R3n.Oi470470-ABJinC1D工456VCCJ12 rrvrcLWJufOLT1INLOLTT2IN2OIT5IN3OLT4IMJOIT5N5Ol 161N6OLT7IN7COMGNDlI.X

8、2OU3AJNlZ2A24IN4JD51hz3、与ME300系列开发板上的连接方法使用伟纳定做的20CM杜邦头实验连接线，可以很方便的将 ME300B与步进 电机模块连接起来。在ME300B上使用时，先将 J1 (ICE)上的P1.0 P1.3用杜邦头实验连 接线连接到步进电机模块 J2的IN1 IN4上。再从J7上引出5V电源到步进 电机模块J1上。注意：对于V1.5 以下版本的ME300B硬件，由于J7输出的5V电源有保 护，接上电机后可能引起过载保护，可以将J7的负端切断后直接连到电源负极， 这样即可取消J7的过载保护功能。V1.5以上硬件的J7没有经过保护，可以直 接输出电源给步进电机

9、模块。二、步进电机的工作原理当步进电机接收到一个脉冲信号，步进电机按设定的方向转动一个固定的角 度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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，从而达到调速的目的。步进电机的这些特性非常适 合使用单片机来控制，控制信号由单片机产生，步进电机则根据控制信号来动作。1、步进电机的常用术语步距角：表示控制系统每发一个步进脉冲信号， 步进电机转子所应转动的角度的 理论值。Qn = 2 n /ZN式中：Z - 转子的齿数N-运行拍数，通常等于相数或相数的整数倍，即N=kN1N1 -

10、步进电机相数从式中可以看出，运行拍数和转子的齿数不同时，步距角不同，且步距角与运行拍数或转子的齿数成反比。八拍运行方式的步距角要比四拍运行方式的步距角 小一半。齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。Qz=2 n/Z式中：Z - 转子的齿数步距角与齿距角之间的关系：Qn = Qz/N = 2 n /NZ式中：N -步进电机工作拍数Z -转子的齿数步进电机转速：n = 60 X f / N X Z （转/ 分）式中：f =脉冲频率（Hz ）N -步进电机工作拍数Z -转子的齿数从这个公式可以看出步进电机以八拍运行方式工作的转速是以四拍运行方式工 作的转速的一半。步进电机的

11、相数：是指步进电机内部的线圈组数。运行频率：是指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。启动频率：是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率。对于步距角为7.5度的步进电机而言：Qn = 7.5 度Qz = QnX N = 7.5 X 4=30 度 （齿距角）Z = 2 n /Qz = 360/30 = 12（转子的齿数）2、步进电机的基本控制（1）、控制换相顺序步进电机的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。 通常我们把通 电换相这一过程称为脉冲分配。例如，步进电机的八拍工作方式，其各相通电的 顺序为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA （正转）或 DA-D-

12、CD-C-BC-B-BA-A （反转）， 通电控制脉冲必须严格这一顺序分别控制 A,B,C,D相的通电和断电。（2 ）、控制步进电机的转向如果按给定的工作方式正序通电换相， 步进电机就正转；如果按反序通电换 相，则步进电机就反转。（3）、控制步进电机的速度如果给定步进电机一个控制脉冲，它就转一步，再发一个控制脉冲，它就会 再转一步。两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转得越快。因此，脉冲的频率决定了步进 电机的转速。调整单片机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。调整单片机输出的步进脉冲频率的方法：A 、软件延时方法改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率，但这种方法使CPU长时间等待，无

13、法进行其它工作，因此没有实用价值。在单独进行步进电机的演示时 可以采用。B、定时器中断方法在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现 调速。这种方法占用CPU时间较少，是一种比较实用的调速方法。用单片机对步进电机进行速度控制，实际上就是控制每次换相的时间间隔。 升速时，使脉冲频率逐渐升高，降速时则相反。3、步进电机的三种运行方式(1)、单四拍运行方式当电机绕组通电时序为 A-B-C-D时为正转，通电时序为 D-C-B-A时为反 转。见表1这种驱动方式是如何一个时间，只有一组线圈被激磁，因此产生的力矩较小。我1单四拍运行时序表OFIH0P2H0F41101反转OF8H0F

14、4HOF2H0HHN = 4步距角：Qn = Qz/N = 2 n /NZ = 360/4*12 = 7.5则步进电机转一圈所需步进脉冲数：360 / 7.5 = 48(2 )、双四拍运行方式当电机绕组通电时序为 AB-BC-CD-DA时为正转，通电时序为DA-CD-BC-AB时为反转。见表2这种驱动方式是在任何一个时间内， 有二组线圈同时被激磁，因此产生的力 矩较大。表2双四抬运行时序表正转0F3H0F6I10FCH0F911反转0F9H0KCH0F6H0F3H(3)、八拍运行方式当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA 时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-BA-A时为反转。见表3这种驱动方式又承为“半步驱动”，每个驱动信号只驱动半步农3贰取八怕运行时序表正转0F1H 0F3H 0F2H 0F6H 0F4H OFCH 0F8H 0F9H反转0F9H 0F8H OFCH 0F4H 0F6H 0F2H 0F3H 0F1HN = 8步距角：Qn = Qz/N = 2 n /NZ = 360/8*12 = 3.75则步进电机转一圈所需步进脉冲数：360 / 3.75 = 96八拍运行方式的步距角要比单四拍和双四拍运行方式的步距角小一半，所以步进