步进电机环形分配软硬件设计

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1、杭州职业技术学院课程设计说明书题 目 机电一体化课程设计三相步进电机环行分配硬 /软件设计系 别专 业班 级姓 名指导教师二OO 年 月 日课程设计任务书、设计任务：三相步进电机环行分配硬/软件设计二、设计要求：1、阐述步进电机的工作原理2、设计步进电机的脉冲分配信号1）利用集成电路实现硬件环行分配2）利用汇编语言程序实现软件环行分配3、步进电机的驱动电路设计三、设计期限年 月 日至 年 月 日目录第一节 步进电机的工作原理 41.1 步进电动机 41.2 三相反应式步进电动机的工作原理 41.3 步进电动机的特点 7第二节 步进电机的脉冲分配 82.1 硬件环形分配 82.2 软件环形分配

2、9第三节 步进电机的驱动电路 133.1 单电源驱动电路 133.2 高低压驱动电路 133.3 斩波恒流功放电路 143.4 细分驱动电路 15参考文献15第一节步进电机的工作原理1.1 步进电动机电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移（或线位移）的电磁机械装置。对步进 电动机施加一个电脉冲信号时，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所 转过的角度叫做步距角。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格地成正比例，在时 间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便 可获得所需的转角、转速及旋转方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能 使转

3、子保持原有位置而处于定位状态。1.2 三相反应式步进电动机的工作原理图 1 所示是三相反应式步进电动机的工作原理图。步进电动机由转子和定子组成。定 子上有A、B、C三对绕组磁极，分别称为A相、B相、C相。转子是硅钢片等软磁材料 迭合成的带齿廓形状的铁心。如果在定子的三对绕组中通直流电流，就会产生磁场。当 A、 B、C三对磁极的绕组依次轮流通电，则A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。/c9逆时卅出妙連时針问转A相通唯 逆时针凹转SCT匚相通电B相迪电图 1 反应式步进电动机工作原理1）当A相通电，B相和C相不通电时，电动机铁心的AA方向产生磁通，在磁拉力 的作用下，转子1、3齿与A相磁极

4、对齐。2、4两齿与B、C两磁极相对错开30。2）当B相通电、C相和A相断电时，电动机铁心的BB方向产生磁通，在磁拉力的 作用下，转子沿逆时针方向旋转30，2、4齿与B相磁极对齐。1、3两齿与C、A两磁 极相对错开 30。3）当C相通电，A相和B相断电时，电动机铁心的CC方向产生磁通，在磁拉力的 作用下，转子沿逆时针方向又旋转30，1、3齿与C相磁极对齐。2、4两齿与A、B两 磁极相对错开 30。若按ABC通电相序连续通电，则步进电动机就连续地沿逆时针方向旋动，每换 杭州职业技术学院机电工程系4接一次通电相序，步进电动机沿逆时针方向转过 30，即步距角为 30。如果步进电动 机定子磁极通电相序按

5、AfCB进行，则转子沿顺时针方向旋转。上述通电方式称为三 相单三拍通电方式。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电的意思。从一相通电换接到另 一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角，故所谓“三拍”是指通电换接三次后完 成一个通电周期。另一种通电方式称为三相六拍通电方式，即按照AABBBCCCA相序通 电，工作原理如图2所示。如果A相通电，1、3齿与A相磁极对齐。当A、B两相同时 通电，因A极吸引1、3齿，B极吸引2、4齿，转子逆时旋转15。随后A相断电，只 有B相通电，转子又逆时旋转15, 2、4齿与B相磁极对齐。如果继续按BCCCA A的相序通电，步进电动机就沿逆时针方向，以15的步距角一步

6、一步移动。这种通 电方式采用单、双相轮流通电，在通电换接时，总有一相通电，所以工作比较平稳。时H通电眈相通电C相通电A對相通电A相通电EA和血也图 2 三相六拍通电方式工作原理步进电动机还可用双三拍通电方式，导通的顺序依次为AB BCCAAB，每拍都 由两相导通。它与单、双拍通电方式时两个绕组通电的情况相同，由于总有一相持续导通， 也具有阻尼作用，工作比较平稳。表 1 所示是三相单三拍、三相双三拍、三相单双六拍通 电方式切换表，由于硬件驱动电路存在电路的竞争与冒险，比如三相单三拍从序号 1 切换 到2，易出现“断、断、断”现象；三相双三拍从序号1切换到2，易出现“通、通、通” 现象，由此产生步

7、进电机的振荡。故实际使用当中多采用三相单双六拍通电方式。表1步进电机的通电方式切换 序号三相单三拍三相双三拍三相单双六拍A相B相C相A相B相C相A相B相C相1通断断通通断通断断2断通断断通通通通断3断断通通断通断通断4通断断通通断断通通5断通断断通通断断通6断断通通断通通断通实际使用的步进电动机，一般都要求有较小的步距角。因为步距角越小它所达到的位 置精度越高。图3 是步进电动机实例。图中转子上有40个齿，相邻两个齿的齿距角360 /40=9。三对定子磁极均匀分布在圆周上，相邻磁极间的夹角为 60。定子的每个磁极 上有 5 个齿，相邻两个齿的齿距角也是 9。因为相邻磁极夹角(60)比 7 个齿

8、的齿距 角总和(9X7=63 )小3,而120比14个齿的齿距角总和(9X14=126 ) 小 6, 这样当转子齿和A相定子齿对齐时，B相齿相对转子齿逆时针方向错过3,而C相齿相 对转子齿逆时针方向错过 6。按照此结构,采用三相单三拍通电方式时,转子沿逆时针 方向,以3步距角转动。采用三相六拍通电方式时,则步距角减为1.5。如通电相序相 反,则步进电动机将沿着顺时针方向转动。图 3 步进电动机实例如上所述,步进电动机的步距角大小不仅与通电方式有关,而且还与转子的齿数有关 计算公式为0=叱kmz式中m定子励磁绕组相数；z转子齿数；k通电方式，相邻两次通电相数一样，k =1,不同时，k=2。步进电

9、动机转速计算公式为00fn =x 60 f =360。6式中 n转速(r/min)；f控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数；6用度数表示的步距角。由上式可见，当转子的步距角一定时，步进电动机的转速与输入脉冲频率成正比。1.3 步进电动机的特点步进电动机的主要特点如下：1）步进电动机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动机的 脉冲个数就能控制位移量；2）步进电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电 动机的转速；3）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某固定位置 上，不需要机械制动装置；4）改变通电相序即可改变电动机转向；5

10、）步进电动机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差；6）步进电动机转动惯量小，起动、停止迅速。 由于步进电动机有这些特点，所以在开环数控系统中获得广泛应用。第二节步进电机的脉冲分配步进电机的控制主要由脉冲分配和驱动电路两部分组成，步进电机脉冲控制的任务有 三点：控制电机的转角、控制电机的转速、控制电机的转向。控制输送给电机的脉冲数就 可以控制电机相应的转角数；控制输送给电机的脉冲频率就可以控制电机的转速；控制电 机的转向，实际就是控制脉冲输送给电机绕组的顺序分配，这种分配称为环行分配。在数 控系统中，脉冲分配器是将插补输出脉冲，按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机 驱动电路的各相输入端，用

11、以控制绕组中电流的开通和关断。同时由于电动机有正反转要 求，所以脉冲分配器的输出既是周期性的，又是可逆的，因此，也可称之为环形分配器。 脉冲分配可以用硬件电路实现，也可以用软件程序实现。2.1硬件环形分配硬件环行分配器由集成电路的逻辑门、触发器等逻辑单元构成。三相六拍环形分配器 由三个D触发器和若干个与非门所组成。CP端接进给脉冲控制信号，E端接电机方向控 制信号（高电平或低电平信号）。环行分配器的输出端Qa、QB和QC分别控制电机的A、 B和C三相绕组。其原理图见图4。正向进给时环行分配器真值表见表2。对图4进行分析可知：置E为“ 1”时，三相六拍的运行方式是A-AB-B-BC-C -CA顺

12、序轮流通电方式，称之为正转，则转子便顺时针方向一步一步转动；置E为“0” 时，三相六拍的运行方式是CA-CCB-BBA-A顺序轮流通电方式，称之为反转，则转子便逆时针方向一步一步转动。总佶0T 065T旳065Q/JQr (?R pT 07 6方向拎制丁 Q外 SKlMvTQ | QaT076 Sn :F ”图 4 正、反向进给的环行分配器原理图表2正、反向进给时环行分配器真值表CPdadbDeQaQbQe通电相0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A图5所示为专用的环形分配集成芯片CH250,是专为三相步进电机设计

13、的环形分配集 成芯片，采用 CMOS 工艺集成，可靠性高，它可工作于单三拍、双三拍、三相六拍等方式。 图所示为三相六拍的接线图,步进电机的初始励磁状态为 AB 相,当进给脉冲 CP 的上升 沿有效，并且方向信号E=1时则正转，E=0时则反转。图 5 CH250 实现的三相六拍脉冲分配电路对于不同种类、不同相数、不同分配方式的步进电机都必须重新设计不同的硬件分配 电路或选用不同的集成芯片，显然有些不方便。2.2软件环形分配1、软件环形分配原理采用 MCS-51 系列单片机来进行环行脉冲的软件控制，现以控制两只四相八拍电机的 环行分配程序为例说明其原理。设有 X 向四相步进电机，以四相八拍方式运行

14、。按照四相八拍方式运行时的通电顺序 为： 正转：AABBBCCCDDDA； 反转：AADDDCCCBBBA;设以8031的P1 口作为两只电机的输出口，其对应关系如表3所示。表3两只四相电机输出口分配Y电机X电机P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0DCBADCBA由于控制口的输出信号一般须经驱动电路进行反向放大，故当某 P 口输出为“0”时1即接通某相电机绕组，当某P 口输出为“ 1”时即表示不接通某相电机绕组。表4为X向1电机的通电顺序。设X向电机以通电状态的顺序号作为地址，并记忆在内部RAM的52H 中, 把X的状态记忆在55H中，与P 口相对应，55H的低四位放X向电机的状态，当电机正转1时，通电顺序号加1增大；当电机反转时，通电顺序号减1减小。把X向电机的进给方向 符号放在位地址02H中，“0”