步进电机及其工作原理和程序设计.ppt

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1、步进电机的工作原理及其控制小组成员：丁兆峰 韦光湖 王鸿源 袁齐全 陈玉灵一步进电机的机构二步进电机的工作原理三步进电机控制系统原理四脉冲产生与方向控制五控制接口与程序设计概览一、步进电机的结构步进电机外形结构常见步进电机外形构造 步进电机内部结构举例举例举例举例单段反应式步进电机的内部结构单段反应式步进电机的内部结构单段反应式步进电机的内部结构单段反应式步进电机的内部结构反应式步进电机的内部结构横剖面示意图反应式步进电机的内部结构横剖面示意图反应式步进电机的内部结构横剖面示意图反应式步进电机的内部结构横剖面示意图 转子转子定子绕组定子绕组定子定子磁磁极极步进电机分类通常按励磁方式分为三大类：

2、1 1 1 1）反反应应式式：转转子子为为软软磁磁材材料料，无无绕绕组组，定定、转转子子开开小小齿齿、步步距距小小。应应用最广。用最广。2 2 2 2）永永磁磁式式：转转子子为为永永磁磁材材料料，转转子子的的极极数数=每每相相定定子子极极数数，不不开开小小齿齿，步距角较大，力矩较大步距角较大，力矩较大 3 3 3 3）感感应应子子式式(混混合合式式)：转转子子为为永永磁磁式式、两两段段，开开小小齿齿，混混合合反反应应式式与与永永磁磁式式优优点点：转转矩矩大大、动动态态性性能能好好、步步距距角角小小。但但结结构构复复杂杂，成成本本较高较高。下面以下面以下面以下面以单段反应式步进电机单段反应式步进

3、电机单段反应式步进电机单段反应式步进电机为例来介绍步进电机的工作原理为例来介绍步进电机的工作原理为例来介绍步进电机的工作原理为例来介绍步进电机的工作原理二、步进电机的工作原理图图440 440 步进电机原理图步进电机原理图（P143P143）步距角定义定义定义定义：步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度称步距角。的角度称步距角。的角度称步距角。的角度称步距角。转子齿数越多，步距角转子齿数越多，步距角转子齿数越多，步距角转子齿数越多，步距角 越小

4、越小越小越小 定子相数越多，步距角定子相数越多，步距角定子相数越多，步距角定子相数越多，步距角 越小越小越小越小 通电方式的节拍越多，步距角通电方式的节拍越多，步距角通电方式的节拍越多，步距角通电方式的节拍越多，步距角 越小越小越小越小式中：式中：式中：式中：mm 定子相数定子相数定子相数定子相数 Z Z 转子齿数转子齿数转子齿数转子齿数 C C 通电方式通电方式通电方式通电方式 C=1C=1 单相轮流通电、双相轮流通电方式单相轮流通电、双相轮流通电方式单相轮流通电、双相轮流通电方式单相轮流通电、双相轮流通电方式 C=2C=2 单、双相轮流通电方式单、双相轮流通电方式单、双相轮流通电方式单、双

5、相轮流通电方式计算公式计算公式计算公式计算公式：常用步进电机的步距角常用步进电机的步距角常用步进电机的步距角 常用步进电机的定子绕组多数是常用步进电机的定子绕组多数是三相三相和和五相五相,与此相与此相匹配的转子齿数分别为匹配的转子齿数分别为4040齿齿和和4848齿齿，即有，即有三相步进电机：三相步进电机：五相步进电机：五相步进电机：单相轮流通电单相轮流通电单相轮流通电单相轮流通电（MM相单相单相单相单MM拍）拍）拍）拍）顺时针轮回顺时针轮回顺时针轮回顺时针轮回 ABCAABCA 逆时针轮回逆时针轮回逆时针轮回逆时针轮回 ACBAACBA 双相轮流通电双相轮流通电双相轮流通电双相轮流通电（MM

6、相双相双相双相双MM拍）拍）拍）拍）顺时针轮回顺时针轮回顺时针轮回顺时针轮回 ABBCCAABABBCCAAB 逆时针轮回逆时针轮回逆时针轮回逆时针轮回 BAACCBBABAACCBBA单双相轮流通电单双相轮流通电单双相轮流通电单双相轮流通电（MM相相相相2M2M拍）拍）拍）拍）顺时针轮回顺时针轮回顺时针轮回顺时针轮回 AABBBCCCAAAABBBCCCAA 逆时针轮回逆时针轮回逆时针轮回逆时针轮回 AACCCBBBAAAACCCBBBAA单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 定子的通电方式定子的通电方式定子的通电方

7、式定子的通电方式 单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿两转子齿定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序：ABCA ABCA转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：顺时针顺时针顺时针顺时针步距角：步距角：步距角：步距角：单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿两转子齿定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序:ACBA ACBA转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：逆时针逆时针逆时针逆时针步距角：步距角：步距角：步距角：单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿两转子齿

8、定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序：ABBCCAAB ABBCCAAB转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：顺时针顺时针顺时针顺时针步距角：步距角：步距角：步距角：单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿两转子齿定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序：BAACCBBA BAACCBBA转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：逆时针逆时针逆时针逆时针步距角：步距角：步距角：步距角：单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿两转子齿定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序：AA

9、BBBCCCAA AABBBCCCAA 转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：顺时针顺时针顺时针顺时针 步距角：步距角：步距角：步距角：单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿两转子齿定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序：AACCCBBBAAAACCCBBBAA 转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：逆时针逆时针逆时针逆时针 步距角：步距角：步距角：步距角：单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿四转子齿定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序：ABCA ABCA转子旋转方向：转子

10、旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：逆时针逆时针逆时针逆时针步距角：步距角：步距角：步距角：单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿四转子齿定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序:ACBA ACBA转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：顺时针顺时针顺时针顺时针步距角：步距角：步距角：步距角：单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿四转子齿定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序：ABBCCAAB ABBCCAAB转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：逆时针逆时针逆时针逆时针步距角：步距角

11、：步距角：步距角：单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿四转子齿定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序定子通电顺序：BAACCBBA BAACCBBA转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：顺时针顺时针顺时针顺时针步距角：步距角：步距角：步距角：单段反应式步进电机的工作原理单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿四转子齿定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序：AABBBCCCAAAABBBCCCAA转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：逆时针逆时针逆时针逆时针 步距角：步距角：步距角：步距角：单段反应式步进电机的工作原理

12、单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿四转子齿定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序：定子通电顺序：AACCCBBBAAAACCCBBBAA 转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：转子旋转方向：顺时针顺时针顺时针顺时针 步距角：步距角：步距角：步距角：转子转动的原因分析步进电机的实际结构转子转动的原因分析 步进电机的转子上没有绕组，而是由40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9度。当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度，使转子齿和定子齿对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本

13、原因。例如，在单三拍控制方式中，假如A相同点，B、C相不通电，在磁场的作用下使转子齿和A相的定子齿对齐。若以此为初始状态，设与A相磁极中心对齐的转子齿为0号齿，由于B相磁极与A相磁极相差120，且120/9=13 不为整数，所以，此时转子齿不能与B相定子齿对齐，只是13号小齿靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3，如果此时突然变为B相通电，而A、C两相不通电，则B相磁极迫使13号转子齿与之对齐，整个转子就转动3，此时，称电机走了一步。同理，我们按照ABCA顺序通电一周，则转子转动9。三、步进电机控制系统原理图图441441步进电机控制系统的组成步进电机控制系统的组成（P P1 14444）根据实

14、现脉冲分配的方式可分为硬件控制和软件控制根据实现脉冲分配的方式可分为硬件控制和软件控制（1）由硬件完成脉冲分配的系统步进电机控制系统原理步进电机控制器包括：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转向控制门等作用：把输入的脉冲转换成环形脉冲，以控制步进电机运行及转向功率放大器：把环形脉冲放大，以驱动步进电机转动何为环形分配器？环形分配器 将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列脉冲的装置叫环脉冲的装置叫环脉冲的装置叫环脉冲的装置叫环形形形形分配器。分配

15、器。分配器。分配器。环行分配器可以由硬件构成也可以由软件构成。环行分配器可以由硬件构成也可以由软件构成。环行分配器可以由硬件构成也可以由软件构成。环行分配器可以由硬件构成也可以由软件构成。环形分配器工作原理 硬硬硬硬件件件件环环环环行行行行分分分分配配配配器器器器的的的的基基基基本本本本构构构构成成成成是是是是触触触触发发发发器器器器。因因因因为为为为步步步步进进进进电电电电机机机机有有有有几几几几相相相相就就就就需需需需要要要要几几几几个个个个序序序序列列列列脉脉脉脉冲冲冲冲，所所所所以以以以步步步步进进进进电电电电机机机机有有有有几几几几相相相相，就就就就要要要要设设设设置置置置几几几几个

16、个个个触触触触发发发发器器器器。每每每每个个个个触触触触发发发发器器器器发发发发出出出出的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲就就就就是是是是一一一一个个个个序序序序列列列列脉脉脉脉冲冲冲冲，用用用用来来来来控控控控制制制制步步步步进进进进电电电电机机机机某某某某相相相相定定定定子子子子绕绕绕绕组的通、断电。组的通、断电。组的通、断电。组的通、断电。触触触触发发发发器器器器工工工工作作作作的的的的同同同同步步步步信信信信号号号号就就就就是是是是来来来来自自自自插插插插补补补补器器器器的的的的某某某某个个个个坐坐坐坐标标标标轴轴轴轴的的的的位位位位移移移移驱驱驱驱动动动动信号信号信号信号xx或或或或yy。环形

17、分配器工作原理三相单三拍工作方式：三相单三拍工作方式：三相单三拍工作方式：三相单三拍工作方式：ABCAABCA 当当当当QAQA有输出有输出有输出有输出AA，就使步进电机的，就使步进电机的，就使步进电机的，就使步进电机的A A相通电，相通电，相通电，相通电，当当当当QBQB有输出有输出有输出有输出BB，就使步进电机的，就使步进电机的，就使步进电机的，就使步进电机的B B相通电，相通电，相通电，相通电，当当当当QCQC有输出有输出有输出有输出CC，就使步进电机的，就使步进电机的，就使步进电机的，就使步进电机的C C相通电。相通电。相通电。相通电。输出波形如下输出波形如下输出波形如下输出波形如下：

18、环形分配器工作原理 如如如如果果果果用用用用D D触触触触发发发发器器器器,则则则则触触触触发发发发器器器器的的的的输输输输入入入入端端端端就就就就是是是是D D端端端端，它它它它的的的的信信信信号号号号也也也也取取取取自自自自触触触触发发发发器器器器本本本本身身身身，不不不不过过过过这这这这中中中中间间间间还还还还要要要要加加加加一一一一定定定定的的的的外外外外接接接接无无无无源源源源电电电电路。路。路。路。触触触触发发发发器器器器的的的的输输输输出出出出和和和和输输输输入入入入通通通通过过过过一一一一定定定定的的的的外外外外电电电电路路路路连连连连接接接接在在在在一一一一起起起起，构构构构

19、成成成成一一一一个个个个封封封封闭闭闭闭的的的的整整整整体体体体环环环环形形形形电电电电路路路路，只只只只要要要要有有有有 X X这这这这个个个个单单单单序序序序列列列列脉脉脉脉冲冲冲冲它它它它就就就就能能能能连连连连续续续续不不不不断断断断地地地地输输输输出出出出AA、BB、CC，这这这这就就就就是是是是我我我我们们们们把把把把它它它它称称称称为为为为环环环环行行行行分分分分配配配配器器器器的的的的道道道道理理理理。即即即即环环环环形形形形就就就就是是是是触触触触发发发发器器器器的的的的输输输输入入入入由由由由其其其其输输输输出出出出连连连连接接接接，分分分分配配配配就就就就是是是是根根根根

20、据据据据步步步步进进进进电电电电机机机机定定定定子子子子绕绕绕绕组组组组的的的的通通通通电电电电顺顺顺顺序序序序要要要要求求求求对对对对 x x的的的的序序序序列列列列脉脉脉脉冲冲冲冲进进进进行行行行再再再再分分分分配配配配。所所所所以以以以也也也也常常常常直直直直接接接接称称称称其其其其为为为为脉脉脉脉冲冲冲冲分分分分配配配配器。器。器。器。硬件控制 在这种形式里，脉冲分配器（CH250）、驱动电路有硬件完成。单片机只提供步进脉冲和正、反转控制信号、步进脉冲的产生和停止、步进脉冲的频率和个数都可以用软件控制。脉冲分配器中由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关

21、系加在脉冲放大器上，使步进电机按确定的运行方式工作。下面着重介绍CH250唤环形脉冲分配器。CH 250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配去，通过其控制端的不同揭发可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式，如下图所示左图左图 CH250 CH250三相双三拍接法三相双三拍接法右图右图 CH250 CH250三相六拍接法三相六拍接法CH250CH250环形脉冲分配器的功能关系如下表所示环形脉冲分配器的功能关系如下表所示进一步讨论：单片机输出步进脉冲后，再由脉冲分配电路按事先确定的顺序控制各相的通断。一般来说，硬件一旦确定下来，不易更改，这种方案，硬件设备成本高，它的应用受到了限制。怎

22、样用软件产生步进脉冲呢？所谓软件产生就是用软件控制P3.0为0或为1的次序和长短。如果先令P3.0=1，延时一段时间，再令P3.0=0，再延时一段时间后，又令P3.0=1，如此循环，就可构成脉冲序列，延时时间的长短决定了脉冲呢序列的周期，而脉冲序列的周期又与步进电机的步距有关。步进电机控制系统原理图图442 442 用微型机控制步进电机原理系统图用微型机控制步进电机原理系统图（P144P144）（2）有软件完成脉冲分配工作的系统）有软件完成脉冲分配工作的系统图442 与 图441相比：用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成 串行脉冲序列，并实现方向控制。只要负载是在步进电机允许的范围之内

23、，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。特点：由软件完成脉冲分配工作，不仅使路线简化，成本下降，而且可根据应用系统的需要，灵活地改变步进电机的控制方案。讨论解决如下几个问题：（1）用软件的方法实现脉冲序列（2）步进电机的方向控制（3）步进电机控制程序的设计四、脉冲产生和方向控制1、脉冲序列的生成图图443 443 脉冲序列脉冲序列（P P143143）脉冲幅值 由数字元件电平决定。TTL 0 5V CMOS 0 10V 接通和断开时间可用延时的办法控制。要求：确保步进到位。2方向控制 步进电机旋转方向与内部绕组的通

24、电顺序相关。三相步进电机有三种工作方式：单三拍，通电顺序为 ABCA；双三拍，通电顺序为 ABBCCAAB；三相六拍，通电顺序为 AABBBCCCA ；改变通电顺序可以改变步进电机的转向3.步进电机通电模型的建立：（1）用微型机输出接口的每一位控制一相绕组，【例如】用 8255 控制三相步进电机时，可用 PC.O、PC.1、PC.2 分别接至步进电机的 A、B、C 三相绕组。（2）根据所选定的步进电机及控制方式，写出相应控制方 式的数学模型。上面讲的三种控制方式的数学模型分别为：三相单三拍步 序 控 制 位 工 作 状 态 控 制 模 型 PC.7PC.6PC.5PC.4PC.3PC.2C相

25、PC.1B相 PC.0A相 100000001A01H200000010B02H300000100C04H三相双三拍用P1口的P1.2、P1.1、P1.0对应C、B、A相进行控制。同理，可以得出双三拍和三相六拍的控制模型：双三拍 03H，06H，05H 三相六拍 01H，03H，02H，06H，04H，05H 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型，如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。五、控制接口与程序设计 由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。接口电路可以是锁存器，也可以是可编程接口芯片，如 8255、8155等。驱动器可用大功率复合管，

26、也可以是专门的驱动器。光电隔离器，一是抗干扰，二是电隔离，步进电机与微型机的接口及程序设计图图444 444 步进电机与微型机接口电路之一步进电机与微型机接口电路之一 (P146)P146)步进电机与微型机的接口及程序设计 总之，只要按一定的顺序，改变P1.0P1.2三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器，以防强功率的干扰信号反串进主控系统。如图4-25所示步进电机与微型机的接口及程序设计图图445 445 步进电机与微型机接口电路之二步进电机与微型机接口电路之二（P147P147）步进电机与微型机的接口及程序设计

27、步进电机程序设计（1）步进电机程序设计的主要任务是：判断旋转方向；按顺序传送控制脉冲；判断所要求的控制步数是否传送完毕。（2）程序框图 下面以三相双三拍为例说明这类程序的设计。图图4.46 4.46 三相双三拍步进电机控制程序流程图三相双三拍步进电机控制程序流程图 p134p134 O ORGRG 0100H0100H ROUNT1ROUNT1：MOVMOVA A，#N#N；步；步进电进电机步数机步数A A JNBJNB00H00H，LOOP2LOOP2；反向，；反向，转转 LOOP2LOOP2 LOOP1LOOP1：MOVMOVP1P1，#03H#03H；正向，；正向，输输出第一拍出第一拍

28、ACALLACALLDELAYDELAY；延；延时时 DECDECA A；A A0 0，转转DONEDONE JZJZDONEDONE MOVMOVP1P1，06H06H；输输出第二拍出第二拍 ACALLACALLDELAYDELAY；延；延时时 DECDECA A；A A0 0，转转DONEDONE JZJZDONEDONE MOVMOVP1P1，05H05H；输输出第三拍出第三拍 ACALLACALLDELAYDELAY；延；延时时 DECDECA A；A A0 0，转转LOOP1LOOP1 JNZ JNZLOOP1LOOP1 AJMP DONE AJMP DONE ；A A0 0，转转D

29、ONEDONELOOP2LOOP2：MOV MOV P1 P1，03H03H；反向，；反向，输输出第一拍出第一拍 ACALL DELAY ACALL DELAY ；延；延时时DEC ADEC A；A A0 0，转转DONDON JZ JZ DONE DONE MOV P1MOV P1，05H05H；输输出第二拍出第二拍 ACALL DELAYACALL DELAY；延；延时时 DEC DEC A A JZJZ DONE DONE MOVMOV P1 P1，06H06H；输输出第三拍出第三拍 ACALL DELAYACALL DELAY；延；延时时 DECDEC A A ；A A0 0，转转LO

30、OP2LOOP2 JNZJNZ LOOP2 LOOP2DONEDONE：RET RETDELAY：对于节拍比较多的控制程序，通常采用循环程序进行设计。循环程序作 法：把 环 形 节 拍 的 控 制 模 型 按 顺 序 存 放 在 内 存 单 元 中，逐 一 从 单 元 中 取 出控制模型并输出。节拍越多，优越性越显著。下面以三相六拍为例进行设计流程图如下所示三相六拍步进电机控制程序如下ORGORG8100H8100HROUTN2ROUTN2：MOVMOVR2R2，COUNTCOUNT；步；步进电进电机的步数机的步数LOOP0LOOP0：MOVMOVR3R3，#00H#00H MOV DPTRM

31、OV DPTR，#POINT#POINT；送控制模型指；送控制模型指针针 JNBJNB00H00H，LOOP2LOOP2；反；反转转，转转LOOP2LOOP2LOOP1LOOP1：MOVMOVA A，R3R3 ；取控制模型；取控制模型 MOVCMOVCA A，A+DPTRA+DPTR JZJZLOOP0LOOP0；控制模型；控制模型为为00H00H，转转LOOP0LOOP0 MOVMOVP1P1，A A；输输出控制模型出控制模型 ACALLACALL DELAYDELAY；延；延时时 INCINCR3R3；控制步数加；控制步数加1 1 DJNZDJNZR2R2，LOOP1LOOP1；步数未走完

32、，；步数未走完，继续继续 RETRETLOOP2LOOP2：MOVMOV A A，R3R3；求反向控制模型的偏移量；求反向控制模型的偏移量 ADD ADD A A，#07H#07H MOV MOV R3 R3，A A AJAMP AJAMP LOOP1 LOOP1DELAYDELAY：；延；延时时程序程序 POINTPOINT DB DB01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H；正向控制；正向控制模型模型 DB DB 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H；反向控制模型；反向控制模型COUNTCOUNT EQU 30H,EQU 30H,POINT EQU 0150H 两个重要的参数:步数 N 控制步进电机的定位精度。延时时间 DELAY 控制其步进的速率。Thats all