步进电机及其工作原理和程序设计

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——单段反应式步进电机的内部结构AABBCC反应式步进电机的内部结构横剖面示意图转子定子绕组定子磁极步进电机分类通常按励磁方式分为三大类：1）反应式：转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距小。应用最广。2）永磁式：转子为永磁材料，转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大3）感应子式(混合式)：转子为永磁式、两段，开小齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、步距角小。但结构复杂，成本较高。下面以单段反应式步进电机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4—40步进电机原理图（P143）步距角定义：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。♠转子齿数越多，步距角越小♠定子相数越多，步距角越小♠通电方式的节拍越多，步距角越小bθbθbθ式中：m－定子相数Z－转子齿数C－通电方式C=1单相轮流通电、双相轮流通电方式C=2单、双相轮流通电方式计算公式：b360θ=m*Z*C°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三相和五相,与此相匹配的转子齿数分别为40齿和48齿，即有三相步进电机：五相步进电机：b360360θ=3(1.5)m*Z*C3*40*1(2)°°°°b360360θ=1.5(0.75)m*Z*C5*48*1(2)°°°°单相轮流通电（M相单M拍）顺时针轮回A→B→C→A逆时针轮回A→C→B→A双相轮流通电（M相双M拍）顺时针轮回AB→BC→CA→AB逆时针轮回BA→AC→CB→BA单双相轮流通电（M相2M拍）顺时针轮回A→AB→B→BC→C→CA→A逆时针轮回A→AC→C→CB→B→BA→A单段反应式步进电机的工作原理——定子的通电方式单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序：A→B→C→A转子旋转方向：顺时针步距角：b=60θ°AA12ABB12AAC1260°BCC12单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序:A→C→B→A转子旋转方向：逆时针步距角：b=60θ°ACC12AA12BBC1260°AAB1260°单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序：AB→BC→CA→AB转子旋转方向：顺时针步距角：b=60θ°AABB12ABBCC1260°AABBC1260°AABCC1260°单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序：BA→AC→CB→BA转子旋转方向：逆时针步距角：b=60θ°AABCC1260°AABB12ABBCC1260°AABBC1260°单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序：A→AB→B→BC→C→CA→A转子旋转方向：顺时针步距角：b=30θ°AA12AABB1230°ABB1230°AABCC1230°BCC1230°ABBCC12单段反应式步进电机的工作原理——两转子齿定子通电顺序：A→AC→C→CB→B→BA→A转子旋转方向：逆时针步距角：b=30θ°ACC1230°AABCC12AA12ABBCC12BBC1230°AABBC1230°单段反应式步进电机的工作原理——四转子齿定子通电顺序：A→B→C→A转子旋转方向：逆时针步距角：b=30θ°AA1243ABB4231AAC423130°BCC423130°单段反应式步进电机的工作原理——四转子齿定子通电顺序:A→C→B→A转子旋转方向：顺时针步距角：b=30θ°ACC132430°AA1243BBC132430°AAB1324单段反应式步进电机的工作原理——四转子齿定子通电顺序：AB→BC→CA→AB转子旋转方向：逆时针步距角：b=30θ°AABB1324ABBCC1324AABBC132430°AABCC1324单段反应式步进电机的工作原理——四转子齿定子通电顺序：BA→AC→CB→BA转子旋转方向：顺时针步距角：b=30θ°AABCC132430°AABB1324ABBCC1324AABBC1324单段反应式步进电机的工作原理——四转子齿定子通电顺序：A→AB→B→BC→C→CA→A转子旋转方向：逆时针步距角：b=15θ°AA4231AABB1324ABB423115°AABCC132415°BCC423115°ABBCC132415°单段反应式步进电机的工作原理——四转子齿定子通电顺序：A→AC→C→CB→B→BA→A转子旋转方向：顺时针步距角：b=15θ°ACC132415°AABCC132415°AA1243ABBCC1324BB1324C15°AABBC132415°转子转动的原因分析步进电机的实际结构AABBCC47°50°A相各齿对齐时,B相转子齿错位3°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A→B→C→A顺序通电一周，则转子转动9°。93三、步进电机控制系统原理图4—41步进电机控制系统的组成（P144）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脉冲的装置叫环形分配器。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件环行分配器的基本构成是触发器。因为步进电机有几相就需要几个序列脉冲，所以步进电机有几相，就要设置几个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲，用来控制步进电机某相定子绕组的通、断电。触发器工作的同步信号就是来自插补器的某个坐标轴的位移驱动信号Δx或Δy。CPQADAQASRCPQBRSDBQBCPQCRSDCQC复位△X△A△B△C环形分配器工作原理三相单三拍工作方式：A→B→C→A当QA有输出ΔA，就使步进电机的A相通电，当QB有输出ΔB，就使步进电机的B相通电，当QC有输出ΔC，就使步进电机的C相通电。输出波形如下：26811111111111145379△C△B△A△环形分配器工作原理如果用D触发器,则触发器的输入端就是D端，它的信号也取自触发器本身，不过这中间还要加一定的外接无源电路。触发器的输出和输入通过一定的外电路连接在一起，构成一个封闭的整体环形电路，只要有ΔX这个单序列脉冲它就能连续不断地输出ΔA、ΔB、ΔC，这就是我们把它称为环行分配器的道理。即环形就是触发器的输入由其输出连接，分配就是根据步进电机定子绕组的通电顺序要求对Δx的序列脉冲进行再分配。所以也常直接称其为脉冲分配器。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。CH250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CH250三相双三拍接法右图CH250三相六拍接法CH250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4—42用微型机控制步进电机原理系统图（P144）（2）有软件完成脉冲分配工作的系统图4—42与图4—41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，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4—43脉冲序列（P143）★脉冲幅值由数字元件电平决定。TTL0～5VCMOS0～10V★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ABC→A；★双三拍，通电顺序为ABBCCA→AB；★三相六拍，通电顺序为AABBBCCCA；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，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4—44步进电机与微型机接口电路之一(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P1.0~P1.2三位通电的状况，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4—45步进电机与微型机接口电路之二（P147）步进电机与微型机的接口及程序设计步进电机程序设计（1）步进电机程序