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步进电机工作原理与编程本章将介绍在嵌入式平台UPNETARM2410S中步进电机的实现。步进电机在各个领域诸如机器人、智能控制、工业控制等方面都有着广泛的应用空间，本章着重介绍步进电机的工作原理及编程实现步进电机驱动的方法，主要内容如下：l 步进电机的概述l 步进电机的工作原理l 和微处理器的总线连接方式l 驱动程序的编程l Linux 下用软件的方法实现步进电机的脉冲分配，用软件的方法代替硬件的脉冲分配器1步进电机概述步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。1.1步进电机的特性步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。总体上说，步进电机有如下优点：1不需要反馈，控制简单。2与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。3没有角累积误差。4停止时也可保持转距。5没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。6即使没有传感器，也能精确定位。7根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。但是，这种电机也有自身的缺点。8难以获得较大的转矩9、不宜用作高速转动10在体积重量方面没有优势，能源利用率低。11超过负载时会破坏同步，速工作时会发出振动和噪声。1.2步进电机的种类目前常用的步进电机有三类：1、反应式步进电动机（VR）。采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。2、永磁式步进电动机（PM）。转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。3、混合步进电动机（HB）。这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。2、步进电机的工作原理现以反应式三相步进电机为例说明其工作原理。三相步进电机的定子铁心上有六个形状相同的大齿，相邻两个大齿之间的夹角为60 度。每个大齿上都套有一个线圈，径向相对的两个线圈串联起来成为一相绕组。各个大齿的内表面上又有若干个均匀分布的小齿。转子是一个圆柱形铁心，外表面上圆周方向均匀的布满了小齿。转子小齿的齿距是和定子相同的。设计时应使转子齿数能被二整除。但某一相绕组通电，而转子可自由旋转时，该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近的转子小齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置，而其它两相的各个大齿下的小齿必定和转子的小齿分别错开正负1/3 的齿距，形成“齿错位”，从而形成电磁引力使电动机连续的转动下去。和反应式步进电动机不同，永磁式步进电动机的绕组电流要求正，反向流动，故驱动电路一般要做成双极性驱动。混合式步进电动机的绕组电流也要求正，反向流动，故驱动电路通常也要做成双极性。2.1、步进电机的励磁方式步进电机有2相、4相和5相电机。在4相电机中有4组线圈，若电流按顺序通过线圈则使电机产生转动。2相电机中有2组线圈。从图9.3可以发现，在各线圈中引出中间端子，因此若以中间端子为基准即可实现4相，称这4为A、B、C、D的励磁相。本实验使用的就是这种方式的4相电机，而励磁方式中有1相（单向）励磁、2相（双向）励磁和12相（单双向）励磁方式。此外，如果转动的方向不正确，可以交替1、2端子或3、4号端子(1).1相励磁方式按ABCD的顺序总是仅有一个励磁相有电流通过，因此，对应1个脉冲信号电机只会转动一步，这使电机只能产生很小的转矩并会产生振动，故很少使用。ABCDT11000T20100T30010T40001图2.T1T4表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相，1表示此时有一个脉冲，0表示没有 (2).2相励磁方式按AB、BC、CD、DA的方式总是只有2相励磁，通过的电流是1相励磁时通过电流的2倍，转矩也是1相励磁的2倍。此时电机的振动较小且应答频率升高，目前仍广泛使用此种方式。ABCDT11100T20110T30011T41001图3.T1T4表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相，1表示此时有一个脉冲，0表示没有脉冲 (3).12相励磁方式即实验中所有的励磁方式，它按A、AB、B、BC、C、CD、D、DA的顺序交替进行线圈的励磁。与前述的2个线圈励磁方式相比，电机的转速是原来的1/2，应答频率范围变为原来的2倍。转子以滑动的方式转动。ABCDT11000T21100T30100T40110T50010T60011T70001T81001图4.T1T8表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相，1表示此时有一个脉冲，0表示没有脉冲3与微处理器的连接方式步进电机并不是直接与CPU相连的。由于开发板上外部设备很多，各功能模块与微处理器的连接方式有专用线路，局部总线与扩展总线。3.1局部总线与扩展总线局部总线与微处理器直接相连，扩展总线通过一个总线控制器74LVCH6245与局部总线相连。从CPU 出来的数据、地址、读写控制等信号构成局部总线。NAND FLASH、SDRAM和网卡芯片AX88796 直接挂在局部总线上的。局部总线经过四片74LVCH16245 驱动后作为扩展总线引到其他外设以及168Pin 扩展槽。由于数据线是双向的，所以16245芯片必须有方向控制信号，这里采用经过隔离后的写控制信号OE 作为数据线所在16245 芯片的方向控制线。当OE 有效时16245 芯片把扩展总线上的数据传输到局部总线上；当OE无效时反之。另外，必须注意，当系统对局部总线上的芯片读数据时OE 一样会起作用，这样就必须对局部总线和扩展总线进行总线仲裁，这里是外设所具有的四个片选信号nGCS1、3、4、5 用74HC21 相与后作为数据线所在的16245 芯片的输出使能控制线，只有当系统对扩展总线读操作，也就是上述四个片选之一有效时，16245 才能对局部总线输出数据，否则无论OE 如何都呈现高阻态。如下图：注：LDATA表示局部总线的数据线；DATA表示扩展总线的数据线。74LVCH16425芯片共有四块，限于篇幅仅举一片为例，其它三片芯片，一片用于数据线的低位连接，两片用于地址线的连接。注：由于片选线使用的负逻辑电平有效，所有此处用的是与门3.2芯片74HC573扩展总线连接在芯片74HC573上，扩展总线的DATA0DATA7分别接在74HC573的八个数据输入端上。74HC573芯片是由8个三态门组成的寄存器，它起到暂时保存信息和隔离总线的作用。芯片的输出IO0IO3用于DA数模转换，IO4IO7用于步进电机的控制。描述：这个芯片采用的是八进位的D触发器，它可以驱动电容式或电阻式的负载。因此它特别适合应用于缓冲寄存器、IO端口、双向的总线控制器、和操作寄存器。当寄存器的使能端（LE）为高电平时，Q输出端和D输入端一一对应；当LE为低电平时，输出端管脚Q输出的是寄存器中已被设定的值。当一个能开启缓冲功能的负逻辑管脚（OE）为0时，无论是在正常逻辑状态还是在高阻抗状态下，都能放置八位的输出数据。在高阻抗状态下。输出并没有负载或者进行控制总线。高阻态和改进的总线驱动可以在不拉起元件的情况下控制总线传输。OE端并不影响寄存器内部的操作。当输出端呈高阻状态时旧的数据可以被保存或者新的数据进行输入。3.3步进电机模块的驱动电路74HC573芯片的输出IO4IO7用于用来驱动步进电机的转动。数据线要首先接在步进电机模块的一个接口上。接口对信号进行放大，使之能够驱动步进电机。放大后的信号就可以直接的来使步进电路进行工作了。3.4、开发板中的步进电机本开发板中使用的步进电机为四相步进电机。转子小齿数为64。系统中采用四路I/O 进行并行控制，ARM 控制器直接发出多相脉冲信号，在通过功率放大后，进入步进电机的各相绕组。这样就不再需要脉冲分配器。脉冲分配器的功能可以由纯软件的方法实现如上图所示。四相步距电机的控制方法有四相单四拍，四相单、双八拍和四相双四拍三种控制方式。步距角的计算公式为：b3600mCk其中：m 为相数，控制方法是四相单四拍和四相双四拍时C 为1，控制方法是四相单、双八拍时C 为2，Zk 为转子小齿数。本系统中采用的是四相单、双八拍控制方法，所以步距角为360/512。但步进电机经过一个1/8 的减速器引出，实际的步距角应为360/512/8。开发平台中使用EXI/O 的高四位控制四相步进电机的四个相。按照四相单、双八拍控制方法，电机正转时的控制顺序为AABBBCCCDDDA。EXI/O 的高四位的值参见下表：十六进制二进制通电状态1H0001A3H0011AB2H0010B6H0110BC4H0100CCH1100CD8H1000D9H1001DA表5.电机正转时，EXIO的高四位的值反转时，只要将控制信号按相反的顺序给出即可。可以通过宏SETEXIOBITMASK(bit,mask)（EXIO.h）来设置扩展I/O 口，其中mask 参数为0xf0。本实验使作的是12相励磁方式，还可以使用1相励磁方式和2相励磁方式。1相励磁方式的顺序是ABCD，因此只要设置数组char stepdata=0x10,0x20,0x400x,0x80 即可2相励磁方式的顺序是AB，BC，CD，DA， 因此只要设置数组char stepdata=0x30,0x60,0xc0,0x90 即可要实现电机的反转，只需将上面数组的值按相反的顺序排列即可4、驱动程序的编程驱动程序采用C语言进行编程，下面是驱动程序中几个重要的函数。static int do_stepmotor_run(char phase)/通过调用这个函数使步进电机转起来unsigned int bak;/变量bak用于存放从寄存器中读出的值 bak = readw(s3c2410_exio_base); /调用内核函数将基地址为s3c2410_exio_base寄存/器的值读出并放在bak中DPRINTK_STEP(s3c2410_exio_base content is %xn, bak);/调试输出语句tiny_delay(5);/延时函数，有延时功能bitops_mask_bit(phase, 0xf0, &bak);/清除48位然后再设置phase传进来的位（也是48位）DPRINTK_STEP(s3c2410_exio_base content is %xn, bak); /调试输出语句tiny_delay(5);writew(bak, s3c2410_exio_base); /调用内核函数将bak的值写入相应的寄存器中bak = readw(s3c2410_exio_base); /再次将寄存器的值读出DPRINTK_STEP(s3c2410_exio_base content is %xn, bak);/利用调试语句再次将修改后的寄存器中的值输出，以验证其正确性tiny_delay(5);DPRINTK_STEP(n);return 0;驱动程序主要通过上面这个函数来使步进电机转动。控制电机的是一个寄存器(地址是s3c2410_exio_base=0x08000100)，只要给它适当的值电机就可以运动起来。这个函数通过传递变量phase从应用程序获得数据。然后使用函数readw()把寄存器的值就读出并送给bak；通过函数bitops_mask_bit()修改bak的值；最后由writew()写回到寄存器中。5、应用程序的编程1、步进电机模块步进电机模块和DA 模块是使用Bank1 地址空间扩展出来的IO 口。共同使用驱动s3c2410-exio.o。在驱动程序中，与步进电机相关的主要在函数s3c2410_exio_ioctl：2、对应的应用源程序#include #include #include #include #define STEPMOTOR_IOCTRL_PHASE 0x13static int step_fd = -1;char *STEP_DEV=/dev/exio/0raw; /定义一个指针指向步进电机的驱动程序/* A, AB, B,BC, C CD, D,DA */char stepdata=0x10,0x30,0x20,0x60,0x40,0xc0,0x80,0x90;/各个相位对应的值void Delay(int t)/延时函数 int i; for(;t0;t-) for(i=0;i400;i+);/*/int main(int argc, char *argv)int i = 0;if(step_fd=open(STEP_DEV, O_WRONLY)0) printf(Error opening /dev/exio/0raw devicen); return 1;/打开设备的驱动程序，由于LINUX把所有的设备都模拟成文件。step_fd=open(STEP_DEV,0_WRONLY)实际调用的函数为：static int s3c2410_exio_open(struct inode *inode, struct file *filp)/驱动程序中的设备打开程序/ for (;) for (i=0; isizeof(stepdata)/sizeof(stepdata0); i+) ioctl(step_fd, STEPMOTOR_IOCTRL_PHASE, stepdatai); / 程序进入一个死循环，这样可以使电机在没有人为停止的状况下，一直的转动下去。 第二层for语句循环一次即电机转动一周。函数ioctl（）对应函数 s3c2410_exio_ioctl（） 而这个函数最终将调用函数 do_stepmotor_run(char)arg);使步进电机转动起来。/ printf(Delay(100)n); Delay(100); close(step_fd); /程序结束时关闭设备 printf(Step motor start running!n); return 0;步进电动机的工作原理及驱动方法作者： 时间：2007-12-05来源:电子元器件网 浏览评论步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。1.步进电动机的种类目前常用的有三种步进电动机：(1)反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。(2)永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。(3)混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。2.步进电动机的工作原理图1 三相反应式步进电动机的结构示意图1定子 2转子 3定子绕组分页图1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60。各磁极上套有线圈，按图1连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为E=360/40=9，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3。依次类推，当三相绕组按ABCA顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按ACBA顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角b为30。三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按ABBCCAAB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按AABBBCCCAA顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算： b=360/NEr (1)式中 Er转子齿数； N运行拍数，N=km，m为步进电动机的绕组相数，k=1或2。3.步进电动机的驱动方法步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图2所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。图2 步进电动机驱动控制器1.单电压功率驱动接口实用电路如图3所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。Rs对步进电动机单步响应的改善如图3(b)。分页图3 单电压功率驱动接口及单步响应曲线图4 双电压功率驱动接口2.双电压功率驱动接口双电压驱动的功率接口如图4所示。双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH驱动。这种功率接口需要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。图中，功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。当Uh低电平，TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。反之Uh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。3.高低压功率驱动接口图5 高低压功率驱动接口高低压功率驱动接口如图5所示。高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，如图5所示。图中，高压管VTH的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取13ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。分页4.斩波恒流功率驱动接口恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。图6是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流不大时，VT1和VT2同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，VT2被封锁，电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管VD续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，VT2导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，如图6所示。图6 斩波恒流功率驱动接口斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u1是数字脉冲，u2是模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。5.升频升压功率驱动接口为了进一步提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动接口。这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它的主回路实际上是一个开关稳压电源，利用频率-电压变换器，将驱动脉冲的频率转换成直流电平，并用此电平去控制开关稳压电源的输入，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。6.集成功率驱动接口目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用。L298芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压，相电流高达2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的逻辑电路使用5V电源，功放级使用546V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。L298(等)采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。它的内部结构如图7所示。H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。L298特别适用于对二相或四相步进电动机的驱动。分页图7 L298原理框图与L298类似的电路还有TER公司的3717，它是单H桥电路。SGS公司的SG3635则是单桥臂电路，IR公司的IR2130则是三相桥电路，Allegro公司则有A2916、A3953等小功率驱动模块。图8是使用L297(环形分配器专用芯片)和L298构成的具有恒流斩波功能的步进电动机驱动系统。图8 专用芯片构成的步进电动驱动系统步进马达的相关知识步进马达(Stepping motor)在当今信息工业社会中所扮演的角色日趋重要，尤以计算机外围的一些装置更是不可缺少，如:软驱、打印机、绘图机等，又如CNC工具机、机器人、顺序控制系统等各种信息工业产品中，无不以步进马达作为其传动的核心。 现在将步进马达的特性说明如下：1步进马达必须加上驱动电路才能转动驱动电路的信号输入端必须输入脉冲信号.若无脉冲输入时，转子保持一定的位置，维持静止状态;反之，若加入适当的脉冲信号时,转子则会以一定的角度(称为步角)转动。所以如果加入连续脉冲时,则转子旋转的角度与脉冲频率成正比。2步进马达的步进角一般为1.8度，即一周为360度，需要200步进数才能完成1转.3步进马达具有瞬间起动与急速停止的优越特性.4改变线圈励磁的顺序,可以比较容易地改变马达的转动方向.步进马达的励磁方式有：(1)l相励磁(2)2相励磁(3)l2相励磁.其中1相励磁最为简单，转矩最小；2相励磁可有较大的转矩；12相励磁是属于半步进的方式，亦即每一步的旋转角度为前两项励磁的一半下表是三种励磁方式步进马达的共同点接电源的情况下，逆转的励磁方式。(但如果共同点接地时，下表为正转的3种励磁方式)参考下表三种励磁方式.三种励磁方式1相励磁2相励磁1-2相励磁STEPAB/A/B1100020100300104000151000601007001080001STEPAB/A/B1110020110300114100151100601107001181001STEPAB/A/B1100021100301004011050010600117000181001步进电机的基本工作原理上传：未知 来源：未知 步进电机有两种基本的形式：可变磁阻型和混和型。步进电机的基本工作原理，结合图1的结构示意图进行叙述。图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1中的(b)，转子向反时针转过15。若是D相被激励，如图1中的(c)，则转子为顺时针转过15。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：ABCD或ADCB。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：L360 PN式中：L为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15，表示电机转一圈需要24步。混和步进电机的工作原理在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般来说，这类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图2a所示。或者接成两个三端形式，如图2b所示。每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固定的。表1列出了全部步进开关的逻辑时序。 值得注意的是，电机步进为1234的顺序。在同一时间，有两相被激励。但是1相和2相，3相和4相绝对不能同时激励。四相混和型步进电机，有一特点很有用处。它可以用半步方式驱动。就是说，在某一时间，步进角仅前进一半。用单个混合或用双向开关即可实现，这种逻辑时序由表2列出。四相混和型步进电机，也能工作于比额定电压高的情况。这可以用串联电阻进行降压。因为1相和2相，3相和4相是不会同时工作的，所以每对仅一个降压电阻，串接在图3中的X和Y点之间。因此额定电压为6V的步进电机，就可以工作在12V的电源下。这时需串一个6W、6的电阻。一、前言 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。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。二、感应子式步进电机工作原理（一）反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：2、旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d）成正比 S 其磁通量=Br*SBr为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=NI/RNI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。（二）感应子式步进电机1、特点： 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=. 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。2、分类 感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。3、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表示。=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=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360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，但过份采用减小气隙，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。4、步进电机动态指标及术语：1、步距角精度： 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。2、失步： 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。3、失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4、最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5、最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6、运行矩频特性： 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示：其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如下图所示：其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。7、电机的共振点： 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。8、电机正反转控制： 当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或()时为反转。三、驱动控制系统组成 使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：1、脉冲信号的产生。 脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。2、信号分配 我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。3、功率放大 功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因