步进电机原理及简易驱动电路的制作

1、作 者谢 彪步进电机原理及简易驱动电路的制作步进电机是机电一体化的关键部件之一，是一种高精度的执行元件，它能将脉冲信号转变成角位 移，即给一个脉冲，步进电机就转过一个角度，因 此控制精度高，广泛地应用于各种自动化控制系统 和机器人领域中，目前步进电机的控制器主要是通 过单片机及专用集成芯片构成的，这样成本高、结 构复杂、开发周期长。广大的电子爱好者，尤其是 一些初学者很难具备相应的条件，为此笔者设计并 制作了一款成本低廉、性能稳定、控制简单、制作 方便的步进电机控制器，供大家参考。一、步进电机工作原理目前比较常用的步进电机主要有反应式（VR）、 永磁式（PM）、混合式（HB）三种类型，这几种电

2、 机虽然在组成结构上有所差别，但总体的工作原理 还是类似的，下面就以比较典型的反应式步进电机 为例简述其工作原理 ：1.步进电机的结构组成步进电机可以分成转子和定子两部分。以图太长，有条件的话，电烙铁最好外壳接地，焊音乐片时可先将音乐片的第一个脚进行上锡，注意不要 太多，否则无法插入线路板上的小槽，音乐片与线 路板焊接线，线路板上应全部上过锡，当插入音乐片 后，先将第一只脚与线路板进行焊接，让其定位，然 后再将最后一只脚焊上，等焊锡冷后，音乐片便牢牢 地装在线路板上了，这时再去焊另外的引脚就会方便 许多。制作完成的接收线路板与电源及喇叭的接线如 图 6 所示。图6三、系统调试1. 发射器的调试

3、 ：所有元件安装好后，将电路 板装入遥控器盒子内，注意检查微动开关是否可听到清晰的开关声。2. 如有频率计或频谱仪等仪器，可在装入发射 器电池后按动遥控器检测是否有高频无线电波发射， 如没有这些仪器，也可用收音机或接上电脑音响， 当按动遥控器时，可听到“吱、吱”声，这就表明 发射部分工作正常，一般只要元件安装正确，元件 焊接时线路板上无搭锡或虚焊，都能一次成功。3. 接收器的调试 ：全部元件安装完成后，将线 路板装入塑料外壳内，电源引线连接时一定要注意 极性不要装反。4. 装上二节 5 号电池，短接一下 VT4 发射极和集 电极，正常时可以听到音乐声，若发现不会响，应仔 细检查喇叭线是否焊牢，

4、音乐片的引脚是否有虚焊等。5. 以上几项都正常后，便可以进行发射与接收 的联调，将发射器放在接收器边上，按动遥控器， 若有声音了，再将两者的距离加大，再按，若没有 反应了，用无感螺丝刀调节接收器上的可调电感， 直到按下遥控器接收器会响，继续加大距离，用上 述方法反复调试，当距离在 20 米以上都可以可靠 进行遥控时，说明遥控门铃的调试工作完成，这样 一款即有趣又实用的无线音乐门铃便制作完成。（产品详见广告页）1 所示的三相步进电机为例，其定子上有 6 个磁 极，每 2 个相对的磁极（如 ：A-A）组成一对， 共有 3 对。每对磁极上都绕有线圈，也即形成一 相，这样 3 对磁极就有 3 个绕组，

5、形成三相，依 此类推，若为 4 相电机则就有 4 对磁极、4 相绕 组。三相步进电机定子的各相磁极在空间上互差120° /60°。 电机中转子部分也具有相应的磁极，称为转子小齿，相邻两转子小齿轴线间的间距称为齿距，用 表示。通常我们把定子小齿与转子小齿对齐的状 态称为对齿（如图 1 中转子小齿 1 与定子小齿 A 就 是对齿）；而把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称 为错齿（如图 1 中的 2 与 B、3 与 C 等即为错齿）。 错齿的存在是步进电机能够旋转的前提条件，所以， 在步进电机的结构中必须保证有错齿的存在，也就 是说，当某一相处于对齿状态时，其他相必须处于 错齿状态

6、。以图 1 所示的三相步进电机为例，其转 子小齿1与A 相对齐时，齿2与B 错开了 1/3 ， 齿3与C 错开了 2/3 。A 转子13C'142B定子3 3吸转动并与 C 相对齐，此时转子又顺时针转过 1/3 ，齿 4 与 A相差为 1/3 。A 相再次通电（图 5），齿4与 A对齐，转子 又顺时针转过 1/3 。图2 A相通电 图3 B相通电图4 C相通电 图5 A相再次通电就这 样，电机就每 步（每脉冲）顺时针方 向 旋 转 1/3 ，经过了 3 步的一个循 环，齿 1 就顺时针转过一个齿 距，如果不断地按 ABCA 的相序通电，电机就可以持2 4B'1A'2 续

7、地顺时针方向旋转下去。若要电机反转，则可3C将 A、B、C 三相的通电次序任意互换一组即可， 如通电相序变为 ：A CBA ，电机就 会按逆时针方向旋转。图1 步进电机结构简图2.步进工作过程分析步进电机的工作原理与电磁铁类似。A 相通电，B、C 相不通电时（图 2），由于磁 场力的作用，齿1与A 对齐。B 相通电，A、C 相不通电时（图 3），B 齿将 产生磁场，吸引较近的转子小齿 2，从而产生转动 力矩，齿2 将与B 对齐，此时转子顺时针转过 1/3 ， 此时齿3与C 相差 1/3 ，齿4与 A相差 2/3 。C 相通电，A、B 相不通电时（图 4），齿 3 被二、步进电机驱动控制原理步进

8、电机的驱动和控制方法与直流电机不同， 直流电机只需通入直流电源即可运转，调节电压大 小可以改变电机转速。而步进电机接收的是数字量， 转速的大小由外加的脉冲频率决定，电压的大小与 转速的快慢无关，只与电机的输出力矩有关。步进电机的驱动控制器主要由脉冲信号产生电 路、脉冲信号分配电路，功率放大电路等部分组成， 其结构如图 6 所示。驱动控制器脉信功步 冲号率进 信分放电 号配大机多谐振荡器产生，选择开关 S1 和不同振荡电容 C1/ C2 相连，可得到不同频段的脉冲信号，通过电位器 RP 可使其 3 脚输出的信号频率连续可调，该脉冲 信号加到十进制计数器 CD4017 的时钟输入 CP 端，作为步

9、进电机工作的时钟。图6 步进电机驱动器组成脉冲信号电路的主要功能是产生一定频率的控 制脉冲信号，用以控制步进电机的运行，其频率直 接决定了步进电机的旋转速度。信号分配电路是整个控制器的核心部分，由于 其提供的信号总是周期循环的，所以也称为“环形 脉冲分配电路”，它会根据不同步进电机的控制需求， 将脉冲信号按一定的逻辑关系加到功率放大器上从 而驱动步进电机的工作。例如上文所述的三相步进 电机，其通电相序为“ABCA ”，这 种按 A、B、C 各相顺次接通的过程是一种整步工作 方式，也称“三相单三拍”，其中“单”是指每步只 有一相通电，“三拍”是指一个循环需换相 3 次。尽 管这时电机也可工作，但

10、不够稳定，易产生失步现 象。通常我们更多地是采用“AB BC CA AB” 方式循环通电，此时每步有二相同时接通，也称“三 相双三拍”，这样步进电机工作会更加平稳。当 然 还 有 其 他 的 信 号 分 配 方 式， 如 在 二 相 间 插 入 一 个 中 间 相， 按 “A ABB BCC CA A”的相序运行， 即“三相六拍”，此时完成一个循环需 6 步，每次 转过的角度只是三拍时的一半，也就实现了“二细 分”。当然我们也可以通过各相绕组电流不同大小的 组合，实现更多步的细分，这就是步进电机的细分 驱动，细分的步数越多，步进电机的转动也会越平 稳。对于其他类型的步进电机，如四相电机的单四拍

11、、 双四拍、八拍等，读者也可以自己进行分析。三、电路工作原理电路原理图如图 7 所示，电路主要由脉冲信号 产生电路、脉冲信号分配电路及功率放大电路等几 部分组成。在本电路中的脉冲信号由 NE555 构成的一个电机的工作步序由 CD4017 的计数输出端提 供。由于目前市面上步进电机的种类较多，本电路 仅以较常用的“三相双三拍”控制 ( 具体步序见下 表 1) 为例进行分析，其他的控制方式读者们可以 参照本例自行分析。由于“三拍”完成一个循环需 有三个步序，故由十进制计数器 CD4017 构成一 个 3 进制的封闭小循环，分别由 Q0、Q1、Q2 输 出所需的步序 1、2、3 的信号，而将 Q3

12、 直接接到 CD4017 的复位端 R，从而构成了一个完整的环形 分配电路。“双”是在每一步序中电机要有 2 相同时 得电，经对表 1 中不同步序的真值表分析可知，“A” 相的值应在步序1和3 均为有效，此时可将 Q0 与 Q2 的输出信号经或门（74HC32）送至 A 相的控制 端 ；Q0 与 Q1 相或后送至 B 相 ；Q1 与 Q2 相或后 送至 C 相，这样就可以得到我们所需要的三相双三 拍步序控制信号。表1 三相双三拍工作方式A相 B相 C相 步序 1（Q0）步序 2（Q1）步序 3（Q2）由于经数字门电路输出的步序信号还无法直接 驱动电机工作，故还需增加一级功率放大做为整 个控制电

13、路的输出。由于通常电子小制作中使用 的步进电机功率较小，故本电路选用的是达林顿 电流驱动器 ULN2803 模块作为控制器的功率输 出电路，ULN2803 的引脚如图 8 所示，其中：1-8 脚为输入端 ；11-18 脚为输出端 ；9 脚接地 ；10 脚接电源“+”。由于 ULN2803 的扇出电流有限， 而灌电流较大，能达到 1A 左右，所以本电路使 用其灌电流工作方式，ULN2803 内 部的续流二 极管也保证了其与电机线圈连接的安全。如果需 要输出的电流能再大一些，也可以将 ULN2803 的二组并联，作为一组使用即可。电路中使用了二组电源进行供电，一组经三 端稳压集成块 LM7805

14、稳压后，输出 +5V 为控制RP100K51KC1NE555187805+1224VC2S104100ULN2803118100Q51 Q5Vc4.7uF100S2Q1Q1Q0CD4017Q0Q2Q2Q6Q6Q7Q7Q3Q38 VssRST CP INH CO Q9Q9Q4Q4Q8Q8 974HC32910GND图7 电路原理图图7 电路原理图部分提供电源 ；而步进电机各相绕组所需的电压较11821731641514137121110高，故将其直接接到另一组 1224V 的电源上，这 样可增大步进电机的输出力矩，绕组的另一端接在 ULN2803 的相应输出端。图8 ULN2803结构简图8四、

15、控制器的制作与调试该步进电机控制器的元器件均无特殊要求，按 电原理图装好电路即可调试。为防止调试过程中电 机堵转，电流增大损坏功率模块 ULN2803，可将三 只发光二极管串连好限流电阻接入 ULN2803 的相 应输出端，接通电源后发光二极管应能顺序点亮 ； 拨动挡位选择开关 S1，发光二极管点亮的频率应有 明显的变化，调节电位器 RP 发光二极管点亮的频 率应能平滑的变化，至此步进电机驱动控制器安装完成。去掉调试的发光二极管和限流电阻，将步进电 机的绕组线圈接入电路中，通电即可运转。读者 可根据实际的控制需要选择 C1、C2 的参数（通 常约为零点零几几个 F 之间），使 S1与 C1 相连时，电机转速约在 100转/ 分 以 下 ；与 C2 相连时，电机转速在 100 几百转 / 分之间。调 节电位器 RP 电机在各挡位转速应能平滑变化。 拨动选择开关 S2，可以交换二组的相序，使电机 反方向旋转。569对于其它类型的步进电机控制