步进电机28BYJ(个人总结版)

1、步进电机28BYJ-48介绍和驱动电路及程序28BYJ-5V步进电机简介步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不

2、同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）。如下图所示，定子有8个大齿，每个大齿上面有5个小齿，所以定子一共有40个小齿。但是28BYJ步进电机的定子结构不是下图中所示。图1 步进电机定子结构图1 个人理解一下为作者自己通过查找资料和实验验证得到的结论，难免有所纰漏，请见谅与指正。 by Arron Chen, in HUST, 2014/3/61.1 28BYJ-5V步进电机内部结构图图1.1 将要拆开的28BYJ-5V打开上盖后的减速齿轮

3、：图1.2 减速齿轮和前盖图1.3 定子绕组图1.4转子(左)和后盖(右)1.2 转子转动原理将电机拆开可见，定子分两层，每层绕有绕向相反的两组铜线，上面一层两根线分别对应四相中的A、C(因C相线圈与A同层反向，故又称C为)；下面一层分别对应四相中的B、D(因D相线圈与B同层反向，故又称D为)。每层线圈被上下两个铁片夹在中间，每个铁片上有均匀分布的8个垂直于铁片平面的齿，并插入线圈轴中，并且两个铁片对应的8个齿相互交错，将圆周均分为16等份，并且上下两层的16个齿也是相互交错的，于是两层所有共32个齿将圆周均分为32等份，从轴向看就是有32个均匀分布的齿，并且任意相邻的两个齿是分属于上下不同层

4、次的线圈轴中。定子绕组上的接线示意图如下图1.5：图1.5 定子绕组上的接线示意图当其中一相(比如A相)对应的线圈通电时，该层所在的两个铁片分别变为磁场的S极和N极，致使与之相连的8个齿分别为S极和N极，产生一个扭矩(其实就是一个吸引力)，将转子中最近的一个异极性齿吸引过来，致使转子转动。稳定时必有一对定、转子齿是正对的互相吸引的N-S极。下图1.7中齿1和5为上层线圈上面铁片的齿，齿2和6为下层线圈上面铁片的齿，齿3和7为上层线圈下面铁片的齿，齿4和8为下层铁片下面的齿，都只画出了8个中正对的两个。由下图1.6和图1.7大致可以知道在给定脉冲后定子齿的极性变化规律。图1.6 脉冲序列图图1.

5、7 定子齿极性变化图但需要注意的是，给任意一相送脉冲时，转子永远稳定在一个地方，不会动；给任意两相来回送脉冲都会使得转子来回转动，也就是定子的两个齿将转子来回吸引拉动，而不可能使转子往一个方向转动，也就使得电机不能正常工作比如一个脉冲给A相时，转子顺时钟转动一个齿轮，第二个脉冲给B、C、D中任意一相，转子就会逆时钟转动一个齿轮，即回到电机接收到第一个脉冲前的位置；对于只给其中任意三相供电，情况与两相供电类似，一个方向连转两次后反转一次，每给一组脉冲都是如此，电机不能正常工作。只有当给ABCD依次给四个脉冲时才能使转子一直同向转动。1.3 减速齿轮该信号步进电机内部有5个齿轮，经过了四级减速，对

6、应有4个减速齿轮，分别为转子、减速齿轮1、减速齿轮2、减速齿轮3，最后一个齿轮即外轴。四个减速齿轮都有大端和小端，大端齿数比小端齿数多，大、小端齿轮数之比分别为31:9(大端31齿这个参数还不肯定)、32:11、22:9和26:10，外轴齿轮有31个齿。若将定子也看做齿轮，则它是一个由4个大齿共32个小齿组成的齿轮。此外，由上面分析的工作原理可知，为了电机能正常转动，定子小齿数和转子小齿数不能相同，因为一旦转子处于稳定状态，那么不管以后给哪一相供电，所有齿轮受力都处于平衡状态，转子仍然会保持原来的稳定状态而不会转动。1.4 步距角通过实验证明，该配套电机的步距角度为5.625/32，意思是，按

7、照理论，每给一个脉冲，经过减速齿轮后使得外轴(也就是我们在外面看到的那个转轴)转动5.625/32度，然而，实际上当转子连续转动齿数小于3时，减速齿轮1和2都能看到明显转动，但减速齿轮3基本看不到转动，尤其是其小端，而外轴则是一点都没有转动；当转子转动4个齿时可以看到外轴有很微小的转动，也就是说该步进电机的最小转动角度实际为5.625/8度，当电机接收到32个脉冲时会转动5.625度。1.5 脉冲频率限制问题对于脉冲频率不能太高的问题，也就是电机转动速度有上限问题，个人认为是因为给过脉冲后定子齿轮的磁性需要一定时间消退，在当前定子(假设为A)的磁性消退前就给下一个定子齿轮(假设为B)送脉冲使其

8、具有与当前定子齿轮(A)相同极性的磁性，由于当前定子(A)和转子的距离最近，最稳定，下一个定子(B)与离他最近的转子齿轮不是正对的，不在一条线上，故他们之间之间的距离绝对比当前定(A)、转子齿轮的距离大，吸引力小，于是无法牵引转子转动，转子任然保持原来的稳定状态，这样一来就相当于跳过了一相(B)，再对C、D相发送脉冲时就更不能使转子转动了,于是电机就永远稳定在A相定子齿轮处。1.6 三种控制方式对于该电机有三种控制方式：单相四拍(A-B-C-D)、双相四拍(AB-BC-CD-DA)和双相八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA)。单相四拍(A-B-C-D)和双相四拍(AB-BC-CD-DA

9、)是完全等价的，一个循环使外轴5.625/8度。AB接收到脉冲时，转子稳定在A处，纵然B此时也有磁性，但按照上段的解释，此时B的磁力不足以与A抗衡，不能牵引转子转动；BC接收到脉冲时，A没有接受到脉冲，没有磁力，故此时B牵引转子转动并稳定在B处，C此时无法牵引转子转动，依此类推。双相八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA)，一个循环也是使转子转动5.625/8度，但耗费的时间是四拍的两倍，也就是速度是四拍的一半。A接收到脉冲时，牵引转子转动一个齿，稳定在A；AB时，转子仍然稳定在A；B时，转子转动5.625/32度，稳定在B；后面依此类推。但要注意的是，不是所有步进电机都同时支持这三种工

10、作方式的。1.7 单片机驱动电路及C语言程序1.7.1 单片机驱动电路红线接电源5V，橙色电线接P1.3口，黄色电线接P1.2口，粉色电线接P1.1口，蓝色接P1.0口。由于单片机接口信号不够大需要通过ULN2003放大再连接到相应的电机接口，如下：图1.8 步进电机驱动电路图举个例子，对于双相8拍正向旋转工作方式，驱动脉冲与对应的P1端口码值如下橙黄粉蓝十六制（P1口）10000x0811000x0c01000x0401100x0600100x0200110x0300010x0110010x09于是得到双相8拍正向旋转码为：0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01

11、,0x09对于反向旋转只需将正转码前后顺序颠倒即可。其余两种工作方式类推。1.7.2 C语言程序对应1.2.1节中电路的C语言程序如下：#include bit Flag;/定义正反转标志位unsigned char code FS_Rotation4=0x01,0x02,0x04,0x08; /单相四拍正转表格unsigned char code FD4_Rotation4=0x03,0x06,0x0C,0x09; /双相四拍正转表格unsigned char code FD8_Rotation8=0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09; /双相8拍正

12、转表格unsigned char code BD4_Rotation4=0x09,0x0C,0x06,0x03; /双相四拍反转表格/*/* 延时函数 */*/void Delay(unsigned int i)/延时 while(-i);/*/* 主函数 */*/main() unsigned int i,j=0,n=0; EX1=1; /外部中断0开 IT1=1; /边沿触发 EA=1; /全局中断开while(1) while(!Flag) P0=0x71;/显示 F 标示正转 for(i=0;i4;i+) /4相 P1=FD4_Rotationi%4; /输出对应的相 可以自行换成反转

13、表格 Delay(500); /改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 while(!Flag); while(Flag) P0=0x7C;/显示 b 标示反转 for(i=0;i4;i+) /4相 P1=BD4_Rotationi; /输出对应的相 Delay(500); /改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大 /*/* 中断入口函数 */*/void ISR_Key(void) interrupt 2 using 1 Delay(300); Flag=!Flag; /s3按下触发一次，标志位取反 2 网上搜索资料2.1 步进电机的主要特性(1)步距角。步进电机的步

14、距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为。步距角越小，数控机床的控制精度越高。(2)矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。(3)启动频率fq。空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。(4)连续运行的最高工作频率fmax。步进电机连

15、续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。(5)加减速特性。步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性，如图2.1所示。图2.1 步进电机的

16、升速和降速特性图2.2 步进电机小知识（转）1.什么是步进电机?步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。2.步进电机分哪几种?步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国

17、家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。3.什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）?保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。4.什

18、么是DETENT TORQUE?DETENT TORQUE 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。5.步进电机精度为多少？是否累积?一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。6.步进电机的外表温度允许达到多少?步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机

19、外表温度在摄氏80-90度完全正常。7.为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降?当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。8.为什么步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声?步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机

20、转速从低速升到高速）。9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声?步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。10.细分驱动器的细分数是否能代表精度?步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45，电机的精度能否达到或接近0.45，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大