伺服系统 第2版 教学课件 ppt 作者 钱平第3章 步进电动机的控制

步进电动机的控制伺服系统第3章编写人：葛翔上海应用技术学院内容提要第一节步进电动机的工作原理及驱动方法

第二节步进电动机的开、闭环控制

第三节步进电动机的最佳点-位控制

第四节步进电动机控制的程序设计引言步进电动机主要用于开环控制系统，也可以用于闭环控制系统。步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一，由于它可以直接接受计算机输出的数字信号，而不需要进行数/模转换，所以步进电动机广泛应用于数字控制系统中。步进电机角位移与控制脉冲间精确同步，若将角位移的改变转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。例如，在机械结构中，可以用丝杠把角度变成直线位移，也可以用它带动螺旋定位器，调节电压和电流，实现对执行机构的控制引言步进电动机具有快速启停、精确步进以及能直接接收数字量的特点，使其在定位场合中得到了广泛的应用。如在绘图机、打印机及光学仪器中，采用步进电动机来定位绘图笔、印字头或光学镜头。特别在工业过程控制的位置控制系统中应用越来越广泛。本章介绍步进电动机结构与工作原理、步进电动机的开环控制、步进电动机的最佳点、位控制及目前使用较广的微机控制与程序的设计方法。第3章第一节步进电动机的工作原理及驱动方法

第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法步进电动机或称脉冲电动机，是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。步进电机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。步进电动机的运动状态是步进形式的，故称为“步进电动机”。从步进电机定子绕组所加的电源形式来看，与一般交流和直流电动机也有区别，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机或电脉冲马达。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法步进电动机有如下特点：1.电机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。当它转一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。2.由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3.步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。4.步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。5.步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。控制输入脉冲数量、频率及电机各相绕组的通电顺序，可得到各种需要的运行特性。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法一、步进电动机的种类1.按运动方式来分。分为旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动式步进电机。2.按工作原理来分。分为反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式、永磁感应子式（混合式）步进电机。3.按其工作方式来分。分为功率式和伺服式。前者输出转矩较大，能直接带动较大的负载；后者输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。4.按结构来分。分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。5.按相数来分。分为三相、四相、五相、六相等。6.按使用频率来分。分为高频步进电机和低频步进电机。不同类型步进电机其工作原理、驱动装置也不完全一样，但其工作过程基本是相同的。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法二、步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理是基于电磁感应原理。步进电动机和一般旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，输入电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁；转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构，转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进电动机，用永久磁铁做转子的称为“永磁式”步进电动机。目前以反应式步进电动机用得较多。下面以三相反应式步进电机为例，来说明反应式步进电机的工作原理。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法（一）反应式步进电机的结构图3-1所示是单段式三相反应式步进电机的结构原理图。反应式步进电机的另一种结构是多段式（轴相分相式），图3-2就是三相轴向分相式反应式步进电机的结构原理图。（二）反应式步进电机的工作原理

分析反应式步进电机的工作原理，要抓住两点：磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩；各相定子齿之间彼此错开1/m齿距，m为相数，举例中m=3。图3-3所示为一台三相反应式的工作原理图。

第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法图3-1单段式反应式步进电动机结构原理图图3-2三段式三相反应式步进电动机结构原理图第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法图3-3三相反应式步进电动机的工作原理图第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法它的定子有六个极，构成“三相”。转子是四个均匀分布的齿，上面没有绕组。步进电动机的工作原理近似于电磁铁的工作原理。当A相绕组通电时，B相C相都不通电。磁通总是要沿着磁阻最小的路径通过的特点，将使转子齿1、3的轴线向定子A极的轴线对齐，即在电磁吸力作用下，将转子1、3齿吸引到A极下。此时，因转子只受到径相力而无切向力，故转矩为零，转子被自锁在这个位置，如图3-3a所示。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法A相断电，B相控制绕组通电时，则转子将在空间转过30º角，使转子齿2、4与B相（定子）齿对齐，如图3-3b所示。再使B相断电，C相通电，转子又将在空间转过30º角，使转子齿1、3与C相定子齿对齐，如图3-3c所示。可见通电顺序为A—B—C—A时，电动机的转子便一步一步按逆时针方向转动。每步转过的角度均为30º，步进电动机每步转过的角度称为步距角。电流换接三次，磁场旋转一周。图中转子有4个齿时齿距角为90º。若按A—C—B—A的顺序通电，则电动机就反相转动。因此改变通电顺序，可改变电动机旋转方向。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法1．通电方式从一相通电改换成另一相通电，即通电方式改变一次叫“一拍”。步进电动机有单相轮流通电、双相轮流通电和单双相轮流通电的方式。“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电；“双”就是指每次有两相绕组通电。现以三相步进电动机为例说明步进电动机的通电方式。（1）三相单三拍通电方式其通电顺序为A—B—C—A。“三相”即是三相步进电动机，每次只有一相绕组通电，而每一个循环只有三次通电，故称为三相单三拍运行。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳定性较差。另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始通电，容易造成失步，因而实际上很少采用这种通电方式。（2）双三拍通电方式其通电顺序为AB—BC—CA—AB。这种通电方式由两相同时通电，转子受到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高。另外，转换时始终有一相的控制绕组通电，所以工作稳定，不易失步。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法（3）三相六拍通电方式其通电顺序为A—AB—B—BC—C—CA—A。这种通电方式是单、双相轮流通电。它具有双三拍的特点，且通电状态增加一倍，而使步距角减少一半。三相六拍步距角为15º。这种反应式步进电动机的步距角较大，不适合一般用途的要求。实际的步进电动机是一种小步距的步进电动机。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法2．小步距角步进电动机图3-1所示的为三相反应式步进电动机。设m为相数，z为转子的齿数则齿距：

tb=因为每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。故步距角：第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法若步进电动机的转子齿数z=40，按三相单三拍运行时，K=1，m=3：若按五相十拍运行时，则K=2，m=5，z=40：可见，步进电动机的相数和转子齿数越多，步距角就越小，控制越精确。故步进电动机可以做成三相，也可以做成二相、四相、五相、六相或更多相数。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法若步进电动机通电的脉冲频率为ƒ(脉冲数/秒)步距角用弧度表示，则步进电动机的转速：由上式可知，步进电动机在一定脉冲频率下，电动机的相数和转子齿数越多，转速就越低。而且相数越多，驱动电源也越复杂，成本也就越高。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法步进电动机应用在机床上一般是通过减速器和丝杆螺母副带动工作台移动。所以，步距角θ对应工作台的移动量便是工作台的最小运动单位，也称脉冲当量δ（mm/脉冲）：式中：t：丝杆导程（mm）θb：步距角（º）i：减速装置传动比。工作台的进给速度v(mm/min)：v=60δƒ第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法反应式步进电动机具有控制方便、步距小、价格低廉的优点；具有带负载能力差、高速时易失步、断电后无定位转矩的缺点。例３-１一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉冲频率为600HZ，求：⑴写出一个循环的通电程序。⑵步进电动机步距角。⑶步进电动机转速。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法解⑴脉冲分配方式有两种：⑵根据，其中K=2,m=3,Z=40.

θb=360°/(40×2×3)=1.5°⑶根据n=,其中ƒ=600HZn=(60×600)/(2×3×40)=150r/minA—AB—B—BC—C—CA或A—AC—C—CB—B—BA第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法3．步进电动机的主要技术指标与运行特性（1）主要技术指标与运行特性1）步距角和静态步距误差步距角也称为步距。它的大小由式（3-2）决定。目前我国步进电动机的步距角为0.36º至90º。常用的为7.5º/15º、3º/6º、1.5º/3º、0.9º/1.8º、0.75º/1.5º、0.6º/1.2º、0.36º/0.72º等几种。不同的应用场合，对步距角大小的要求不同。它的大小直接影响步进电动机的启动和运行频率，因此在选择步进电动机的步距角时，若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角应满足:θb≤iαmin

第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法从理论上讲，每一个脉冲信号应使电动机转子转过相同的步距角。但实际上，由于定、转子的齿距分布不均匀，定、转子之间的气隙不均匀或铁心分段时的错位误差等，实际步距角与理论步距角之间会存在偏差，这个偏差称为静态步距角误差。累积误差是指在一圈范围内，从任意位置开始，经任意步后转子角位移误差的最大值。在多数情况下，采用累积误差来衡量精度。步距精度Δθb应满足:

Δθb=i（ΔθL）第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法2）最大静转矩步进电动机的静特性，是指步进电动机在稳定状态（即步进电动机处于通电状态不变，转子保持不动的定位状态）时的特性，包括静转矩、矩角特性及静态稳定区。静转矩是指步进电动机处于稳定状态下的电磁转矩。它是绕组内电流和失调角的函数。在稳定状态下，如果在转子轴上加一负载转矩使转子转过一个角度θ，并能稳定下来，这时转子受到的电磁转矩与负载转矩相等，该电磁转矩即为静转矩，而角度θ即为失调角。对应于某个失调角时，静转矩最大，称为最大静转矩Tjmax。可从矩角特性上反映Tjmax，如图3-4所示，当失调角θ=90º时，将有最大静转矩。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法

T

-180°180°

θ

静稳定区Tjmax0图3-4步进电动机的矩角特性第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法从矩角特性可知，当失调角θ在-π到+π的范围内，若去掉负载，转子仍能回到初始稳定平衡位置。区域-π＜θ＜π称为步进电动机的静态稳定区。但是，失调角θ超出这个范围，转子则不可能自动回到初始零位。当θ=±π，±3π，…时，虽然此处的转矩为零，可是这些点称为不稳定点。多相通电时的矩角特性和最大静态转矩，按照叠加原理，根据各相通电时的矩角特性叠加起来求出。例如三相步进电动机常用单—双相通电的方式。当两相通电时，由于正弦量可以用相量相加的方法求和，因此两相通电时的最大静态转矩可用相量图求取。用相量TA和TB分别表示A相和B相单独通电时的最大静态转矩，两相通电时的最大静态转矩TAB为：第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法从上式可知，对于三相步进电动机，TAB=TA=TB，即两相通电时的最大静态转矩值与单相通电时的最大静态转矩值相等。此时三相步进电动机不能靠提高通电相数来提高转矩。当三相通电时的最大静态转矩:由于采用了二-三相通电方式，最大静态转矩提高了，而且矩角特性形状相同，对步进电动机运行稳定性有利。T0图3-5矩频特性

ƒ/Hz第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法

3）矩频特性当步进电动机的控制绕组的电脉冲时间间隔大于电机机电过渡过程所需的时间时，步进电动机进入连续运行壮态，这时电动机产生的转矩称为动态转矩。步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系，即Tdm=F(ƒ)，称为矩频特性，如图3-5所示。由图可知，步进电动机的动态转矩随着脉冲频率的升高而降低。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法步进电动机的控制绕组是一个电阻电感元件，其电流按指数函数增长。当电脉冲频率低时，电流可以达到稳定值，如图3-6a所示。随着频率升高，达到稳定值的时间缩短，如图3-6b所示。当频率高到一定值时，电流就达不到稳定值，如图3-6c所示，故电动机的最大动态转矩小于最大静转矩，而且脉冲频率越高，动态转矩也就越小。对于某一频率。只有当负载转矩小于它在该频率时的最大动态转矩，电动机才能正常运转。（a）(b)(c)图3-6不同频率时的控制绕组中电流波形第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法为了提高步进电动机的矩频特性，必须设法减小控制绕组的电气时间常数（τ=L/R），为此要尽量减小它的电感，使控制绕组匝数减少，所以步进电动机控制绕组的电流一般都比较大。有时也在控制绕组回路中串接一个较大的附加电阻，以降低回路电气时间常数，但这样就增加了在附加电阻上功率损耗，导致步进电动机及系统效率降低。可以采用双电源供电，即在控制绕组电流的上升阶段由高压电源供电，以缩短达到稳定值的时间，然后再改为低压电源供电以维持其电流值，这样可大大提高步进电动机的矩频特性。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法4）启动频率和连续运行频率步进电动机的工作频率一般包括启动频率、制动频率和连续运行频率。对同样的负载转矩来说，正、反向的启动频率和制动频率是一样的，所以一般技术数据中只给出启动频率和连续运行频率。所谓失步包括丢步和越步。丢步时指转子前进的步距数小于脉冲数；越步是指转子前进的步距数多于脉冲数。丢步严重时，转子将停留在一个位置上或围绕一个位置振动。步进电动机的启动频率ƒst是指在一定负载转矩下能够不失步地启动的最高脉冲频率。ƒst的大小与驱动电路和负载大小有关。步距角θb越小。负载（包括负载转矩与转动惯量）越小。则启动频率越高。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法步进电动机的连续运行频率ƒc是指步进电动机启动后，当控制脉冲频率连续上升时，能不失步运行的最高频率。它的值也与负载有关。步进电动机的运行频率比启动频率高得多，这是因为在启动时除了要克服负载转矩外，还要克服轴上的惯性转矩。启动时转子的角加速度大，它的负担要比连续运转时为重。若启动时脉冲频率过高，电动机就可能发生丢步或振荡。所以启动时，脉冲频率不宜过高。启动以后，再逐渐升高脉冲频率，由于这时的角加速度较小，就能随之正常升速。这种情况下，电动机的运行频率就远大于启动频率。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法5）步进电动机技术指标实例步进电动机的型号表示方法举例如下（不同生产厂家其表示方法也有所不同）反应式步进电动机：（如150BF003）混合式步进电动机：（如42BYG008）永磁式步进电动机：励磁绕组相数或代号永磁式步进电动机×××

BY

×××电动机外径（mm）励磁绕组相数或代号混合式（永磁感应式）步进电动机×××

BFG

×××电动机外径（mm）励磁绕组相数或代号反应式步进电动机×××

BF

×××电动机外径（mm）第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法（2）步进电动机的振荡、失步及解决方法步进电动机的振荡和失步是一种普遍存在的现象，它影响系统的正常运行，因此要尽力避免。下面对振荡和失步的原因进行分析，并给出解决方法。（a）振荡步进电动机的振荡现象主要发生于：步进电动机工作在低频区；步进电动机工作在共振区；步进电机突然停车时。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法当步进电机工作在低频区时，由于励磁脉冲间隔的时间较长，步进电机表现为单步运行。当励磁开始时，转子在电磁力的作用下加速转动。在到达平衡点时，电磁驱动转矩为零，但转子的转速最大，由于惯性，转子冲过平衡点。这时电磁力产生负转矩，转子在负转矩的作用下，转速逐渐为零，并开始反向转动。当转子反转过平衡点后，电磁力又产生正转矩，迫使转子又正向转动，形成转子围绕平衡点的振荡。由于有机械摩擦和电磁阻尼的作用，这个振荡表现为衰减振荡，最终稳定在平衡点。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法当步进电机工作在共振区时，步进电机的脉冲频率接近步进电机的振荡频率ƒ或振荡频率的分频或倍频，这会使振荡加剧，严重时造成失步。步进电动机的振荡频率ƒ可由下式求出：振荡失步的过程可描述如下：在第一个脉冲到来后，转子经历了一次振荡。当转子回摆到最大幅值时，恰好第二个脉冲到来，转子受到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆。接着第三个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点。这样，转子经过三个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了三步。

第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法当步进电机工作在高频区时，由于换相周期短，转子来不及反冲。同时绕组中的电流尚未上升到稳定值，转子没有获得足够的能量，所以在这个工作区中不会产生振荡。减小步距角可以减小振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。（b）失步步进电动机的失步原因有两种。第一种是转子的转速慢于旋转磁场的速度，或者说慢于换相速度。例如，步进电动机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此步进电动机有一个启动频率，超过启动频率启动时，肯定会产生失步。注意，启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、减小电动机转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率。第二种是转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和突然换相时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法（c）阻尼方法消除振荡是通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼法和电子阻尼法两大类。机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器；电子阻尼法有多种，主要有：多相励磁法、变频变压法、细分步法、反相阻尼法等。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法三、步进电动机的驱动方法步进电动机的运行特性，不仅与步进电动机本身的特性和负载有关，而且与配套使用的驱动电源（即驱动电路）有着十分密切的关系。选择性能优良的驱动电源对于充分发挥步进电机的性能是十分重要的。步进电动机的驱动方法是与驱动电源有关的。驱动电源按供电方式分类，有单电压供电、双电压供电、调频调压供电；按功率驱动部分所用元件分类，有大功率晶体管驱动、快速晶闸管驱动、可关断晶闸管驱动、混合驱动。图3-7为步进电动机驱动系统原理图。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法步进电机的控制方法可归纳为两点：第一，按预定的工作方式分配各个绕组的通电脉冲；第二，控制步进电机的速度，使它始终遵循加速—匀速—减速的运动规律工作。控制绕组是按一定的通电方式工作的，为了实现这种轮流通电，必须依靠环形分配器将控制脉冲按规定的通电方式分配到各相控制绕组上。环形分配可以用硬件电路来实现，也可以由微机通过软件进行。经分配器输出的脉冲，未经放大时，其驱动功率很小，而步进电动机绕组需要相当大的功率，即需要较大的电流才能工作。所以由分配器输出的脉冲还需进行功率放大才能驱动步进电动机。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法四、步进电动机驱动电源设计驱动电源主要包括脉冲发生器（变频信号源）、环形分配器（又称脉冲分配器）和功率放大器几个基本部分。变频信号源是一个频率可从几十Hz到几十kHz连续变化的脉冲发生器。经济型数控系统中，脉冲的产生和分配均由微机来完成。下面主要介绍环形分配器和功率放大器。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法（一）环形分配器步进电动机的每相绕组不是恒定的通电，而是按照一定的规律轮流通电，环形分配器的作用是将控制脉冲按规定方式分配到各相绕组上。环形分配器是根据步进电动机的相数和要求通电的方式来设计的。环形分配器有硬件环形分配器、软件环形分配器。1。硬件环形分配器。硬件环形分配器由门电路、触发器等基本逻辑功能元件组成，按一定的顺序导通和截止功率放大器，使相应的绕组通电或断电。硬件环形分配器可分为分立元件的、集成触发器的、单块MOS集成块的和可编程门阵列芯片等。集成元器件的使用，使环形分配器的体积大大缩小，可靠性和抗干扰能力提高，并具有较好的响应速度。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法（1）触发器型环形分配器环形分配器种类很多，可以由D触发器或J-K触发器所组成。图3-8是一个由3只J-K触发器及12个与非门组成的三相六拍的环形分配器。图3-8三相六拍环形分配器第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法（2）环形分配器集成芯片目前市场上有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成脉冲分配器供选择。按其电路结构不同可分为TTL集成电路和CMOS集成电路。如国产TTL脉冲分配器有三相（YBO13）、四相（YBO14）、五相（YBO15）和六相（YBO16），均为18个管脚的直插式封装。CMOS集成脉冲分配器也有不同型号。如CH250型是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器。封装形式为16脚直插式。图3-9所示为三相六拍工作时的接线图。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法（3）EPROM可编程式步进电动机按类型、相数等划分，种类繁多，相应的就有不同的环形分配器，可见所需的环型分配器的品种很多。用EPROM设计的环形分配器，用一种线路可实现多种通电方式的分配，硬件电路不变动，只需改变软件内存储器的地址。图3-10为含有EPROM的环形分配器。根据驱动要求，求出环形分配器的输出状态表，以二进制码的形式依次存入EPROM中，在线路中只要依照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，即可实现正、反向通电的顺序。对不同通电方式，状态表也不同，可将存储器地址划分为若干区域，每个区域储存一个状态表，运行时，用EPROM的高位地址线选通这些不同区域，这样，用同样的计数器输出就可以运行不同的通电状态。目前市场上出售的环形分配器的种类很多，功能也十分齐全，有的还具有其它许多功能，如斩波控制等，用于两相步进电动机两相控制的L297（L297A）、PMM8713和用于五相步进电动机的PMM8714等。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法图3-9CH250三相六拍接线图可逆计数器EPROM状态输出CP脉冲方向电平清零方式零位输出图3-10含有EPROM的环形分配器第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法这里介绍一种8713集成电路芯片。8713有几种型号，如三洋公司的PMM8713，富士通公司的MB8713，国产的5G8713等，他们的功能一样，可以互换。8713是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电机，可以选择以下不同的工作方式。三相步进电动机：单三拍、双三拍、六拍；四相步进电动机：单四拍、双四拍、八拍。8713可以选择单时钟输入或双时钟输入；具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监视等功能；所有输入端内部都设有斯密特整形电路，提高抗干扰能力，使用4~18V直流电源，输出电流为20mA。8713有16个引脚。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法8713脉冲分配器与单片机的接口例子如图3-11所示。本例选用单时钟输入方式。8713的3脚为步进脉冲输入端，4脚为转向控制端，这两个引脚的输入均由单片机提供和控制。选用对四相步进电动机进行八拍方式控制，所以5、6、7均接高电平。转向控制5V。步进脉冲

133

124

87131110567

图3-118713脉冲分配器与单片机接口A相驱动B向驱动C相驱动D向驱动

P1.0P1.18051系列单片机第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法由于采用了脉冲分配器，单片机只需提供不进脉冲，进行速度控制和转向控制，脉冲分配的工作交给脉冲分配器来自动完成。因此，CPU的负担减轻许多。1.软件环形分配器。是完全用软件的方式进行脉冲分配，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲。采用不同的计算机及接口器件有不同的形式。图3-12是控制五相步进电动机的硬件接口例子。利用8051系列单片机的P1.0~P1.4这5条I/O线，向五相步进电动机传送控制信号。

P1.0

P1.18051

P1.2系列

P1.3单片机

P1.4A相驱动

B相驱动

C相驱动

D相驱动

E相驱动

图3-12用软件实现脉冲分配的接口示意图第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法下面以五相步进电动机工作在十拍方式为例，说明如何设计软件。五相十拍工作方式的正序为：AB—ABC—BC—BCD—CD—CDE—DE—DEA—EA—EAB，共有10个通电状态。如果P1口输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，则可用10个控制字来对应这10个通电状态。这10个控制字如表3-3所列。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1口，每送一个控制字，就完成一拍，步进电动机转过一个步距角。程序就是根据这个原理设计的。用R0作为状态计数器，来指示第几拍，按正转时加1，反转时减1的操作规律，则正转程序为：CW：INCR0；正转加1CJNER0，#0AH，ZZ；如果计数器等于10修正为0MOVR0，#00HZZ：MOVA，R0；计数器值送AMOVDPTR，#ABC；指向数据存放首地址

MOVDPTR，#ABC；指向数据存放首地址

MOVCA，@A+DPTR；取控制字

MOVP1，A；送控制字到P1口第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法

RETABC：DB0FCH，0F8H，0F9H，0F1H，0F3H；10个控制字

DB0E3H，0E7H，0E6H，0EEH，0ECH反转程序为：

CCW：DECR0；反转减1(反序)CJNER0，#0FFH，FZ；如果计数器等于FFH修正为9MOVR0，#09HFZ：MOVA，R0MOVDPTR，#ABC；指向数据存放首地址

MOVCA，A+DPTR；取控制字

MOVP1，A；送P1口

RET软件法在电动机运行中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPU时间，可能使单片机无法同时进行其他工作（如监测等），所以，人们更喜欢用硬件法。或软硬件相结合。

第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法（二）功率放大器功率放大器的输出直接驱动电动机的控制绕组，因此功率放大电路的性能对步进电动机的运行状态有很大影响。对驱动电路要求的核心问题是如何提高电动机的快速性和平稳性。目前国内步进电动机的驱动电路主要有以下几种。1．单电压恒流功放电路。图3-13所示的是步进电动机单相的功放电路。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法2．高低压（双电压）功率放大电路。图3-14所示是步进电动机单相的双电压功放电路。这种线路的特点是：绕组通电开始时接通高压以保证电机绕组中有较大的冲击电流流过。然后再截断高压，由低压维持绕组中的电流，以保证电机绕组中的稳定电流等于额定值。高压U1大约为80～150V，低压U2大约为5～20V左右。3．调频调压功放电路前面介绍的双电压功放和斩波功放电路，都能使流入电动机的电流有较好的上升沿和幅值，提高了电动机的高频工作能力。但在低频时，则低频振荡较高。采用调频调压的控制方法，即低频时工作在低压状态，减少能量的流入，从而抑制了振荡；在高频时工作在高频状态，电动机将有足够的驱动能力。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法调频调压的控制方式很多，简单的方式是分频段调压。一般把步进电机的工作频率分成几段，每段的工作电压不同，即调频调压方法。在理想条件下，保持步进电动机力矩不变，则电源电压应随工作频率的升高而升高，随工作频率的下降而下降。图3-15为调频调压功放电路，整个电路分成三部分：开关调压、调频调压控制和功率放大。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法图3-13单电压功率放大电路图3-14高低压驱动原理图图3-15调频调压功放电路第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法五、步进电动机与微机的接口技术由于步进电动机的驱动电流比较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口电路及驱动电路。接口电路可以用缓冲器和锁存器组成，也可以选用LSI并行I/O接口芯片，如8255、8155等。其中A口接步进电机驱动器，向步进电机提供各相的励磁电流；B口用来检测步进电机的类型及工作方式选择，开关的状态可根据需要来设置。如图3-16所示。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法

CBCPU

B

口步进电机接口电路

A

口步进电机驱动器步进电机步进电机类型及工作方式选择图3-16步进电机接口框图DBAB第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。为了抗干扰，或避免一旦驱动电路发生故障，造成功率放大器中的高电平信号进入微型机而烧坏器件，在驱动器与微型机之间加一级光电隔离器，其原理接口电路如图3-17、图3-18所示。现在，已经生产出许多专门用于步进电机的接口器件，用户可根据需要选用。第一节

步进电动机的工作原理及驱动方法

图3-17步进电机与微机接口电路之一

图3-18步进电机与微机接口电路之二第3章第二节步进电动机的开、闭环控制第二节

步进电动机的开、闭环控制一、步进电动机的开环控制步进电动机开环系统结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低。适用于经济型数控机床和现有机床的数控化改造，且在中、小型机床和速度、精度要求不是很高的场合得到了广泛的应用。步进电机开环控制系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。步进控制器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。典型步进电机控制系统如图3-19所示。这种控制方式中，由于步进控制器线路复杂、成本高，因而限制了它的使用。第二节

步进电动机的开、闭环控制随着电子技术的发展，除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软件实现。采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器，不仅简化了线路，降低了成本而且可靠性也大为提高，根据系统的需要可灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。典型的微型机控制步进电机系统原理图如图3-20所示。每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲，它便沿着转向控制线信号所确定的方向走一步。只要负载是在步进电机允许的范围之内，那么，每个脉冲将使电动机转动一个固定的角度，根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可预知步进电机的最终位置。使用微型机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。第二节

步进电动机的开、闭环控制步进控制器功率放大器步进电机负载图3-19步进电机控制系统的组成方向控制脉冲接口微型机驱动器步进电机

负载图3-20用微型机控制步进电机原理系统图第二节

步进电动机的开、闭环控制（一）串行控制具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间，具有较少的连线将信号送入步进电动机驱动电源的环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器。这种控制方式的示意图如图3-21所示。（二）并行控制用微型计算机系统的数个端口直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。系统实现脉冲分配功能的方法有两种：一种是纯软件方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号；另一种是软、硬件相结合的方法，有专门设计的一种编程器接口，计算机向接口输入简单形式的代码数据，而接口输出的是步进电动机各相导通或截止的信号。并行控制方案的示意图如图3-22所示。第二节

步进电动机的开、闭环控制CP脉冲方式信号方向信号

P1.0

8031

P1.1

P1.2环行分配器功率放大器步进电动机图3-21串行控制示意图

P1.1

P1.28031P1.3

P1.4P1.5A相B相C相驱动器D相E相12345图3-22并行控制示意图第二节

步进电动机的开、闭环控制（三）步进电动机的开环变速控制步进电动机的速度控制是通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出步进脉冲的频率或者换相的周期。若是软脉冲分配方式，可以采用调整两个步进控制字之间的时间间隔来实现调速，若是硬脉冲分配方式，可以控制步进脉冲的频率来实现调速。系统可用两种方法来确定步进脉冲的周期：一种是软件延时；软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法来实现的，它占用大量CPU时间，因此没有实用价值。另一种是通过定时器中断的方法。定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现的。当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变P1.0电平状态的操作，改变定时常数，就可改变方波的频率，得到一个给定频率的方波输出，从而实现调速。第二节

步进电动机的开、闭环控制二、步进电动机的闭环控制：在开环控制的步进电动机系统中，其输入的脉冲不依赖转子的位置，而是事先按一定规律安排的。电动机的输出转矩在很大程度上取决于驱动电源和控制方式。对于不同的步进电动机或同一种步进电动机而不同的负载，励磁电流和失调角发生改变，输出转矩就会随之发生改变，很难找到通用的控速规律，因此也难以提高步进电动机的技术性能指标。闭环系统是直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当处理自动给出驱动脉冲串。因此采用闭环控制可以获得更加精确的位置控制和高得多，平稳得多的转速，从而提高步进电动机的性能指标。可以在步进电机的许多其他领域获得更大的通用性。第二节

步进电动机的开、闭环控制步进电动机的闭环控制有不同的方案，主要有核步法，延迟时间法，用位置传感器的闭环系统等，采用光电脉冲编码器作为位置检测元件的闭环控制原理框图如图3-23所示。其中编码器的辨力必须与步进电动机的步矩角相匹配。步进电动机由微机发出一个初始脉冲起动，后续控制脉冲由编码器产生。编码器直接反映切换角这一参数。微机接口功率驱动器步进电动机光电脉冲编码器接口图3-23步进电动机闭环控制原理框图第二节

步进电动机的开、闭环控制编辑器相对于电动机的位置是固定的，因此发出的相切换信号是一定的具有一种固定的切换角。改变切换角（采用时间延时方法可获得不同切换角），可使电动机产生不同的平均转速。在闭环系统中，为了扩大切换角的范围，有时还要插入或删去切换脉冲。通常加速时要插入脉冲，而在减速时要删除脉冲，从而实现电动机的迅速加减速控制。在固定切换角的情况下，增加负载，电动机转速将下降。要实现匀速控制，可用编码器测出电动机的实际转速（编码器两次发生脉冲信号的时间间隔），以此作为反馈信号不断地调节切换角，补偿由负载变化所引起的转速变化。第3章第三节步进电动机的最佳点—位控制第三节

步进电动机的最佳点—位控制一、步进电动机的最佳点-位控制

对于点、位控制系统，从起点至终点的运行速度都有一定要求。如果要求运行频率（速度）小于系统的极限起动频率，则系统可以按要求的频率（速度）直接起动，运行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。系统在这样的运行方式下其速度可认为是恒定的。但在一般情况下，系统的极限起动频率是比较低的，而要求的运行速度往往较高。如果系统以要求的速度直接起动，因为该频率已超过极限起动频率而不能正常起动，可能发生丢步或根本不能起动的情况。减速图3-24点、位控制中的加减速控制（时间）t终点低速恒速升速起点ƒ第三节

步进电动机的最佳点—位控制系统运行起来之后，如果到达终点时突然停发脉冲串，令其立即停止，则因为系统的惯性原因，会发生冲过终点的现象，使点—位控制精度发生偏差。因此在点—位控制过程中，运行速度都需要有一个加速—恒速—减速—（低恒速）—停止的过程，如图3-24所示。系统在工作过程中要求加减速过程时间尽量短，而恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点至终点运行的时间要求最短，这就必须要求升速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。升速规律一般可有两种选择：一是按直线规律升速，二是按指数规律升速。按直线规律升速时加速度为恒值，因此要求步进电动机产生的转矩为恒值。第三节

步进电动机的最佳点—位控制用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出步进脉冲的时间间隔。升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。微机用定时器中断的方式来控制电动机变速时，实际上就是不断改变定时器装载值的大小。一般用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的EPROM中，系统运行中用查表方法查出所需的装载值，从而大大减少占用CPU时间，提高系统响应速度。系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数据：①加减速的斜率；②升速过程的总步数；③恒速运行总步数；④减速运行总步数。第三节

步进电动机的最佳点—位控制要想使步进电机按一定的速率精确地到达指定的位置（角度或线位移），步进电机的步数N和延时时间t是两个重要的参数。前者用来控制步进电机的精度，后者用来控制步进电机的速率。如何确定这两个参数是步进电机控制程序设计中十分重要的问题。（一）步进电机步数的确定

步进电机常用来控制角度和位移。改变步进电机的控制方式，可以提高精度，但在同样的脉冲周期下，步进电机的速率将减慢。同理，可求出任意位移量与步数之间的关系。第三节

步进电动机的最佳点—位控制（二）步进电机控制速率的确定步进电机的步数是精确定位的重要参数之一。在某些场合，不但要求能精确定位，而且还要求在一定的时间内到达预定的位置，这就要求控制步进电机的速率。步进电机速率控制的方法就是改变每个脉冲的时间间隔，亦即改变速度控制程序中的延时时间。例如，若步进电机转动10圈需要2000毫秒，则每转动一圈需要的时间为t=2000ms/10=200ms，每步进一步需要的时间为第三节

步进电动机的最佳点—位控制所以，只要在输出一个脉冲后，延时833，即可达到上述之目的。（三）步进电机的变速控制

前面两种计算中，在整个控制过程中，步进电机是以恒定的转速进行工作的。然而，对于大多数任务而言，希望能尽快地达到控制终点，即要求步进电机的速率尽可能快一些。但如果速度太快，则可能产生失步。此外，一般步进电机对空载最高启动频率有所限制。所谓空载最高启动频率是指电动机空载时，转子从静止状态不失步的启动的最大控制脉冲频率。当步进电机带有负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电机矩频特性可知，启动频率越高启动转矩越小。变速控制的基本思想是：启动时，以低于响应频率的速度慢慢加速，到一定速率后恒速运行，快要到达终点时慢慢减速，以低于响应速率的速度运行，直到走完规定的步数后停机。这样，步进电机便可以最快的速度走完所规定的步数，而又不出现失步。变速控制过程如图3-24所示，变速控制的方