单片机控制步进电机

河南机电高等专科学校毕业设计论文

绪 论

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，就传统的步进电机来说，步进电动机可简单的定义为，根据输入的脉冲信号每改变一次励磁状态就前进一定角度，若不改变则保持一定的位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与

控制脉冲同步的 同步电动机。

由于用可编程控制器（PLC）对步进电机进行控制价格比较贵，而单片机由于其运算速度和精度已得到广泛的应用，尤其在工业过程控制及仪表中，单片机对于步进电机的精确控制具有特别重要的意义。它具有体积小、是实现机电一体化的理想控制装置等显著优点，因此本文利用单片机来控制步进电机，介绍了控制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的

设计思路。目前它在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：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（步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制单片机的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。 步进电机最大特征即是能够简单的做到高

精度的定位控制。 单片机控制步进电机的系统构成简单，不需要速度感应器及位置传感器，就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。同时步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，

仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。

步进电机具有优越的控制特性,而单片机控制步进电机的系统也将会得到广

泛的应用。

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第1章 步进电机概述

1.1 步进电机简述

步进电机（也称脉冲电机）是一种跟踪脉冲信号来控制转角和转速、并适合微控制器控制的电机。下面我们还是主要介绍它的转动控制。

步进电机又称脉冲电机,是数字控制系统中的一种执行元件,其功能是将脉冲电信号变换成相应的角位移或者线位移.通俗来说,即给一个脉冲电信号,电机就转动一个角度或前进一步。

1.1.1 步进电机结构以及工作原理

步进电机按照其结构以及工作原理分为反应式步进电机,混合式步进电机,

永磁式步进电机和特种步进电机。 1.1.1.1 步进电机结构

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。1/3τ、2/3τ（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以,τ表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3τ，C与齿3向右错开2/3τ，A'与齿5

相对齐（A'就是A，齿5就是齿1）,下图1-1是定转子的展开图：

图1-1 定转子的展开图

1.1.1.2 步进电机工作原理

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）。

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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1/3τ，此时齿3与C偏移为1/3τ，齿4与A偏移τ-1/3τ=2/3τ。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1/3τ，此时齿4与A偏移为1/3τ

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1/3τ.

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）1/3τ,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-BC-C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3τ改变为1/6τ。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3τ变为1/12τ，1/24τ，这就是电机细分驱动的

基本理论依据。

反应式步进电机可以按照特定的指令旋转某一角度进行角度控制,也可以连续不断的转动进行控制. 角度控制时,每输入一个脉冲,定子绕组就换接一次,输出轴就转过一个角度,其步数与脉冲数一致, 输出轴转过的角位移量输入脉冲数成正比。速度控制时, 步进电机绕组中送入的是连续脉冲,各相脉冲不断的通断, 步进电机连续运转,它的转速与脉冲频率成正比.由齿矩角的计算公式360°/ZN; (N为运行拍数) 每输入一个脉冲,转子转过的角度整个圆周角的也就是转过1/ZN转。因此每分钟转子所转过的圆周数。即转速为: n=60f/ZN(转/分) f为控制脉冲

的频率,即每秒输入的脉冲数。

有上式可知, 反应式步进电机的转速取决于脉冲的频率, 转子齿数和拍数.当转子齿数一定时,转子转速与输入脉冲的频率成正比,或者说, 其转速与输入脉冲的频率同步,改变脉冲的频率可以改变转速,故可以进行无级调速,调速范围广。

另外,改变通电顺序,即改变定子磁场旋转方向,就可以控制电机正转或者反

转。步进电机的转速可用齿矩角来表示。

当脉冲频率一定时, 步矩角越小,电机转速就越低,因而输出功率也就越小,所以从提高加工精度上要求应该选用小的步矩角,但是从提高输出功率上要求时, 步矩角不能取的太小,一般步矩角根据系统中的应用情况进行选取.步进电机控制

示意图如图1-2所示

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图1--2控制步进电机示意框图

1.2 步进电机的指标

1.2.1 步进电机的术语

1. 相数

产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。

2．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AB-BC-CD-DA-AB，

四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3. 步距角 对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J为运行拍数），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1.8°（俗称整步），八拍运行时步距角为0.9°（俗称半步）。

4. 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）。

5. 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。

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