吴振宇

1. 第一章 步进电动机原理及控制 吴振宇

2. 概述－－步进电机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为了使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放大。

3. 步进电动机的优点： • 控制特性好； • 误差不长期积累； • 步距值不受各种干扰因素的影响。 步进电动机转子转动的速度取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲数，它作为伺服电动机应用于控制系统时，可以使系统简化，工作可靠，而且可以获得较高的控制精度。

4. 步进电动机的应用： 步进电动机在机械、电子、纺织、轻工、化工、石油、邮电、冶金、文教和卫生等行业，特别是在数控机床上获得了越来越广泛的应用。 我们这里从实际应用的角度出发，介绍步进电动机的基本结构、工作原理、驱动方式、驱动电路、运行特性，同时了解步进电动机控制等方面的内容。

5. 1 步进电动机原理及分类 1.1 步进电动机的结构与工作原理 • 结构特点 步进电动机由定子和转子两大部分组成。 A.两相反应式步进电动机的结构简图 两相电机定子有四个磁极，每相对磁极构成一相控制绕组，转子上只有两个齿。

6. B.三项步进电机结构简图： 三相电机定子有六个磁极，每相对磁极构成一相控制绕组，转子上有均布的四个齿。

7. 2. 工作原理 （1）两相电机工作原理 步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理，如图所示。 • 当A相通电，其余相不通电，如图(a)所示，转子N极与A相对齐； • 当B相通电，其余相不通电，如图(b)所示，转子N极与B相对齐； • 当A-相通电，其余相不通电，如图(c)所示，转子N极与A-相对齐； • 当B-相通电，其余相不通电，如图(d)所示，转子N极与B-B相对齐

8. （2）三相电机工作原理 • 当U相通电，V、W相不通电，如图a所示，1、3齿与U相对齐； • 当V相通电，U、W相不通电，如图b所示，2、4齿与V相对齐； • 当W相通电，U、V相不通电，如图c所示，1、3齿与W相对齐；

9. 由此可见，当通电顺序为U→V → W→U →V →…时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的角度称为步距角。 • 电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿距角（此例中齿距角为90度） • 当改变通电顺序时，将改变转子的转向。

10. （3）通电方式 • 单相轮流通电方式 每次切换前后只有一相绕组通电。 缺点： 在这种通电方式下，电动机工作的稳定性较差，容易失步。 上述例子即为单向轮流通电方式，分别称为两相单四拍和三相单三拍通电

11. 双相轮流通电方式 每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳，且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易失步。 以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：UV → VW→WU →UV →… 称为三相双三拍通电。

12. 单双相轮流通电方式 上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U → UV → V → VW→W → WU →U →… 称为三相六拍通电，如图所示。 三相六拍通电方式的步距角减小一倍。

13. 1.2 小步距角步进电动机 实际的小步距角电动机如图所示。它的定子内圆和转子外圆上均有齿和槽，而且定子和转子的齿宽和齿距相等。 实际小步距角电动机图

14. 小步距定子制造特点： 若定子为三相绕组，当某一相磁极下定子与转子的齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置刚好错开1/3齿距，再下一相磁极下定子与转子的齿错开2/3齿距，依此类推。 当定子各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。 当定子为n相时，错开的齿距为1/n齿距。

15. 2 步进电动机的环形分配器 2.1 步进电动机的驱动方式 步进电动机是绕组按一定方式轮流通电工作的。为了实现这种轮流通电，需要将控制脉冲按规定的方式分配给步进电动机，实现这种脉冲分配功能的是环形分配器。环形分配器的输出信号还需进行功率放大才能驱动步进电动机。步进电动机驱动系统框图如图所示。

16. 2.2 步进电动机的环形分配器 环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，实现确定的运行方式。环形分配器可以由硬件和软件两种方式实现。

17. 1. 硬件环形分配器 （1）集成脉冲分配器 CH250是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器。这种集成电路采用CMOS工艺，集成度高，可靠性好。右侧是其引脚图及工作真值表。

18. CH250有A、B、C三个输出端，当输入端CL或EN加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。CH250有A、B、C三个输出端，当输入端CL或EN加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。 • 若采用CL脉冲输入端时，是上升沿触发，同时EN为使能端，EN＝1时工作，EN＝0时禁止。反之，采用EN作时钟端，则下降沿触发，此时CL为使能端，CL＝0时工作，CL＝1时禁止。 • R和R*分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。当R加上正脉冲，ABC的状态为110，而R*加上正脉冲后，ABC的状态为100，以避免ABC出现000或111非法状态。 CH250管脚图及三相 六拍工作接线图

19. 2. 软件环形分配器 一般微机系统需要进行如下设置： • 设置输出接口设输出口的A0接U相；A1接V相；A2接W相。 • 设计环形分配子程序在存储器中建立环形分配表。 • 设计延时子程序设计延时子程序来控制步进频率。

20. 环形分配表

21. 3 步进电动机的驱动电路 3.1单电压限流型驱动电路 步进电动机一相的驱动电路如图所示。这种电路的特点是线路简单，成本低，低频时响应较好；缺点是效率低，尤其在高频工作的电动机效率更低。在实际中较少使用，只有在小功率步进电动机且在简单应用中才使用。

22. 3.2 双电压驱动电路 双电压驱动电路习惯上称为高低压切换电路，其最后一级如图所示。这种电路的特点是电动机绕组主电路中采用高压和低压两种电压供电，一般高压为低压的数倍。适用于大功率和高频工作的步进电动机。 优点：功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高， 缺点：低频振荡加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功率管的数量多用一倍，增加了驱动电源。

23. 3.3 斩波驱动电路 斩波电路的出现是为了弥补双电压电路波形呈现凹形的缺陷，改善了输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近，其电路图和输出波形图如图所示。

24. 3.4 升频升压驱动电路 为了减小低频振动，应使低速时绕组电流上升的前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲，而在高速时则应使电流有较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机的带载能力。这就要求驱动电源低频时用较低的电压供电，高频时用较高的电压供电。升频升压驱动电路可以较好地满足这一要求。

25. 3.5 细分驱动电路 如果要求步进电动机有更小的步距角，更高的分辨率(即脉冲当量)，或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分，绕组电流分成数个台阶，则转子就以同样的次数转过一个步距角，这种将一个步距角细分成若干步的驱动力法，称为细分驱动。

26. 细分驱动电路的特点： • 不改变电动机结构参数的情况下，能使步距角减小，但细分后的齿距角精度不高，且驱动电源的结构也相应复杂。 • 使步进电动机运行平稳，提高均匀性，并能减弱或消除振荡。

27. 目前实现细分阶梯波供电的方法有： • 先放大后叠加，如图a所示。 • 先叠加后放大，如图b所示。

28. 4 步进电动机的控制 步进电动机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，使驱动电源按照要求的规律驱动电动机运行。 简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，但线路复杂，控制方案难以改变。 复杂的控制器由单片机作为步进电动机的控制器进行控制，很好地克服了硬件逻辑线路控制器的缺点。

29. 4.1 步进电动机的开环控制 • 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。这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器，其功能框图如图所示 。

30. 并行控制 用微机系统的数条端口线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。在驱动电源内，不包含环形分配器，其功能必须由微机系统完成。系统实现脉冲分配器的功能又有两种方法： • 纯软件方法 • 软、硬件相结方法 并行控制方案的功能 框图如图所示。

31. 4.2 步进电动机的闭环控制 闭环控制是直接或间接地检测转子的位置和速度，通过反馈和适当的处理，自动给出驱动的脉冲列。 采用闭环控制，不仅可以获得精确的位置精度和速度控制，而且扩大步进电动机的应用领域 采用光电编码器检测的闭环控制系统框图如图示。

32. 5 步进电动机应用注意事项： 1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。 2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。 3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。

33. 5 步进电动机应用注意事项： 4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机 5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度 6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度、或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决 8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。 9、应遵循先选电机后选驱动的原则。

34. 7、UDN2916LB UDN2916LB是SANKEN公司推出的一款两相步进电机双极驱动集成电路，能够驱动双绕组双极步进电机，特别适用于双步进微型打印机电机的控制。

35. 7、UDN2916LB 主要特点： ● 电机电压范围为10～45V，逻辑电压不能超过7V； ●通过内部脉宽调制控制器(PWM)可实现最大750mA的输出电流； ●内置1/3和2/3分割器； ●逻辑输入实现1相/2相/W1-2phase激励模式； ●内置过热和交叉电流保护功能； ●集成钳位二极管； ●内置防止低压误操作等保护功能。

36. 7、UDN2916LB UDN2916LB内部结构如图所示，芯片有两组电路构成，每组电路由PWM控制器、电桥及辅助电路组成。

37. 7、UDN2916LB PWM电流控制电路组成： 每个PWM控制器由一组电桥、一个外部检测电阻(RS)、一个内部比较器和一个多谐振荡器组成，来独立检测和控制输出电流 。

38. 7、UDN2916LB 当电桥导通时，电机线圈中电流开始增大，电流通过外部检测电阻产生的检测电压也在增大。当检测电压达到比较器输入端设定电压值时，线圈中电流ITRIP=VREF/10RS，这时比较器触发单稳态关闭电桥的源驱动。内部逻辑和转换开关的延迟(td)典型值为2μs，这种延迟会导致实际负载电流峰值稍高于理论值。当电桥关闭后，电机电流开始衰减，通过地钳位二极管和接收晶体管回流。源驱动关闭时间toff由单稳态的外部RC决定，toff=RtCt，一般Rt取值范围在20～100kΩ，Ct取值范围在100～1000pf 。

39. 7、UDN2916LB 芯片5脚和9脚外接电阻RT和电容CT，RT和CT组成的RC电路产生固定频率信号，作为内部单稳多谐振荡器的振荡源，该振荡器和比较器共同作用将采样的电流大小反应到源输出端。当电流值达到理论设定值时，源输出端变为无效，当电流值小于理论设定值时，源输出端变为有效。其中RC参数选择比较重要，设计时往往会忽略其参数要求。如使用不当，会引起芯片烧坏，或发出噪声等异常现象 。 电阻Rs使用1.0Ω高精度电阻，参考电压取最大为5V时，要求最大输出电流IOUTPUT=VREF/(10×RS)=5/(10×1)=0.5A。电阻功率P=I2R=0.5×0.5×1=0.25W<0.5W。因此，采样电阻Rs功率用0.5W就够了。

40. 7、UDN2916LB 输出电流的逻辑控制 ： 两个输入逻辑信号(l0和I1)用于选择电机线圈电流，可设定为最大电流的100%、67%、33%或0%。0%的输出电流值说明电桥关闭了所有驱动，并且也作为一个输出特性。电流控制真值表见表1。

41. 7、UDN2916LB 减少和分散功耗： UDN2916LB电路设计时需要充分考虑热设计，因为驱动IC消耗的大部分能量主要为在突变关闭期间马达再生电流造成，马达产生的再生电流流过电流检测电阻和地钳制二极管重新流回马达，产生的电压跌落引起了能量消耗，地钳位二极管上的瞬时电压(VF)出现了最大的跌落，产生了主要的功耗。

42. 7、UDN2916LB 减少和分散功耗： 设计电路时，如果在驱动IC输出端外加肖特基二极管，并且只要这些肖特基二极管的VF特性值比内部地钳位二极管小，马达产生的再生电流将会有一部分从外部肖特基二极管重新回流到马达，使流经驱动IC内部的电流减少，降低了驱动IC的功耗，反过来也就提高了热性能。

43. 7、UDN2916LB UDN2916LB应用电路：

44. 8、二相步进电机驱动芯片TA8435H及其应用 • TA8435H是东芝公司推出的一款单片步进电机专用驱动芯片，内部可实现正弦细分二相步进电机驱动， TA8435H可以驱动二相步进电机，且电路简单，工作可靠。

45. 8、二相步进电机驱动芯片TA8435H及其应用 • １　主要特点： • ●工作电压范围宽（１０Ｖ～４０Ｖ）； • ●输出电流可达１．５Ａ平均　和２．５Ａ峰值　； • ●具有整步、半步、１／４细分、１／８细分运行方式可供选择； • ●采用脉宽调制式斩波驱动方式； • ●具有正／反转控制功能； • ●带有复位和使能引脚 • ●可选择使用单时钟输入或双时钟输入。

46. 8、二相步进电机驱动芯片TA8435H及其应用 ２ 引脚功能 TA8435H采用ZIP25封装形式，图１为其引脚排列图。各引脚功能如下： 脚１(S-GND)：信号地； 脚２(RESET)：复位端，低电平有效，当该端有效时，电路复位到起始状态，此时在任何激励方式下，输出各相都置于它们的原点； 脚３(ENABLE)：使能端，低电平有效；当该端为高电平时电路处于维持状态，此时各相输出被强制关闭；

47. 8、二相步进电机驱动芯片TA8435H及其应用 脚４（ＯＳＣ）：该脚外接电容的典型值可决定芯片内部驱动级的斩波频率（１５ｋＨｚ～８０ｋＨｚ），计算公式为： ｆｏｓｃ＝１／５．１５×Ｃosc 式中，Ｃosc的单位为μＦｆosc的单位为ｋＨｚ。 脚５（ＣＷ／ＣＣＷ）：正、反转控制引脚； 脚６、７（ＣＫ２、ＣＫ１）：时钟输入端，可选择单时钟输入或双时钟输入，最大时钟输入频率为５ｋＨｚ； 脚８、９（Ｍ１、Ｍ２）：选择激励方式，００表示步进电机工作在整步方式，１０为半步方式，０１为１／４细分方式，１１为１／８细分方式；

48. 8、二相步进电机驱动芯片TA8435H及其应用 脚１０（ＲＥＦ ＩＮ）：ＶＮＦ输入控制，接高电平时ＶＮＦ为０．８Ｖ，接低电平时ＶＮＦ为０．５Ｖ； 脚１１（ＭＯ）：输出监视，用于监视输出电流峰值位置； 脚１３（ＶＣＣ）：逻辑电路供电引脚，一般为５Ｖ； 脚１５、２４（ＶＭＢ、ＶＭＡ）：Ｂ相和Ａ相负载电源端； 脚１６、１９（ Ｂ、Ｂ--）：Ｂ相输出引脚； 脚１７、２２（ＰＧ－Ｂ、ＰＧ－Ａ）：Ｂ相和Ａ相负载地； 脚１８、２１（ＮＦＢ、ＮＦＡ）：Ｂ相和Ａ相电流检测端，由该引脚外接电阻和ＲＥＦ－ＩＮ引脚控制的输出电流为：ＩＯ＝ＶＮＦ／ＲＮＦ 脚２０、２３（ Ａ、Ａ--）：Ａ相输出引脚。

49. 8、二相步进电机驱动芯片TA8435H及其应用

50. 9、L297+L298 L297和L298 是意法半导体(ST)公司推出的两芯片步进电机驱动组合电路，可方便的组成步进电机驱动器。 L297是步进电动机控制器(包括环形分配器)，L298是双H桥式驱动器。 优点： * 需要的元件很少.从而使得装配成本低，可靠性高。 * L297和L298都是独立的芯片，应用比较灵活。