混合式步进驱动单元的研究
浙江大学
博士后士学位论文
混合式步进驱动单元的研究
姓名：程智
申请学位级别：博士后士
专业：电气工程
指导教师：陈永校
2000.3.1
摘要
Ｌ对混合式步进驱动单元发展的历史及现状进行了分析，指出二相混合式步进电动机与电流波形控制的驱动器组成的单元，代表了现代的主流。步进电动机规格品种繁杂，已成为阻碍其进一步发展的重要因素，提出一种通电方式的新设计，可以在应用最广泛的二相八极转子５０齿电动机的基础上，获得任意所希望的步距角，因而可以取代五相混合式、－－丰ＩＩ磁阻式、……等其他各种相数和齿数的混合式或磁阻式步进驱动单元，简化发进电动机及驱动器生产格局，无论对制造商两蛹户都带来方便和经济效益，对步进驱动单元的发展有重要作用。／９
对近代电流波形控制驱动器的深入研究，除了采用新设计可以获得任意步距角以外，还提出了提高可控频段牵出转矩及高频段牵出转矩的改进方法，简单易行且几乎不增加成本；研究了快续流和慢续流的特点和影响，提出了最合理的二种续流方法结合应用的方案。
分析了近代步进驱动单元牵出特性的基本特征，以及影响牵出功率的基本参数，为设计和选用步进驱动单元，特别是要求高速驱动单元，提供了简便实用的方法和依据。
还深入研究了二相混合式步进电动机绕组电感和相问互感的特性，给出非线性吨感的较精确的模型和相应的测试方法，为精确仿真研究步进驱动单元的运行特性提供依据。
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关键字：步进电动机，混合斌步刊琏枷驱动单元，任意步ｌｉｉｉ角，运行
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特性，电感，互感
浙江大学博士后研究工作报告
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
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ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ
序言
博士论文期间，对混合式步进电动机系统的诸多方面作了一些研究和实践，形成了一些认识和构想。有些认识有待进～步的充实和提高，有些构想尚待进一步完善，以形成一个比较完整的体系。这些内容在博士后工作中得以进一步展开，构成丫本研究工作报告“混合式步进驱动单元的进一步研究”。限于时间和精力，只是针对一些具体问题作了一些基础的研究和局部的工作。还有较多的工作需要进一步的研究，才能完成新产品的开发，产生社会效益。
报告的完成得益于浙江大学电工学科博士后站所提供的软硬件环境，我的博士后导师陈永校教授给予了多方面的指导和关怀。站内丰富的学术交流提供了众多的学术观点，拓宽了作者的思路。
’报告中的思路和观点得益并延承了我的博士导师王宗培教授的学术思想以及立足实践、理论联系实际、重在解决工程实际问题并服务于社会经济发展的工作思路。报告中所阐述的构想的实践工作得到了他所领导的珠海运控电机有限公司的全力支持和帮助！
程智
浙江大学
二零零零年三月一日
第一章绪论
步进电动机及其驱动器所组成的驱动单元是较早实用的增量运动控制组件。所构成应用系统的简单易用性、低成本性，尤其是开环高分辨率等特性，使之一出现便被广泛地应用于低速调速及定位系统。
任何一种事物的产生和发展都是与当时的科技和生产力水平相适应的，并随其发展而发展。步进驱动单元的产生和发展亦是如此。随着生产力水平的提高，对系统的快速性、精确性、平稳性等方面都提出了更高的要求，而另一方面，作为步进驱动单元的支撑技术，如新材料技术（永磁材料）、电力电子技术、控制技术都有了长足的发展，为步进驱动单元的进一步发展提供了契机。
本文在博士论文的基础上，以混合式步进驱动单元为研究对象，对混合式步进电动机的主要参数、高速运行特性、大功率驱动器的研制，以及就混合式步进驱动单元生产格局等若干问题进行深入的分析和探讨。本章简要回顾一下混合式步进驱动单元的研究应用现状，以期对本报告的背景有一明晰的认识。
１．２混合式步进驱动单元的研究应用现状和发展趋势
１．２．１混合式步进驱动单元的研究应用现状
步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于１８３０年至１８６０年间。１８７０年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，此后电话自动交换机中广泛地使用了步进电动机，不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中得以应用。
２０世纪６０年代后期，在步进电动机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。特别是混合式步进电动机以其优越的性能（功率密度高于同体积的反应式步进电动机５０％）得到了较快发展。其中，６０年代ＧＥ公司申请了四相（二相）混合式步进电动机专利【１０】，７０年代中期，德国的ＢＬ公司申请了五相混合式步进电动机及驱动器的专利，发展了性能更高的混合式步进电动机系统【１１’１２１。这个时期各个工业发达
国家都建立了混合式步进电动机规模生产企业，便得步进电动机很伏厩为区别于直流电动机和交流电动机以外的第三大类电动机【１３１。此外，１９９３年，也就是五相混合式步进电动机及驱动器专利到期之时，ＢＬ公司又申请了三相混合式步进电动机的专利。
我国步进电动机的研究及制造起始于２０世纪５０年代后期。从５０年代后期到６０年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。７０年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平，７０年代中期至８０年代中期为产品化发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发［１４，１５，１６，１７】。自８０年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量的研究工作［１８，１９，２０，２１】，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品逐步出现，如三相、九相混合式步迸电动机以及具有中国专利的升频升压型混合式步进电动机驱动器，此外电流型步进电动机驱动器技术也已成熟，并拥有～项专利技术【２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０］。
比较我国与国外步进驱动单元的研究应用现状，有如下特点：
ｌ，反应式步进电动机驱动单元仍占较大比例
在我国，步进电动机的研究总体起步较晚，但一开始便得到重视，有大量科研院所投入到研究中去，赶上了反应式步进电动机研究的大潮，因此在这一领域的研究和生产异常活跃。一个明显例子是有我国特色的快走丝线切割机的繁荣，迄今为止，这种设备几乎仍采用的是反应式步进电动机驱动单元。反应式步进电动机的盛行，几乎制约了混合式步进电动机驱动单元的发展：已采用反应式步进电动机的，由于担心采用混合式步进驱动单元后造成成本增加而不愿改进；未采用步进驱动单元的，则只看到了（反应式）步进驱动单元的不足，从而放弃采用步进驱动单元，直接选用交流或直流伺服。只是等到近年大批进口设备涌入我国，而这些设备大多数采用了混合式步进驱动单元，混合式步进驱动单元才为人们所熟悉和接受。
２，生产和应用规模较小
在国外特别是工业发达国家，步进驱动单元早已实现规模化生产，如德国ＢＬ公司已达到年产１５万多套的规模，日本ＯＲＩＥＮＴＯＲ公司年产２００余万套等。而我国具备年产万余套的厂家亦难觅一二。
３，小功率驱动单元为主
由于步进电动机（特别是高分辨率步进电动机）属于需要精加工的～类电动机，大功率的步进电动机的生产便不适合于生产线进行批量生产（所需设备复杂），因此，目前国内外均以小功率为主。当然，生产大功率步进驱动单元的难点不仅是电动机生产方面的问题，驱动器的安
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全可靠性及简化和降低成本也是问题。
４，驱动器技术落后于电动机技术
长期以来，我国电子工业基础较差，半导体元器件及集成电路工艺比较落后，这些制约着驱动器技术的进步。相反地我国自行设计的混合式步进电动机在许多指标上已优于进口电机。
５，规格品种繁多，生产格局复杂
从步进电动机驱动单元发展历史来看，经历了一个从反应式步进电动机驱动单元到混合式步进电动机驱动单元的发展过程，而混合式步进电动机则既有相数的不同，如２相、３相、４相、５相、９相等，又有齿数的不同，如齿数２５、５０、６０等。使得步进驱动单元规格品种繁多，生产格局复杂，对用户选用也不利。
１．２．２混合式步进驱动单元的发展趋势
作为工业化水平标志之一的便是工业自动化程度的高低，驱动单元是实现自动化的执行单元，可以说是一个重要的环节，步进驱动单元以其组成系统简单方便，成本低，高分辨率，高可靠性，始终处于不可替代的地位。在今天世界各国都在大力提高工业自动化水平之际，我们有理由相信步进驱动单元，特别是混合式步进驱动单元将会得到更大的发展。
对生产效率的追求，必然要求混合式步进驱动单元向更高的动态特性和更宽的调速范围方向发展。例如，某陶瓷丝印机械要求传动电机达到１０００ｒｐｍ的速度（步距角０．９９时），这几乎是对调速电机的要求。
对传动机构简化的追求，要求去掉减速箱（可消除齿轮间隙误差，进一步提高传动精度），必然要求混合式步进驱动单元向大扭矩方向发展。
对驱动单元应用的“傻瓜化”追求，必然要求混合式驱动单元在满足驱动功率要求及刚度时具有更好的互换性，主要是步距角方面的。也就是说使同一驱动单元能满足用户的几乎任意步距角的要求。这方面的发展对步进驱动单元制造者也有简化生产格局的作用。
此外，从现场使用和维护的方便性等角度出发，要求驱动单元（主要是驱动器）具有积木化结构；为便于不同厂家的驱动器能直接替换，也有必要实现一种统一的工业化接口。
凡此种种。
１．３本文的研究内容
根据以上回顾和分析，确立报告的题目为“混合式步进驱动单元的
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研究”，主要研究内容如下：
１，提出了“分数通电状态数”的概念，对通电方式进行了新设计，为实现任意步距角驱动单元奠定了基础。在此基础上进行了统一混合式驱动单元相数和齿数的研究。给出的实例表明，这～设想是可行的。此外，就混合式步进驱动单元的生产格局提出了一些看法。
２，对混合式驱动单元的驱动器中的一些问题进行了研究，着重探讨了“快续流方式”和“慢续流方式”的应用原则，并给出了实例说明。
３，对混合式驱动单元运行特性进行了研究：高频运行时牵出特性改善的实践；牵出特性的一般特征的定性和定量分析，实例验证了分析的正确性；对混合式驱动单元的最大可用电磁转矩进行了研究。
４，对混合式驱动单元的混合式电动机电枢磁场和电感进行了分析，指出了混合式（步进）同步电动机和一般同步电动机电枢磁场及电感的异同，并提出了～种改进的ｄ形＋法，对电感参数进行了测试。
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浙江大学搏士后研冤工作报告
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ｆ１１１Ｇ．Ｈｅｉｎｅ．ＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄｏ］ｏｇｙｏｆ５－ＰｈａｓｅＰＭＳｔｅｐｐｉｎｇＭｏｔｏｒｓ．Ｐｒｏｃ．ｏｆ６”Ｓｙｍｐ．０ｎＩＭＣＳＤ，１９７７：３１３－３３０
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—５一
塑坚奎兰堡圭星竺窒三堡堡童
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第二章二相混合式步进电动机通电方式的新设计
步进电动机驱动器的基本组成包括：功率驱动部分（功放），和控制脉冲讯号逻辑分配控制部分（环分），传统驱动器的环分部分通常给出可选择的二种通电方式，即整步和半步通电方式，对二相混合式步进电动机来说，通电状态数相应地为ｍ．＝４或８，通电状态变化一个循环，步进电动机的转子转过一个转子齿距角，
争：型（１）
Ｚ，
其中：Ｚ，为转子齿数，可见二相混合式步进电动机整步和半步方式运行时，步距角（口。）相应地为，
吼２鲁＝丢只。ｒ扣㈩
以转子齿数Ｚ，＝５０为例，采用传统驱动器时，它的步距角只能是，
以：堡：１．８。／０．９。（３）
。
ｍｉＺｒ
想获得另外的步距角，不改变相数时，只有改变电动机的转子齿数。
微步驱动器采用电流型驱动技术，让绕组电流为正弦阶梯波，一个电流变化周期内正弦波的阶梯数”就是逻辑通电状态数，可以是不同的整数，且通常为偶数，
Ｍ＝２ｋ。，（毛＝２，３，４，５…）（４）通电状态变化一个循环，步进电动机的转子转过一个齿距角（目，）。所以采用微步驱动器时，电动机的步距角可以是，
吼：鱼：要．＿１，（ｋｌ：２，３，４，５…）（５）
／＂／ｌ／Ｋｌ
以转子齿数ｚ，＝５０为例，采用微步驱动系统时，它的步距角可以是，
吼：黑：１．８０，１拙．９０，０犯０．６。，…（６）
二已，Ⅳｌ
上式数列以外的步距角，如１．５。，１．２５。，１。，ｏ．７５。，０．５。，０．３７５。等，也是常常希望获得的，但是不改变转子齿数，便无法获得。
本文提出一种根据要求的步距角设计通电方式的新思想，在转子齿数不变的情况下，可以获得任意所希望的步距角。提高了一种规格电动
塑兰奎兰堡圭星竺窒三堡堡童：丽磊丽面丽■菰甄蘑孬霭丽霾ｉ丽季冗蓊丽而产机产品的通用性，能适应更多的应用场合；对生产Ｊ冢来说司以简化严
品的规格品种，相应减少电动机的工装模具，提高同一规格品种的产量，
降低生产成本及减少库存量，有明显的效益；对用户来讲，便于从整机
系统的角度选择最希望的步距角，使整机的设计更灵活和方便。
２．２基本原理
对于转子齿数为Ｚ，的电动机，如果要求的步距角是吼则它所对应的电角度为
Ｏｂｅ＝ｚ，皖（７）仍采用类似于微步驱动器电流型驱动技术，让二相绕组的电流为正弦波形的阶梯波，Ａ相和Ｂ相电流相对值的波形为：
ｉ』＝ｓｉｎ（ｋ２０ｂ。＋九）
ｉ口＝ｃｏｓ（ｋ２吼。＋九），（七２＝０，１，２，
ｋ：对应序列控制脉冲数；九为电流波形的初相角。
∥ｊ麟玎驴．
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＿Ｏ‘８ｉ：：：／Ｌ＼＝ｅＪ＃Ｏ
（８）
图１定子电流空间相量图
这时定子绕组电流可以用图１的空间相量图来表示，图中ｉ为电流的合成相量。实际上仅仅改变一下尺标，电流合成相量便可以表示合成的转矩相量，当序列脉冲数顺序改变时，合成相量的幅值不变，每次转过Ｏｂ。，也就是说转子将转过机械角度巩，即要求的步距角，这与通常电流波形控制技术的原理是一样的。
在步进电动机中实现一定的步距角运行，很重要的一条是实现逻辑通电状态的循环，即经过一个循环，回到原有的通电状态时，要求定转子的相对位置也重复。传统的设计，都是让逻辑通电状态变化一个循环，转子恰好转过一个转子齿距，正是这一限制，使得一种转子齿数的步进电动机，只能实现有限种步距角，如式（５）所示表示那样。
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本文提出的新设计的要点在于，当逻辑通电状态变化一个循环，Ｉ旦ｌ到原来的通电状态时，要求转子转过整数个转子齿距就可以，恰好转过一个转子齿距当然也包括在内，但不要求一定只转过一个转子齿距。如果新设计的逻辑通电状态数为％?，在整数ｋ，个齿距范围内实现循环重复，则
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Ｚ，ｎｌ’
为实现循环重复，要求啊’为整数。即
埔ｔ：坚！堡：整数（１１）疗ｌ’＝—＝＿——一一筮，烈＼１／
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由于上式中对ｋ，的值没有严格的限制，所以从理论上讲气为任意所希望的合理数值的情况下，只要取适当的ｋ３值，上式就能满足。例如，一台转子齿数Ｚ，＝５０的步进电动机，要求步距角０。＝１．５。，即要求以。＝１．５Ｚ，＝７５。电角度，这时可以选ｋ３＝５，代入式（１Ｉ）得，
儿?：业：２４（１２）
２．３应用实例
将新设计应用于以下实例。针对５７ＢＨ２５０Ｃ型二相混合式步进电动机（珠海运控电机有限公司制造），主要技术数据为：相数１＂１２＝２，定子每相极数２Ｐ：４；定子极数２Ｐｍ＝８；转子齿数互＝５０；整步步距角０。：１．８。；静态相电流，＝３Ａ；保持转矩０≥１．ＯＮｔｏ，为了替代国内某些典型三相磁阻式步进电动机，要求对驱动器的通电方式作特殊的设计，以得到步距角巩＝１．５。。
如上一节所述，实例要求的步距角用电角度表示时为０ｅ，＝１．５×５０＝７５。。如式（１２）所示，让逻辑通电状态数为强’＝２４，且ｋ，＝５，即一个通电循环转子转过５个齿距角，就可以得到要求的步距角０。＝１．５。。如果转过一个齿距角的平均通电状态数用Ｍ表示，则
：拿：罂：４．８（
１１＂１１３）
２芒２了＿４?。刊可见，转过一个转子齿距角的通电状态数不是整数，所以也可以说这是一种分数通电状态数的方式。
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图２给定电流波形示意图
采取电流型驱动器，让绕组电流为正弦阶梯波，如式（８）所示，只要将臼。：７５。代入就行。作成曲线如图２所示，可以看出，％表示一个电流基波周期内的电流阶梯数；啊呗０表示ｋ３＝５个电流基波周期内总的电流阶梯数，也就是总的不同的通电状态数。
按新的通电方式运行正常，图３示连续实测２４０步（转一圈）步距角的变化曲线，可以看出步距角误差大约在±２５％范围内。
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图３连续实测２４０步（转一圈）步距角的变化曲线
图４，图５示样机的保持转矩特性和牵出特性，另外样机的空载起动频率实测为ｆ，ｏ＝１．８５ｋｐｐｓ（‰＝２４Ｖ）。
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２．４小结
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图４样机的保持转矩特性：一一
√一．ｆ弋．二．一
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图５样机的牵出特性
１，本文提出一种步进电动机通电方式设计的新思想，新设计不限定通电状态在转过一个转子齿距范围内循环重复，打破了步距角受转子齿数的限定，对步进电动机的制造业和应用技术都有重要的意义和影响。
２，实践和样机性能测试结果表明，所提出的新设计是切实可行的。
３，５７ＢＨ２５０Ｃ型电动机在１．５。步距角的特性表明，各项性能指标都高于相近尺寸相同步距角的磁阻式步进电动机系统，如５５ＢＣ３４０和７５ＢＣ３４０等。
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参考文献：
［１］王宗培，任雷等，混合式步进电动机的研究（一），电工技术杂志，ｌ９９８（３），３—６．
［２］王宗培，任雷等，混合式步进电动机的研究（二），电工技术杂志，１９９８（４）．５—７．
［３］王宗培，程智，任雷，新型二相混合式步进电动机系统，微电机，ｌ９９８（２），３—６．
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第三章论步进电动机的产品格局
步进电动机问世以后，很快确定了自己的应用场合，为开环高分辨率的定位系统，工业应用发展到今已有三十年的历史，还没有发现更适合的取代它的产品，而且已经发展成为除直流和交流电机以外的第三大类电动机产品，可是它毕竟发展的历史不长，尚有不成熟的感觉。
从步进电动机产品的总体来看，最为突出的问题是规格品种繁杂，从结构类型上主要是永磁（混合）和磁阻式两大类；相数有２、３、４、５、６、８、９相等多种，与各种不同转子齿数相配合，做成各种不同的步距角，例如：０．０９。、０．１。、０．１８。、０．２０、０．３６０、０．４５０、０．６０、０．７２０、０．７５０、０．９０、０．９６０、１０、１．２０、１．５。、１．８７５０、２。、２．２５。、３。、３．７５０、４０、４．５０等等不胜枚举。还有不同的机座号，目前国内公制系列有函２４、２８、３６、４５、５５、６０、７０、７５、９０、１１０、１３０、１５０、１６０、２００ｒａｍ等，英制系列有函４２、５７、８６、１０４以及口４２、５７、８６ｍｍ等。再加上每个机座号的电机有不同的铁心叠长，不同的电压、电流和绕组匝数，不同的轴伸和安装尺寸等，其规格品种之复杂可想而知。这种状态对步进电动机产业的发展十分不利。主要表现在：
?增加了模具和工装的投资；
?生产管理复杂化；
?不易形成批量生产，使生产成本增加；
?分散了财力和人力资源，不利于产品的完善和改进；
?配套的驱动器的生产也复杂化，同样不利于发展；
?也使应用和技术服务复杂化。
任何一种产品大概都有一个从复杂到简单的发展过程，步进电动机约三十年来的发展，也已经逐步形成了自己的主流产品，在西方国家，可明显看出最大量应用的是定子８级转子５０齿的二相混合式步进电动机，其次是定子１０极转子５０齿的五相混合式步进电动机，被认为有较高运行性能指标而广泛用于工业自动化的场合。
我国步进电动机产品的发展有自己的特点，八十年代以前一直以磁阻式步进电动机为主，七十年代末形成的系列产品以定子６极转子４０齿的三相磁阻式步进电动机为主。另外有定子１０极转子１００齿的五相磁阻式步进电动机和其他的品种。八十年代开始发展混合式步进电动机，也是以定子８极转子５０齿的二相（四相）混合式步进电动机为主，
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１９８７年开始生产定子１０极转子５０齿的五相混合式步进电动机，同时还发展了一些不同于国外的产品，例如定子８极转子６０个齿的二相（四相）混合式步进电动机；转子１００齿的三相、九相混合式步进电动机；转子２００齿的五相混合式步进电动机等。这就使得我国步进电动机产品形成特别混杂的局面，对产业的发展很不利。认识到这一点，找出有效的办法来改变这种局面，对步进电机产业的发展是很重要和有利的，本文从技术的角度，探讨加速统一步进电动机产品的途径。
３．２运用微步驱动技术统一步进电动机的相数‘２，３?４?５?６ｒ７?８３
属于增量运动控制器件的步进电动机，在应用微步驱动技术以后，它的分辨率可以提高，在必要时可以很高，达到接近连续运动控制器件的状态，被称为“类伺服”特性，这显然是七十年代开始研究微步驱动技术的主要目标。
微步驱动技术是～种电流波形控制技术，在通常的驱动器中，仅对相绕组的电流进行通断控制，在转子齿数一定的条件下增加相数才能增加电动机的分辨率。例如五相混合式步进电动机比二相混合式步进电动机增加了相数，提高了分辨率，许多运行性能得到提高，成为一个独立的系列产品。采用电流波形控制技术后，二相电动机只要增加电流波形的阶梯数，就可以提高分辨率要达到与五相电动机一样的分辨率也很方便。这就给统一步进电动机的相数提供了基础。
德国ＢＬ公司原生产五相混合式步进电动机，１９９３年他们的五相电动机专利期满以后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，是定子６极转子５０齿的结构。配套电流型驱动器，每转步数为２００、４００、１０００、２０００、和２０００、４０００、１００００、２００００，可看出它兼有通常二相电机和五相电机的分辨率，还可以在此基础上增高到１０倍（十细分）。应该说，这是一种很好的设计方案，它充分运用了电流型驱动技术的功能，让统一的三相电动机系列可以同时适合原有二相和五相电动机的应用场合。
用三相电动机来取代原来生产的五相电动机，且采用更为普及的三相功率器件，驱动器的成本会下降，同时具有二相电动机的分辨率，适应性加强，从公司的角度来看是很有效益的，可是从整个步进电动机产业的角度，以及从产品发展由复杂到简单这个规律的角度看却不见得最好。因为用该三相系统开取代现有的广泛应用的二相电动机显然是不现实的，因此只能是在步进电动机本来复杂的产品格局中，逐步向以二相混合式步进电动机为主，辅之以五相混合式步进电动机的产品格局发展的过程中，反而增加出一个三相混合式步进电动机系列，至少从总体来
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看没有前进的感觉。
如果以二相电动机为基础，采用电流型驱动器，让它同时具有五相电动机的分辨率和其他功能，情况就不一样了，这将是一种最为节省的、最顺乎自然的发展方向。改变分辨率不成问题，要让全部的性能都不低于原有的五相电动机则还有一定的工作要做。
作者将原生产的８６ＢＨ２５０Ｂ型二相混合式步进电动机，采用电流型驱动器，作了一些初步的研究，与原有产品９０ＢＨ５５０Ｂ型五相混合式步进电动机，配一恒总流驱动器的系统相比较。样机实验对比情况如下：（１）外型尺寸如图：１所示，二种电机轴向长度基本一致，直径二相电机稍小一些。
（２）保持转矩特性如图，２所示，二种电机的保持转矩基本相近，在同样额定电流３Ａ时，二相电动机稍大一些。
（３）牵出转矩特性如图０３所示，在较低频段（、＜２０００ｐｐｓ），二相电动机的转矩稍高一些，在频率较高时则比五相电动机的低。
（４）定位转矩。实测五相电动机％，＝Ｏ．１Ｎ．ｍ，二相电动机％：＝Ｏ．１５Ｎ．ｍ，为同一数量级。
（５）步距精度。一转范围内步距角的实测结果如图一４所示，可看出二种电动机步距误差相近。
剜廓４－幅．Ｓ唾８．３玛蓟（ａ）８６ＢＨ２５０Ｂ型
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图．１外形尺寸的对比
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（ａ）８６ＢＨ２５０Ｂ型（ｂ）９０ＢＨ５５０Ｂ型
图２样机保持转矩实验曲线
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（ａ）８６ＢＨ２５０Ｂ型（ｂ）９０ＢＨ５５０Ｂ型
图，３样机牵出实验曲线
（６）单步响应特性。恒流驱动的五相电机半步方式时有明显的轻重步现象；二相电机２０状态运行时，有五步一循环的特点，但较为均匀。
（７）振动特性。图譬５示二相电机初步改进后的振动特性，除了低频和中频段尚有需要进一步改进之处，此外运行都很平稳。
（８）驱动器。二相电动机的驱动器比五相电动机的成本有所降低。Ｍ惝嗍懒㈣｜；
（ａ）８６ＢＨ２５０Ｂ型（ｂ）９０ＢＨ５５０Ｂ型
图ｉ：４样机步距角实验曲线
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图５初步改进后二相２０状态振动特性实测曲线（８６ＢＨ２５０Ｂ）坠圭墅些耋塑：些！！里丝！！堡型三塑望盒茎垄堂皇垫垫！！鉴查垩
一１６一
L297+L298步进电机驱动控制板说明书
L297+L298步进电机驱动控制板说明书 一、板子跳线器说明:所有跳线都在左边，则由单片机控制。 1、靠近光偶的短路冒打在CLK-555方向时有板上的555提供时钟给驱动器；打在CLK-CP U时右用户CPU提供时钟给驱动器。 2、JT5打在右边：297的HALF/FULL（全速/半速）脚接GND了默认为FULL模式了；JT5打在左边：297的HALF/FULL脚空了电机模式用户自己控制。 3、JT6打在右边：297的CW/CCW脚（方向）接GND了默认为顺时针转动模式了；JT6打在左边：297的CW/CCW脚空了电机正反转模式用户自己控制。 二、按键说明: 板子使用全新的L297作为控制芯片 L298作为驱动芯片板载NE555时钟电路为L297提供CLK因此该版在不需要外部控制的情况下就可以工作板载3个控制按键EN - 使能 CW - 反向旋转 HF - 半速旋转 通过按键就可以直接控制电机的正反转、全速/半速和使能。 三、基本功能描述: 通过光藕隔离之后将CLK CW HF EN四个基本控制端引出单片机等可以非常方便的控制电路的工作这个板子改进的地方比较多也方便研究使用。板子使用1N5822快速二极管作为续流器件其速度要远远快于整流桥的 L298和电机能够提供更完善的有效的保护。模块供电+ 5V(L297和L298控制供电) +12V(根据电机最低4V最高16V)给电机供电。 电机输出接口包括: +12V 四相输出 GND(请根据您的电机连接)。 控制输入接口包括: GND CLK EN CW HF。 EN:高电平停止，低电平使能。 RET:高电平停止，低电平使能。 C/CW:高电平逆时针，低电平顺时针。 H/HD:高电平全速，低电平半速。 CLK：时钟脉冲。 需要特别说明的是:为了测试方便在板子上设置了NE555构成的一个低频时钟源（使用时跳线冒打在CLK-555处），当您使用外部的时钟信号控制电机的转速时必须跳线冒打在CLK -CPU处否则外部时钟是不会传到L297里面。
单片机驱动步进电机程序代码
单片机驱动步进电机程 序代码 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
/******************************************************** 实现功能：正转程序 使用芯片：AT89S52 晶振： 编译环境：Keil 作者： 【声明】此程序仅用于学习与参考，引用请注明版权和作者信息！********************************************************/ #include<> //库文件 #define uchar unsigned char //字符型宏定义 #define uint unsigned int //整型宏定义 uchar tcnt; //定时器计数初值定义 uint sec; //速度值定义 uchar buf[11]; uchar bai,shi,ge; /********************控制位定义*************************/ sbit shi_neng=P1^0; // 使能控制位 sbit fang_shi=P1^1; // 工作方式控制位 sbit fang_xiang=P1^2;// 旋转方向控制位 sbit mai_chong=P1^3; // 脉冲控制位 /********************延时函数***************************/ void delay1ms(uchar z) { uchar x,y; for(x=0;x 步进电机驱动方式的分类及比较 步进电机驱动方式的分类及比较：步进电机驱动方法的分类主要有恒电压驱动方式、恒电流斩波驱动方式和细分驱动方式。以下是这几种驱动方式的简介及比较。 1 恒电压驱动方式 1．1 单电压驱动 单电压驱动是指在电机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。如图2所示，L为电机绕组，VCC为电源。当输入信号In为高电平时，提供足够大的基极电流使三极管T处于饱和状态，若忽略其饱和压降，则电源电压全部作用在电机绕组上。当In为低电平时，三极管截止，绕组无电流通过。 为使通电时绕组电流迅速达到预设电流，串入电阻Rc；为防止关断T时绕组电流变化率太大，而产生很大的反电势将T击穿，在绕组的两端并联一个二极管D和电阻Rd，为绕组电流提供一个泄放回路，也称“续流回路”。 单电压功率驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入电阻后，功耗加大，整个功率驱动电路的效率较低，仅适合于驱动小功率步进电机。 1．2 高低压驱动 为了使通电时绕组能迅速到达设定电流，关断时绕组电流迅速衰减为零，同时又具有较高的效率，出现了高低压驱动方式。 如图3所示，Th、T1分别为高压管和低压管，Vh、V1分别为高低压电源，Ih、I1分别为高低端的脉冲信号。在导通前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高低压驱动可获得较好的高频特性，但是由于高压管的导通时间不变，在低频时，绕组获得了过多的能量，容易引起振荡。可通过改变其高压管导通时间来解决低频振荡问题，然而其控制电路较单电压复杂，可靠性降低，一旦高压管失控，将会因电流太大损坏电机。 2 恒电流斩波驱动方式 2．1 自激式恒电流斩波驱动 图4为自激式恒电流斩波驱动框图。把步进电机绕组电流值转化为一定比例的电压，与D／A转换器输出的预设值进行比较，控制功率管的开关，从而达到控制绕组相电流的目的。从理论上讲，自激式恒电流斩波驱动可以将电机绕组的电流控制在某一恒定值。但由于斩波频率是可变的，会使绕组激起很高的浪涌电压，因而对控制电路产生很大的干扰，容易产生振荡，可靠性大大降低。 单片机控制步进电机驱动器工作原理 步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。 有时从一些旧设备上拆下的步进电机(这种电机一般没有损坏)要改作它用，一般需自己设计驱动器。本文介绍的就是为从一日本产旧式打印机上拆下的步进电机而设计的驱动器。 本文先介绍该步进电机的工作原理，然后介绍了其驱动器的软、硬件设计。 1. 该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图1 四相步进电机步进示意图 开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示： a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍 图2.步进电机工作时序波形图 2.AT89C2051 步进电机驱动器系统电路原理如图3： L297 L298步进电机驱动控制板说明书 一、板子跳线器说明: 1、靠近光偶的短路冒打在CLK-555方向时有板上的555提供时钟给驱动器；打在CLK-CP U时右用户CPU提供时钟给驱动器。 2、JT5打在右边：297的HALF/FULL（全速/半速）脚接GND了默认为FULL模式了；JT5打在左边：297的HALF/FULL脚空了电机模式用户自己控制。 3、JT6打在右边：297的CW/CCW脚（方向）接GND了默认为顺时针转动模式了；JT6打在左边：297的CW/CCW脚空了电机正反转模式用户自己控制。 二、按键说明: 板子使用全新的L297作为控制芯片 L298作为驱动芯片板载NE555时钟电路为L297提供CLK因此该版在不需要外部控制的情况下就可以工作板载3个控制按键EN - 使能 CW - 反向旋转 HF - 半速旋转 通过按键就可以直接控制电机的正反转、全速/半速和使能。 三、基本功能描述: 通过光藕隔离之后将CLK CW HF EN四个基本控制端引出单片机等可以非常方便的控制电路的工作这个板子改进的地方比较多也方便研究使用。板子使用1N5822快速二极管作为续流器件其速度要远远快于整流桥的 L298和电机能够提供更完善的有效的保护。模块供电+ 5V(L297和L298控制供电) +12V(根据电机最低4V最高16V)给电机供电。 电机输出接口包括: +12V 四相输出 GND(请根据您的电机连接)。 控制输入接口包括: GND CLK EN CW HF。 需要特别说明的是:为了测试方便在板子上设置了NE555构成的一个低频时钟源（使用时跳线冒打在CLK-555处），当您使用外部的时钟信号控制电机的转速时必须跳线冒打在CLK -CPU处否则外部时钟是不会传到L297里面。 四、接口说明: 1、板子左上方小二接口(JT1) VCC接+5V、GND接电源地，次处为芯片L297和555芯片的工作电压； 2H42B 细分步进电机驱动器使用手册 V ersion 2.0 版权所有不得翻印 【使用前请仔细阅读本手册，以免损坏驱动器】 东莞市一能机电技术有限公司 DONGGUAN ICAN－TECH CO.,LTD 地址：东莞市万江区新和工业区瑞联振兴工业园B栋4楼 https://www.wendangku.net/doc/676353122.html,/ Email:tech@https://www.wendangku.net/doc/676353122.html, 2H42B 步进电机驱动器 一、 2H42B 步进电机驱动器产品简介 1.1概述 2H42B 步进电机驱动器是一款高性价比的细分两相步进电机驱动器。最大可提供2.0A 的电流输出。由于采用了双极性恒流斩波控制技术，与市面上同类型步进电机驱动器相比，其对步进电机噪声和发热均有明显改善。适用于尺寸为28，35，39，42等各类2相或4相混合式步进电机，具有体积小，使用简单方便等特点。 1.2特点 ◆低噪声，高速大转矩特性 ◆光电隔离差分信号输入，响应频率最高200K ◆供电电压12VDC-36VDC ◆细分精度1，2，4，8，16，32，64，128， ◆输出电流峰值可达2.0A 倍细分可选 ◆静止时电流自动减半 ◆外形尺寸小（96*60*24mm ） ◆可选择脉冲上升沿或下降沿触发 ◆电流设定方便，八档可选 ◆可驱动4、6、8线二相、四相步进电机 ◆具有过流，过温保护功能 1.3应用领域 适用于各类型自动化设备或仪器，如雕刻机、打标机、切割机、激光照排、绘图仪、数控 机床、机械手，包装机械，纺织机械等，极具性价比和竞争力。 二、 2H42B 步进电机驱动器 电气、机械和环境指标 1 网址:www https://www.wendangku.net/doc/676353122.html, 2.2 2H42B 步进电机驱动器使用环境及参数 图1.安装尺寸图 2.4加强散热方式 1) 2H42B 步进电机驱动器的可靠工作温度通常在60℃以内，电机工作温度为80℃以内； 2) 建议使用时选择自动半流方式 （即电机停止时电流自动减至60% ），以减少电机和驱动器的发热； 3) 安装步进电机驱动器时请采用立式侧面安装，使散热面向易于空气对流的方向，必要时在机箱内靠近驱动器处应安装排气风扇，进行强制散热，从而保证驱动器在可靠工作温度范围内工作。 2 网址: www https://www.wendangku.net/doc/676353122.html, 步进电机 学习交流群——126500542（验证信息：千寻琥珀心） 在这里介绍一下如何用51单片机驱动步进电机。 本例所使用的步进电机为四项驱动，驱动电压为12V，锯齿角（为什么叫锯齿叫而不叫步进角，我也不知道这样解释是否正确，但是根据步进角计算公式所得的结果将7.5理解为锯齿叫会更好些，也在网上搜了不少资料，说是步进角的较多，但都是直接给出的，而未作出计算，不过也有是将其作为锯齿角的，并且结合书上的内容，在此就将此作为锯齿角理解，那何谓步进角，下面公式将给出）为7.5度。（也就是说锯齿之间的单位角度），不进一圈总共需要360度，故有48个锯齿。 在此对电路图部分不再给出，具体引脚连接接下来给出。本例所使用的电机驱动芯片为达林顿驱动器（ULN2003），通过P1.0~P1.3分别接通步进电机的驱动线圈来控制步进电机的运转。注意如果直接使用单片机通过驱动芯片驱动电机，力矩可能不够大，效果不是很好，因为ULN2003的驱动电压为12V，而单片机系统电压为5V，故请读者注意此点，在设计电路时，另施电压。 步进电机要想正常工作，必须有驱动信号，转动的速度与驱动信号的频率是成正比的。（实例中将会给出并予以说明）接下来我们看看对于电机驱动中的信号的产生。 本例中采用的步进电机为四项，三项驱动和四项驱动原理上 是一样的。假设步进电机的四个项为：A、B、C、D。它的拍数可由读者任意设定（即步进节奏）。再继续下面的内容时，我们现在此给出一个计算步进电机的公式：Qs=360/NZr,其中N=McC 为运行的拍数，McC为控制绕组项数，C为状态系数，当采用单双本项拍数时，C=1，当采用单双本项一倍拍数时，C=2。（此处说的本项拍数，如三项为单三拍，双三拍。本项一倍拍数为单六拍，简言之，三拍为1.六拍为2对于四项则四拍为1,8拍为2（说的有些玄乎，手中板砖还望留情）），Zr为转子齿数，先来看看单四拍，即A→B→C→D→A.因为上述已经给出了锯齿数，此例C=1，所以Qs=360/(4*1*48)=1.875°。故此电机的步进角为1.875°（既步与步之间的角度），因为行进是和脉冲有关的，一个脉冲行进一步，那么行进一圈，所需脉冲数为：360/1.875=192个脉冲。同时我们如果控制这些脉冲的频率就可以直接控制步进电机的运转速度了。继续我们的单四拍，运行方向A→B→C→D →A。（假设为正转）则在程序中对应的操作执行码为：(硬件连接时P1口的高四位不用全置1，此处只需用到低四位) P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 D C B A (对应4个线圈) 1 1 1 0 0xfe (根据外部链接电路定，也可以是0001，此处采用低电平导通，导通A项线圈) 1 1 0 1 0xfd (导通B项线圈) 1 0 1 1 0xfb (导通C项线圈) 步进电机驱动电路设计 摘要 随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件, 具有快速起动和停止的特点。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。直流电机广泛应用于计算机外围设备( 如硬盘、软盘和光盘存储器) 、家电产品、医疗器械和电动车上, 无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢, 并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。他们都是利用电和磁的相互作用来实现向机械能能的转换。 介绍了步进电机和直流电机原理及其驱动程序控制控制模块，通过AT89S52单片机及脉冲分配器(又称逻辑转换器)L298完成步进电机和直流电机各种运行方式的控制。实现步进电机的正反转速度控制并且显示数据。整个系统采用模块化设计,结构简单、可 步进电机驱动方式（细分）概述 众所周知，步进电机的驱动方式有整步，半步，细分驱动。三者即有区别又有联系，目前，市面上很多驱动器支持细分驱动方式。本文主要描述这三种驱动的概述。 如下图是两相步进电机的内部定子示意图，为了使电机的转子能够连续、平稳地转动，定子必须产生一个连续、平均的磁场。因为从宏观上看，电机转子始终跟随电机定子合成的磁场方向。如果定子合成的磁场变化太快，转子跟随不上，这时步进电机就出现失步现象。 既然电机转子是跟随电机定子磁场转动，而电机定子磁场的强度和方向是由定子合成电流决定且成正比。即只要控制电机的定子电流，则可以达到驱动电机的目的。下图是两相步进电机的电流合成示意图。其中Ia是由A-A`相产生，Ib是由B-B`相产生，它们两个合成后产生的电流I就是电机定子的合成电流，它可以代表电机定子产生磁场的大小和方向。 有了以上的步进电机背景描述后，对于步进电机的整步、半步、细分的三种驱动方式，都会是同一种方法，只是电流把一个圆(360°)分割的粗细程序不同。 整步驱动 对于整步驱动方式，电机是走一个整步，如对于一个步进角是3.6°的步进电机，整步驱动是每走一步是走3.6°。 下图是整步驱动方式中，电机定子的电流次序示意图： 由上图可知，整步驱动每一时刻只有一个相通电，所以这种驱动方式的驱动电路可以是很简单，程序代码也是相对容易实现，且由上图可以得到电机整步驱动相序如下： BB’→A’A→B’B→A A’→B B’ 下图是这种驱动方式的电流矢量分割图： 可见，整步驱动方式的电流矢量把一个圆平均分割成四份。 下图是整步驱动方式的A、B相的电流I vs T图： 可以看出，整步驱动描出的正弦波是粗糙的。使用这种方式驱动步进电机，低速时电机会抖动，噪声会比较大。但是，这种驱动方式无论在硬件或软件上都是相对简单，从而驱 以下是中国步进电机网对步进电机驱动系统所做的较为完整的表述： 1、系统常识： 步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电机驱动系统的性能，不但取决于步进电机自身的性能，也取决于步进电机驱动器的优劣。对步进电机驱动器的研究几乎是与步进电机的研究同步进行的。 2、系统概述： 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它 的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 3、系统控制： 步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时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。 4、用途： 步进电机是一种控制用的特种电机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，随着微电子和计算机技术的发展（步进电机驱动器性能提高），步进电机的需求量与日俱增。步进电机在运行中精度没有积累误差的特点，使其广泛应用于各种自动化控制系统，特别是开环控制系统。 5、步进电机按结构分类： 步进电机也叫脉冲电机，包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）等。 （1）反应式步进电机： 也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到六分之一度）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。 （2）永磁式步进电机： 通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。 （3）混合式步进电机： 也叫永磁反应式、永磁感应式步进电机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电机。 6、步进电机按工作方式分类：可分为功率式和伺服式两种。 （1）功率式：输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电机）。（2）伺服式：输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电机）。 7、步进电机的选择： （1）首先选择类型，其次是具体的品种与型号。 四相步进电机驱动电路及驱动程序设计 我们用一个单片机控制多个步进电机指挥跳舞机器人的双肩、双肘和双脚伴着音乐做出各种协调舒缓充满感情的动作，荣获一等奖。电路采用74373锁存，74LS244和ULN2003作电压和电流驱动，单片机（Atc52）作脉冲序列信号发生器。程序设计基于中断服务和总线分时利用方式，实时更新各个电机的速度、方向。整个舞蹈由运动数据所决定的一截截动作无缝连接而成。本文主要介绍一下这个机器人的四相五线制步进电机驱动电路及程序设计. 1、步进电机简介 步进电机根据内部线圈个数不同分为二相制、三相制、四相制等。本文以四相制为例介绍其内部结构。图1为四相五线制步进电机内部结构示意图。 2、四相五线制步进电机的驱动电路 电路主要由单片机工作外围电路、信号锁存和放大电路组成。我们利用了单片机的I/O端口，通过74373锁存，由74LS244驱动，ULN2003对信号进行放大。8个电机共用4bit I/O端口作为数据总线，向电机传送步进脉冲。每个电机分配1bit的I/O端口用作74373锁存信号，锁存步进电机四相脉冲，经ULN2003放大到12V驱动电机运转。 电路原理图（部分）如图2所示。 （1）Intel 8051系列单片机是一种8位的嵌入式控制器，可寻址64K字节，共有32个可编程双向I/O口，分别称为P0～P3。该系列单片机上集成8K的ROM，128字节RAM可供使用。 （2）74LS244为三态控制芯片，目的是使单片机足以驱动ULN2003。 ULN2003是常用的达林顿管阵列，工作电压是12V，可以提供足够的电流以驱动步进电机。关于这些芯片的详细介绍可参见它们各自的数据手册。 （3）74373是电平控制锁存器，它可使多个步进电机共用一组数据总线。我们用P1.0～P1.7作为8个电机的锁存信号输出端，见表1。 这是一种基于总线分时复用的方式，以动态扫描的方式来发送控制信号，这和高级操作系统里的多任务进程调度的思想一致。这种方法明显的好处是节省I/O口，使系统可以控制更多的步进电机。本电路设计为控制8个。 3 、程序设计 传统的步进电机驱动程序利用简单的条件循环来发送脉冲序列，但当电机数目发生变化时，编程繁杂，冗余代码较多，难以做到信号占空比一致，进而产生“抖动” 现象。下面提出一种基于中断服务方式，面向舞蹈动作，可实时改变各个电机速度和方向（每200ms可改变一次）的程序设计方法。 3.1 速度归一化和线性关系 我们将速度量化成一个-128～127内可变的数，正号代表正转，负号代表返转，称之归一化速度（-128～127为一个字节）。给每个电机分 TB6600升级版 两相步进驱动器 使用说明书 [使用前请仔细阅读本手册，以免损坏驱动器] 目录 一、产品简介 (3) 概述 (3) 特点 (3) 二、接口和接线介绍 (3) 信号输入端 (3) 电机绕组连接 (3) 电源电压连接 (4) 状态指示 (4) 接线方式 (4) 接线要求 (5) 三、电流、细分拨码开关设定 (5) 细分设定 (5) 工作（动态）电流设定 (6) 四、机械和环境指标 (6) 使用环境及参数 (6) 机械安装图 (7) 五、电机适配 (7) 电机适配 (7) 电机接线 (8) 供电电压和输出电流的选择 (8) 五、常见问题 (9) 应用中常见问题和处理方法 (9) 六、保修条款 (10) 一、产品简介 ◆概述 TB6600升级版驱动器是一款专业的两相混合式步进电机驱动器，可适配国内外各种品牌，电流在4.0A及以下，外径39，42，57mm的四线，六线，八线两相混合式步进电机。适合各种小中型自动化设备和仪器，例如：雕刻机、打标机、切割机、激光照排、绘图仪、数控机床、拿放装置等。在用户期望低成本、大电流运行的设备中效果特性。 ◆特点 ※信号输入：单端，脉冲/方向 ※细分可选：1/2/4/8/16/32细分 ※输出电流：0.5A-4.0A ※输入电压：9-42VDC ※静止时电流自动减半 ※可驱动4,6,8线两相、四相步进电机 ※光耦隔离信号输入，抗干扰能力强 ※具有过热、过流、欠压锁定、输入电压防反接保护等功能 ※体积小巧，方便安装 ※外部信号3.3-24V通用，无需串联电阻 二、接口和接线介绍 ◆信号输入端 PUL+ PUL-脉冲输入信号。默认脉冲上升沿有效。为了可靠响应脉冲信号，脉冲宽度应大于1.2us。 DIR+ DIR-方向输入信号，高/低电平信号，为保证电机可靠换向，方向信号应先于脉冲信号至少5us建立。电机的初始运行方向与电机绕组接线有关，互换任一相绕组（如A+、A-交换）可以改变电机初始运行方向。 ENA+ ENA-使能输入信号（脱机信号），用于使能或禁止驱动器输出。使能时，驱动器将切断电机各相的电流使电机处于自由状态，不响应步进脉冲。当不需用此功能时，使能信号端悬空即可。 ◆电机绕组连接 A+,A-电机A相绕组。 B+,B-电机B相绕组。 1、选择保持转矩 保持转矩也叫静力矩，是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。由于步进电机低速运转时的力矩接近保持转矩，而步进电机的力矩随着速度的增大而快速衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以说保持转矩是衡量步进电机负载能力最重要的参数之一。比如，一般不加说明地讲到1N.m的步进电机，可以理解为保持转矩是1N.m。 2、选择相数 两相步进电机成本低，步距角最少1.8 度，低速时的震动较大，高速时力矩下降快，适用于高速且对精度和平稳性要求不高的场合;三相步进电机步距角最少1.5度，振动比两相步进电机小，低速性能好于两相步进电机，最高速度比两相步进电机高百分之30至50，适用于高速且对精度和平稳性要求较高的场合;5相步进电机步距角更小，低速性能好于3相步进电机，但成本偏高，适用于中低速段且对精度和平稳性要求较高的场合。 步电机系统解决方案 3、选择步进电机 应遵循先选电机后选驱动器原则，先明确负载特性，再通过比较 不同型号步进电机的静力矩和矩频曲线，找到与负载特性最匹配的步进电机;精度要求高时，应采用机械减速装置，以使电机工作在效率最高、噪音最低的状态;避免使电机工作在振动区，如若必须则通过改变电压、电流或增加阻尼的方法解决;电源电压方面，建议57电机采用直流24V-36V、86电机采用直流46V、110电机采用高于直流80V;大转动惯量负载应选择机座号较大的电机;大惯量负载、工作转速较高时，电机而应采用逐渐升频提速，以防止电机失步、减少噪音、提高停转时的定位精度;鉴于步进电机力矩一般在40Nm以下，超出此力矩范围，且运转速度大于1000RPM时，即应考虑选择伺服电机，一般交流伺服电机可正常运转于3000RPM，直流伺服电机可可正常运转于10000RPM。 4、选择驱动器和细分数 最好不选择整步状态，因为整步状态时振动较大;尽量选择小电 流、大电感、低电压的驱动器;配用大于工作电流的驱动器、在需要 步电机系统解决方案 TB6560 3A步进电机驱动板说明 功能简介： 1）工作电压直流10V-35V。建议使用开关电源DC24V供电。 2）采用6N137高速光藕，保证高速不失步。 3）采用东芝TB6560AHQ全新原装芯片，内有低压关断、过热停车及过流保护电路，保证最优性能。 4）额定最大输出为：±3A，峰值3.5A。 5) 适合42，57步进3A以内的两相/四相/四线/六线步进电机，不适合超过3A的步进电机。 6）自动半流功能。 7）细分：整步，半步，1/8步，1/16步，最大16细分。 在同类产品中的特色： 1、电流级逐可调，满足你的多种应用需求。 2、自动半流可调。 3、采用6N137高速光藕，保证高速不失步。 4、电流采样电阻采用高精度、大功率电阻，保证电机稳定运行。 5、板印设置说明，不用说明书亦可操作。 6、采用厚密齿散热器，散热良好。 7、整机提供三年质量保证。 产品使用说明： 一、产品简介 1.概述 TB6560步进电机驱动器是由我公司自主研发的一款具有高稳定性、可靠性和抗干扰性的经济型步进电机驱动器，适用于各种工业控制环境。该驱动器主要用于驱动35、39、42、57 型4、6、8线两相混合式步进电机。其细分数有4 种，最大16细分；其驱动电流范围为0.3A－3A，输出电流共有14 档，电流的分辨率约为0.2A；具有自动半流，低压关断、过流保护和过热停车功能。 2.应用领域 适合各种中大型自动化设备，例如：雕刻机、切割机、包装机械、电子加工设备、自动装配设备等。 3.整机介绍 整机介绍主要对驱动器的设置、接口、指示灯及安装尺寸等相关说明。具体说明见下表： 驱动器操作说明 运行电流设置由 SW1－SW3、S1 四个拨码开关来设定驱动器输出电流，其输出电流共有14 档。具体输出电流的设置，请看电路板面版图说明。 停止电流设置用户可通过S2 来设置驱动器的自动半流功能。“1”表示停止电流设为运行电流的20%，“0”表示停止电流设为运行电流的50%。一般用途中应将S2 设成“1”，使得电机和驱动器的发热减少，可靠性提高。 细分设置由 S3－S4 两个拨码开关来设定驱动器细分数，其共有4档细分。用户设定细分时，应先停止驱动器运行。具体细分数的设置，请看电路板面版图说明。 附件： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP Speed_Up ORG 0013H LJMP Speed_Down ORG 0100H MAIN: ;打开外部中断IT0/IT1 SETB EA SETB EX0 SETB EX1 SETB IT0 SETB IT1 ;扫描键盘，无键按下显示0，并继续扫描 MAKEY: MOV DPTR,#TAB MOV A,#0 MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A MOV P3,#0FFH MOV A,P3 CPL A JZ MAKEY LCALL D10MS JZ MAKEY ;当有键按下时，启动步行电机转动 Speed EQU 20H Num EQU 21H MOV Speed,#60 ;Speed初始化，Speed控制延时的时间，即脉冲的频率 MOV Num,#1 ;Num初始化，Num存放数码管显示的转速数值 JNB ACC.4,TO_TWO ;默认设置为正向转动，转速为1，当有反向键按下，按反向转动 ;------------------------ 1号程序：控制步行电机正转-------------------------------- TO_ONE: MOV R7,#4 MOV A,#01H MOV P3,#0FFH LP1: MOV P1,A LCALL DELAY LCALL DISPLAY RL A ; 正向输入脉冲信号 DJNZ R7,LP1 JNB P3.4,TO_TWO ; 有反向键按下，跳转到2号程序 LJMP TO_ONE ;------------------------2号程序：控制步行电机反转---------------------------------- TO_TWO: MOV R7,#4 MOV A,#08H MOV P3,#0FFH LP2: MOV P1,A LCALL DELAY LCALL DISPLAY RR A ; 反向输入脉冲信号 DJNZ R7,LP2 JNB P3.5,TO_ONE ;有正向键按下，跳转到1号程序 LJMP TO_TWO ;----------------------------中断服务程序----------------------------------------------- Speed_Up: ; 外部中断IT0，控制加速 PUSH ACC LCALL D10MS MOV A,Speed CJNE A,#12,L1 ; 最大速度时，速度不再增加 LJMP L2 L1: ; 速度加1（减小脉冲周期） SUBB A,#12 MOV Speed,A INC Num L2: POP ACC RETI Speed_Down: ;外部中断IT1，控制减速 PUSH ACC 步进电机驱动及控制技术解答 1.步进电机为什么要配步进电机驱动器才能工作？ 步进电机作为一种控制精密位移及大范围调速专用的电机, 它的旋转是以自身固有的步距角角（转子与定子的机械结构所决定）一步一步运行的, 其特点是每旋转一步，步距角始终不变，能够保持精密准确的位置。所以无论旋转多少次，始终没有积累误差。由于控制方法简单，成本低廉，广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行需要有脉冲分配的功率型电子装置进行驱动, 这就是步进电机驱动器。它接收控制系统发出的脉冲信号，按照步进电机的结构特点，顺序分配脉冲，实现控制角位移、旋转速度、旋转方向、制动加载状态、自由状态。控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就能够驱动步进电机旋转一个步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。角位移量与脉冲个数相关。步进电机停止旋转时，能够产生两种状态：制动加载能够产生最大或部分保持转矩（通常称为刹车保持，无需电磁制动或机械制动）及转子处于自由状态（能够被外部推力带动轻松旋转）。步进电机驱动器，必须与步进电机的型号相匹配。否则，将会损坏步进电机及驱动器。 2.什么是驱动器的细分？运行拍数与步距角是什么关系？ “细分”是针对“步距角”而言的。没有细分状态，控制系统每发一个步进脉冲信号，步进电机就按照整步旋转一个特定的角度。步进电机的参数，都会给出一个步距角的值。如110BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这是步进电机固有步距角。通过步进电机驱动器设置的细分状态，步进电机将会按照细分的步距角旋转位移角度，从而实现更为精密的定位。以110BYG250A电机为例，列表说明： 电机固有步 距角运行拍 数 细分数电机运行时的真正步距角 姓名___ _ _ _ 学号201016050136 院系电气信息工程学院 专业电子信息工程 班级___信息10-1______ __ 目录 目录 (2) 摘要 (3) 关键词 (3) Abstract (3) Keywords (3) 一、引言 (4) 二、步进电机细分驱动的基本原理 (4) 三、Quartus II概述 (5) 四、课题设计 (5) （一）总体设计 (5) （二）细分电流的实现 (6) （三）细分驱动性能的改善 (6) （四）程序设计 (6) 六、仿真与测试结果分析 (10) 七、结论 (12) 参考文献 (12) 注释 (13) 附录 (14) 心得体会 (20) 摘要 在对步进电机细分驱动原理进行分析研究的基础上，提出一种基于FPGA 控制的步进电机细分驱动器。利用FPGA中的嵌入式EAB构成LPM-ROM，存放步进电机各相细分电流所需的PWM控制波形数据表，并通过FPGA设计的数字比较器，同时产生多路PWM电流波形，实现对步进电机转角进行均匀细分控制。实验证明，所研制的步进电机驱动器不仅体积小，简化了系统的设计，减少了延迟，改善了低频特性，有良好的适应性和自保护能力，提高了驱动器的稳定性和可靠性。 关键词 步进电机；细分驱动；脉宽调制；FPGA Abstract In this paper, a divided driving circuit for stepping motor controlled by FPGA is put forward, based on the analysis of the principle of stepping motor divided driving. Using embedded EAB in FPGA to compose LPM-ROM, store PWM control wave form data which stepping motor each phase subdivided driving current is needed．The magnitude comparator designed with FPGA generates several PWM current waveform synchronously, to realize the step angles even division control for three–phase stepping motor.Experimments have proved that the developed subdivision driver is not only smaller,sampler in system, can shorten the delay time,improve the stability in low frequency ,but has good self-adaptation and self-protection ability,and its stability and relibility are higher. Keywords stepping motor; divided driving；PWM; FPGA 第三节步进电动机及其驱动 一、步进电机的特点与种类 1.步进电机的特点 步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。 步进电动机具有以下特点： ?工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响； ?步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ； ?由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易； ?控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”； ?不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制； ?缺点是能量效率较低。 就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说，可将其分为以下三种： （1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫反应式步进电动机 （2）永磁(PM-Permanent Magnet)型 （3）混合(HB-Hybrid)型 （1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance) 结构原理：该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机。其结构原理如图3.5定子1 上嵌有线圈，转子2朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁阻型。 图3.6 可变式阻步进电机 可变磁阻步进电机的特点： 反应式电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力； 需要将气隙作得尽可能小，例如几个微米； 结构简单，运行频率高，可产生中等转矩，步距角小（0.09~9°） 制造材料费用低； 有些数控机床及工业机器人上使用。 （3）混合(HB-Hybrid)型 结构原理 这类电机是PM式和VR式的复合形式。其定子与VR类似，表面制有小齿，转子由永磁铁和铁心构成，同样切有小齿，为了减小步距角可以在结构上增加转子和定子的齿数。其结构如图3.7所示。 混合式步进电机特点: HB兼有PM和VR式步进电机的特点： 步距角可以做得较小(0.9~3.6°)； 无励磁时具有保持力； 可以产生较大转矩，应用较广。 舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计 摘要：介绍了舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计。电路采用74373锁存,74LS244和ULN2003作电压和电流驱动,单片机AT89C52作工作脉冲序列信号发生器。程序设计基于中断服务和总线分时复用方式,实时更新各个电机的速度和方向。 关键词：单片机,中断服务,速度累加计数器,归一化速度 在机器人舞蹈时,我们用一个单片机控制多个步进电机指挥跳舞机器人的双肩、双肘和双脚伴着音乐做出各种协调舒缓充满感情的动作。电路采用74373锁存,74LS244和ULN2003作电压和电流驱动,单片机（Atc52）作脉冲序列信号发生器。程序设计基于中断服务和总线分时利用方式,实时更新各个电机的速度、方向。整个舞蹈由运动数据所决定的一截截动作无缝连接而成。 1 步进电机简介 步进电机根据内部线圈个数不同分为二相制、三相制、四相制等。本文以四相制为例介绍其内部结构。图1为四相五线制步进电机内部结构示意图。 2 四相五线制步进电机的驱动电路 电路主要由单片机工作外围电路、信号锁存和放大电路组成。我们利用了单片机的I/O端口,通过74373锁存,由74LS244驱动,ULN2003对信号进行放大。8个电机共用4bit I/O端口作为数据总线,向电机传送步进脉冲。每个电机分配1bit的I/O端口用作74373锁存信号,锁存步进电机四相脉冲,经ULN2003放大到12V驱动电机运转。 电路原理图（部分）如图2所示。 （1）Intel 8051系列单片机是一种8位的嵌入式控制器,可寻址64K字节,共有32个可编程双向I/O口,分别称为P0～P3。该系列单片机上集成8K的ROM,128字节RAM可供使用。 （2）74LS244为三态控制芯片,目的是使单片机足以驱动ULN2003。ULN2003是常用的达林顿管阵列,工作电压是12V,可以提供足够的电流以驱动步进电机。关于这些芯片的详细介绍可参见它们各自的数据手册。 （3）74373是电平控制锁存器,它可使多个步进电机共用一组数据总线。我们用P1.0～P1.7作为8个电机的锁存信号输出端,见表1。步进电机驱动方式的分类及比较
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