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1、步进电机的工作原理及其控制,小组成员：丁兆峰 韦光湖 王鸿源 袁齐全 陈玉灵,一,步进电机的机构,二,步进电机的工作原理,三,步进电机控制系统原理,四,脉冲产生与方向控制,五,控制接口与程序设计,概览,一、步进电机的结构,步进电机外形结构,常见步进电机外形构造,步进电机内部结构,举例单段反应式步进电机的内部结构,反应式步进电机的内部结构横剖面示意图,转子,定子绕组,定子,磁极,步进电机分类,通常按励磁方式分为三大类：1）反应式：转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距小。应用最广。2）永磁式：转子为永磁材料，转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大3）感应子式(混合式)：转
2、子为永磁式、两段，开小齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、步距角小。但结构复杂，成本较高。,下面以单段反应式步进电机为例来介绍步进电机的工作原理,二、步进电机的工作原理,图440 步进电机原理图（P143）,步距角,定义：步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度称步距角。转子齿数越多，步距角 越小 定子相数越多，步距角 越小 通电方式的节拍越多，步距角 越小,式中：m 定子相数 Z 转子齿数 C 通电方式 C=1 单相轮流通电、双相轮流通电方式 C=2 单、双相轮流通电方式,计算公式：,常用步进电机的步距角,常用步进电机的步距角 常用步进电机的定子绕组多数是三相和五相,
3、与此相匹配的转子齿数分别为40齿和48齿，即有三相步进电机：五相步进电机：,单相轮流通电（M相单M拍）顺时针轮回 ABCA 逆时针轮回 ACBA 双相轮流通电（M相双M拍）顺时针轮回 ABBCCAAB 逆时针轮回 BAACCBBA单双相轮流通电（M相2M拍）顺时针轮回 AABBBCCCAA 逆时针轮回 AACCCBBBAA,单段反应式步进电机的工作原理 定子的通电方式,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺序：ABCA转子旋转方向：顺时针步距角：,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺序:ACBA转子旋转方向：逆时针步距角：,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子
4、通电顺序：ABBCCAAB转子旋转方向：顺时针步距角：,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺序：BAACCBBA转子旋转方向：逆时针步距角：,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺序：AABBBCCCAA 转子旋转方向：顺时针 步距角：,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺序：AACCCBBBAA 转子旋转方向：逆时针 步距角：,单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿,定子通电顺序：ABCA转子旋转方向：逆时针步距角：,单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿,定子通电顺序:ACBA转子旋转方向：顺时针步距角：,单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿,定子
5、通电顺序：ABBCCAAB转子旋转方向：逆时针步距角：,单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿,定子通电顺序：BAACCBBA转子旋转方向：顺时针步距角：,单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿,定子通电顺序：AABBBCCCAA转子旋转方向：逆时针 步距角：,单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿,定子通电顺序：AACCCBBBAA 转子旋转方向：顺时针 步距角：,转子转动的原因分析,步进电机的实际结构,转子转动的原因分析,步进电机的转子上没有绕组，而是由40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9度。当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路。若此时定子的小齿与转
6、子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度，使转子齿和定子齿对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。例如，在单三拍控制方式中，假如A相同点，B、C相不通电，在磁场的作用下使转子齿和A相的定子齿对齐。若以此为初始状态，设与A相磁极中心对齐的转子齿为0号齿，由于B相磁极与A相磁极相差120，且120/9=13 不为整数，所以，此时转子齿不能与B相定子齿对齐，只是13号小齿靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3，如果此时突然变为B相通电，而A、C两相不通电，则B相磁极迫使13号转子齿与之对齐，整个转子就转动3，此时，称电机走了一步。同理，我们按照ABCA顺序通电一周，则转子转动9
7、。,三、步进电机控制系统原理,图441步进电机控制系统的组成（P144）,根据实现脉冲分配的方式可分为硬件控制和软件控制,（1）由硬件完成脉冲分配的系统,步进电机控制系统原理,步进电机控制器包括：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转向控制门等作用：把输入的脉冲转换成环形脉冲，以控制步进电机运行及转向功率放大器：把环形脉冲放大，以驱动步进电机转动何为环形分配器？,环形分配器,将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列脉冲的装置叫环形分配器。环行分配器可以由硬件构成也可以由软件构成。,环形分配器工作原理,硬件环行分配器的基本构成是触发器。因为步进电机有几相就需要几个序列脉冲，所以步进电机
8、有几相，就要设置几个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲，用来控制步进电机某相定子绕组的通、断电。触发器工作的同步信号就是来自插补器的某个坐标轴的位移驱动信号x或y。,环形分配器工作原理,三相单三拍工作方式：ABCA当QA有输出A，就使步进电机的A相通电，当QB有输出B，就使步进电机的B相通电，当QC有输出C，就使步进电机的C相通电。输出波形如下：,环形分配器工作原理,如果用D触发器,则触发器的输入端就是D端，它的信号也取自触发器本身，不过这中间还要加一定的外接无源电路。触发器的输出和输入通过一定的外电路连接在一起，构成一个封闭的整体环形电路，只要有X这个单序列脉冲它就能连续不断地输出
9、A、B、C，这就是我们把它称为环行分配器的道理。即环形就是触发器的输入由其输出连接，分配就是根据步进电机定子绕组的通电顺序要求对x的序列脉冲进行再分配。所以也常直接称其为脉冲分配器。,硬件控制,在这种形式里，脉冲分配器（CH250）、驱动电路有硬件完成。单片机只提供步进脉冲和正、反转控制信号、步进脉冲的产生和停止、步进脉冲的频率和个数都可以用软件控制。,脉冲分配器中由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电机按确定的运行方式工作。下面着重介绍CH250唤环形脉冲分配器。CH250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配去，通过其控制
10、端的不同揭发可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式，如下图所示,左图 CH250三相双三拍接法,右图 CH250三相六拍接法,CH250环形脉冲分配器的功能关系如下表所示,进一步讨论：,单片机输出步进脉冲后，再由脉冲分配电路按事先确定的顺序控制各相的通断。一般来说，硬件一旦确定下来，不易更改，这种方案，硬件设备成本高，它的应用受到了限制。怎样用软件产生步进脉冲呢？所谓软件产生就是用软件控制P3.0为0或为1的次序和长短。如果先令P3.0=1，延时一段时间，再令P3.0=0，再延时一段时间后，又令P3.0=1，如此循环，就可构成脉冲序列，延时时间的长短决定了脉冲呢序列的周期，而脉冲序列的周期
11、又与步进电机的步距有关。,步进电机控制系统原理,图442 用微型机控制步进电机原理系统图（P144）,（2）有软件完成脉冲分配工作的系统,图442 与 图441相比：用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成 串行脉冲序列，并实现方向控制。只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。特点：由软件完成脉冲分配工作，不仅使路线简化，成本下降，而且可根据应用系统的需要，灵活地改变步进电机的控制方案。,讨论解决如下几个问题：,（1）用软件的方法实现脉冲序列（2）步进电机的方向控制（3）步进电
12、机控制程序的设计,四、脉冲产生和方向控制,1、脉冲序列的生成,图443 脉冲序列,（P143）,脉冲幅值 由数字元件电平决定。TTL 0 5V CMOS 0 10V 接通和断开时间可用延时的办法控制。要求：确保步进到位。,2方向控制 步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。三相步进电机有三种工作方式：单三拍，通电顺序为 ABCA；双三拍，通电顺序为 ABBCCAAB；三相六拍，通电顺序为 AABBBCCCA；改变通电顺序可以改变步进电机的转向,3.步进电机通电模型的建立：（1）用微型机输出接口的每一位控制一相绕组，【例如】用 8255 控制三相步进电机时，可用 PC.O、PC.1、PC.2
13、分别接至步进电机的 A、B、C 三相绕组。（2）根据所选定的步进电机及控制方式，写出相应控制方 式的数学模型。上面讲的三种控制方式的数学模型分别为：,三相单三拍,三相双三拍,用P1口的P1.2、P1.1、P1.0对应C、B、A相进行控制。,同理，可以得出双三拍和三相六拍的控制模型：双三拍 03H，06H，05H 三相六拍 01H，03H，02H，06H，04H，05H 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型，如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。,五、控制接口与程序设计,由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。接口电路可以是锁存器，也可以是可编
14、程接口芯片，如 8255、8155等。驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。光电隔离器，一是抗干扰，二是电隔离，,步进电机与微型机的接口及程序设计,图444 步进电机与微型机接口电路之一(P146),步进电机与微型机的接口及程序设计,总之，只要按一定的顺序，改变P1.0P1.2三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器，以防强功率的干扰信号反串进主控系统。如图4-25所示,步进电机与微型机的接口及程序设计,图445 步进电机与微型机接口电路之二（P147）,步进电机与微型机的接口及程序设计,步进电机程序设计（1
15、）步进电机程序设计的主要任务是：判断旋转方向；按顺序传送控制脉冲；判断所要求的控制步数是否传送完毕。（2）程序框图 下面以三相双三拍为例说明这类程序的设计。,图4.46 三相双三拍步进电机控制程序流程图 p134,ORG 0100H ROUNT1：MOVA，#N；步进电机步数A JNB00H，LOOP2；反向，转 LOOP2 LOOP1：MOVP1，#03H；正向，输出第一拍 ACALLDELAY；延时 DECA；A0，转DONE JZDONE MOVP1，06H；输出第二拍 ACALLDELAY；延时 DECA；A0，转DONE JZDONE MOVP1，05H；输出第三拍 ACALLDEL
16、AY；延时 DECA；A0，转LOOP1 JNZLOOP1,AJMP DONE；A0，转DONELOOP2：MOV P1，03H；反向，输出第一拍 ACALL DELAY；延时DEC A；A0，转DON JZ DONE MOV P1，05H；输出第二拍 ACALL DELAY；延时 DEC A JZ DONE MOV P1，06H；输出第三拍 ACALL DELAY；延时 DEC A；A0，转LOOP2 JNZ LOOP2DONE：RETDELAY：,对于节拍比较多的控制程序，通常采用循环程序进行设计。循环程序作法：把环形节拍的控制模型按顺序存放在内存单元中，逐一从单元中取 出控制模型并输出。
17、节拍越多，优越性越显著。下面以三相六拍为例进行设计流程图如下所示,三相六拍步进电机控制程序如下,ORG8100HROUTN2：MOVR2，COUNT；步进电机的步数LOOP0：MOVR3，#00H MOV DPTR，#POINT；送控制模型指针 JNB00H，LOOP2；反转，转LOOP2LOOP1：MOVA，R3；取控制模型 MOVCA，A+DPTR JZLOOP0；控制模型为00H，转LOOP0 MOVP1，A；输出控制模型 ACALLDELAY；延时 INCR3；控制步数加1 DJNZR2，LOOP1；步数未走完，继续 RET,LOOP2：MOV A，R3；求反向控制模型的偏移量 ADD A，#07H MOV R3，A AJAMP LOOP1DELAY：；延时程序 POINT DB01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H；正向控制模型 DB 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H；反向控制模型COUNT EQU 30H,POINT EQU 0150H,两个重要的参数:步数 N 控制步进电机的定位精度。延时时间 DELAY 控制其步进的速率。,Thank You!,Thats all,
