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机电控制技术及应用补充材料
“机电控制技术及应用”课程补充材料
步进电机基础知识
及其单片机控制技术
（医学检验仪器管理与维护专业用）
上海医疗器械高等专科学校
医用电子信息系
2011年2月
第一节步进电机的基楚知识
步进电机是一种将脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的控制电机,它能够在不涉及复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度，并由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差等优点,在民用、工业用的经济型数控定位系统中获得了广泛的应用,具有较高的实用价值。
本章综述了步进电机的各种特性；说明了步进电机的构造、工作原理，介绍了步进电极驱动的常用集成电路芯片，详细分析了步进电动机的单片机控制和驱动方法，并给出了软件流程图。
1.1步进电机概述
基于电机的运动控制技术作为自动化领域的关键部分，在国民经济当中起着重要的作用。
随着现代科学技术的进步，尤其是集成电路、电力电子器件、自动化控制理论等方面的进展，电机在其实际应用中已由过去简单地控制转动停止、以提供动力为目的应用上升到对速度、加速度、位移和转矩等进行精确控制阶段，以便使被驱动的机械运动准确符合预想的要求。
步进电机正好能够很好地符合这种需求，它是一种将数字脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的数模转换控制电机。
通常所说的步进电机一般是指机电一体化设备包括步进电机及其驱动器，当步进电机驱动器接受到一个脉冲之后就驱动步进电机转动一个固定的角度即步距角。
步进电机不像其它电机那样连续旋转而是以一定的步距角一步一步做增量运动因此而得名。
所以通过控制脉冲个数来控制步进电机转动的角位移，达到精确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲的频率来控制步进电机转动速度和加速度，达到调速的目的。
除此之外步进电机还具有以下一些优点：
（1）无刷：
步进电机是无刷结构电机，与带有换向器和电刷等易损部件
的传统有刷电机相比而言可靠性更高；
（2）与负载无关：
不超载时步进电机能够按照设定的速度运行；
（3）动态响应快：
易于启动、停止和反转；
（4）保持转矩：
停止时能够自锁；
（5）无累积误差：
虽然步进电机每转动一步的角位移与标称的步距角具
有一定的误差（3~5%），但是转动一周后累积的误差和为零。
（6）步距角与环境无关：
步进电机的固有步距角是由本身构造决定的，与温度、电压、电流等使用环境无关。
（7）易于控制：
只需控制脉冲的频率和个数，即可达到定位、调速目的。
（8）价格低廉：
步进电机相对于同样用于定位领域交、直流伺服电机而言
具有较高的性价比。
正是由于这些优点，使得由步进电机及其驱动控制器构成的开环数控定位系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。
与同样应用于定位领域的交、直流伺服电机构成闭环伺服系统相比较而言，主要优势在于性价比高和驱动控制简单，但是性能上却具有以下明显的不足之处：
（1）低速转动时振动和噪声都比较大；
（2）输出力矩随着转动速度的升高而降低；
（3）启动频率不能太高，否则会堵转并伴随有呼啸声；
（4）速度突变较大时存在丢步和过冲现象；
（5）最高运动速度较低，且高速运转时输出力矩小。
（6）开环控制，不能保证实际转动的角度与设想的完全一致。
虽然步进电机有这些缺点，但是并不影响其在经济型的数控装置上的使用。
现在比较常用的步进电机主要有反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度，振动和噪音小；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大；混合式步进电机混合了永磁式和反应式的优点，步距角小、转矩大且振动、噪音小，它主要又分为两相和五相：
两相步距角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
1.2步进电机工作原理
以四相五线步进电机为例介绍。
图1是该电机内部结构示意图。
步进电机的定子绕组共有A、B、C、D四组八齿，相邻齿中线夹角为45°，转子外围均匀分布0~5号六个齿，相邻齿中线夹角为60°。
图中个绕组的公共端都接电源VCC。
4个开关分别控制四相绕组是否接地,从而控制绕组通电或断电。
当仅C相接地时，C相绕组通电产生电磁力，吸引转子的第0、3号齿分别与C相绕组的上下两齿对齐，此时第5、2号齿分别与D相的上下两齿成15°夹角，其他个齿都与定子的齿错开一定角度。
此后将C相断开，接通D相到地，则D相绕组电磁力吸引第5、2号齿分别与其上下两齿对齐，转子即转过15°角。
此后依次只接通A、B相到地，则依次出现A相绕组吸引转子的第4、1号齿与其定子齿对齐，B相绕组吸引转子第3、0号与其定子齿对齐。
此后，按照C、D、A、B的顺序，每次直接通一相到地，则转子就会转动起来了。
50A
40A
GNDCOMA
30A
10A
20A
0A
DA
BA
CA
VCC
A
VCC
图1四相步进电机内部结构图
如果将图1中轮流接通的开关换成按照相同规律高低变化电平的脉冲信号，一样可以使转子转起来，这种驱动方式的脉冲波形如图2所示。
其特点是每一个时段仅有一相绕组通电，每连续出现四个脉冲，转子则转过一个齿距（60°）。
这种驱动称为单四拍驱动方式。
显然，定子的齿数越多，步距角则更小。
图2单四拍驱动方式时序图
1.3步进电机的种类
A
目前步进电机的种类繁多，性能特点也各有差异，但按照基本构造和工作原理可分为三种类型：
磁阻式（亦称反应式），即VR型（VariableReluctance）；永磁式（亦称爪极式），即PM（PermanentMagnet）；混合式，即HB（Hybrid）。
以下将就这三种类型步进电机的构造以及基本驱动原理做简要的描述。
1.3.1磁阻式步进电机
磁阻式步进电机通常也可称为反应式步进电机，其定转子均采用齿状结构，定子每个极上都绕有线圈，转子则是由软铁材料制成的。
其基本原理是绕组通电励磁之后会产生一个转矩迫使转子转动到磁通路径磁阻最小的位置。
为了更好的说明磁阻式步进电机的工作原理，图4展示了简化的三相反应式步进电机，其定子上有八个极，转子只有四个小齿，步距角为30°。
当绕组1通电时，为了保持其磁通路径磁阻最小，将产生一个转矩迫使X与之对齐；接着若绕组1断电、绕组2通电，则转子将顺时针转动使得Y与绕组2对齐保持磁通路径磁阻最小。
实际上的步进电机可通过增加定子极数或者转子的齿数来减少步距角，例如图3所示的是四相反应式步进电机的横截面示意图，其定子上有八个极，每个极上分布有5个小齿，转子有50个小齿，步距角为1.8°。
图3四相反应式步进电机横截面示意图图4三相反应式步进电机示意图
1.3.2永磁式步进电机
图5永磁式步进电机结构示意图
如图5所示，永磁式步进电机转子为N极、S极相间的永磁体，由于定子极冲制成爪型因而又名爪极式步进电机。
其基本工作原理是转子上的永磁体建立的磁场和定子绕组电流激励的磁场相互作用，形成的同性相斥、异性相吸的电磁转矩，当绕组励磁产生的合磁场发生旋转时，转子也会跟着同步转动起来。
如图6所示。
图6两相永磁式步进电机实物解剖图
永磁式步进电机的定子是由绕满漆包线的注塑骨架套在爪极板上构成的，当绕组通电励磁后定子上爪极就会被磁化为N极或者S极，从而与转子的N极和S极相互作用形成电磁转矩。
永磁式步进电机相对于反应式步进电机来说，具有控制功率小、振动和噪音小的优点，但是由于其定子极数和转子极数相同，且转子永磁体要制成NS密集相间的多对磁极比较困难，因而其步距角一般比较大。
1.3.3混合式步进电机
混合式步进电机定子、转子铁芯均为齿状结构同反应式步进电动机结构非常相似，但是其转子带有永久磁钢具备永磁体的特性，所以混合式步进电动机可看作VR和PM两种步进电动机的组合。
图8所示的混合式步进电机的详细的结构示意题图，图7则是两相混合式步进电机的实物解剖图。
图7两相混合式步进电机实物解剖图图8混合式步进电机结构示意图
从这两个图中可以看出混合式步进电机的定子是多个带有小齿且绕有线圈的极子构成的，这个可以说和反应式步进电机是相同的，而转子则是由左右两边带有小齿的铁芯以及中间的永久磁钢构成，左右两个铁芯一边呈现S极另一呈现N极且相互错开1/2个小齿齿距以便形成跟永磁式步进电机类似的N、S相间磁极。
混合式步进电机的基本工作原理和永磁式步进电机一样，是靠绕组通电之后激励的磁场与转子固有的磁场进行同性相斥、异性相吸的相互作用，形成电磁转矩促使转子转动，当定子绕组激励的合磁场发生旋转时定子也同步旋转。
目前步进电机主要以定子8极、转子50齿的两相混合式步进电机和定子10极转子50齿的五相混合步进电机为主，图9和图10为各自的横截面示意图。
图9五相混合式步进电机横截面示意图图10两相混合式步进电机横截面示意图
1.4步进电机的基本参数
1.固有步距角
固有步距角表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电动机所转动的角度。
固有步距角不一定是电极工作时的实际步距角，实际步距角与驱动器有关。
2.相数
相数是值电动机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相和五相步进电动机。
电动机相数不同，其步距角也不同。
一般二相电动机的步距角为0.9°/1.8°，三相的步距角为0.75°/1.5°，五相的为0.36°/0.72°。
步进电动机增加相数，能提高性能，但步进电动机的结构和驱动电源都会更负责，成本也会增加。
3.保持转矩
保持转矩也称为最大静转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电动机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。
它是步进电动机最重要的参数之一，通常步进电动机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电动机的输出力矩随速度增大而不断衰减，输出功率也随速度增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电动机的重要参数之一。
1.5国内外发展概况与趋势
步进电机问世以后很快就确定了开环高分辨率数控定位系统的应用领域，在工业上的应用发展至今已有30多年的历史，还没有找到更合适的替代产品，而且已经成为除了交直流电机外的第三大类电机。
在其发展历程中，出现了多种类型步进电机，按照基本的构造和工作原理可分为三大类型即磁阻式、永磁式和混合式。
在日本和西方等发达国家早期都是研制和应用磁阻式步进电机，但是由于固有的能量利用率低、振动和噪音大等缺点逐步被淘汰掉,目前在国外几乎没有了仅仅在某些场合例如在温度很高的核反应堆中或者需要电动机的不通电的情况下定位力矩为零的时候才使用；永磁式步进电机则由于转子永磁体加工方面的限制步距角一般较大，相应的转动分辨率比较受限，但是由于采用了低成本的爪极式结构使得其制造工艺简单、价格较低，容易快速批量生产，因而广泛应用于对性能要求不高的场合；混合式步进电机则具备了反应式步进电机和永磁式步进电机的优点，成为工业自动化等性能要求较高应用场合的主流，它刚开始和反应式步进电机一同发展起来，后来逐步用于替代反应式步进电机。
在步进电机30多年的发展过程中，按照相数、步距角以及机座等划分，可以说出现过的步进电机的规格品种极其繁多，然而这种状态不利于步进电机产业的发展，随着时间的推移目前逐步形成了相应的主流产品，在西方可以明显看出最大量应用的是定子8极转子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。
在我国,步进电动机的研究始于1958年，当时只有清华大学,华中理工大学等少数高等院校在从事这项工作。
60年代受苏联的影响，主要以三相磁阻式步进电机为主。
70年代我国研制快走丝数控线切割机、数控机床等数控设备的需求对步进电机的发展起了很大的促进作用。
当时受到苏联、日本等工业较发达国家的影响，国内开始自行研制磁阻式步进电机的系列产品。
70年代末形成了以定子6个极、转子40齿的三相磁阻式电动机为主,另外还有定子10个极、转子100齿的五相磁阻式电动机等共存的步进电机应用局面。
可以说，我国80年代以前一直以磁阻式步进电机为主,80年代初开始注意发展混合式步进电机，刚开始主要也是发展定子8个极、转子50齿的两相（四相）混合式步进电机，后来又于1987年开始自行设计定子10极、转子50齿的五相混合式步进电动机,同时为了与磁阻式步进电动机的步距角保持一致还发展了一些不同于国外的非典型产品。
虽然经过80年代的努力，我国混合式步进电机技术包括制造技术和驱动技术都与国外水平接近，但是由于我国工业起步较晚且发展之初广泛采用了磁阻式步进电机，产品更新换代没那么快，同时磁阻式步进电机虽然效率低、振动和噪音大但是由于坚固耐用、驱动控制技术成熟、价格较低，仍然很受国内中小企业的欢迎，因此我国步进电机的生产与国外不同仍然以反应式步进电机为主。
步进电机制造技术虽然在上世纪80年代已完全成熟，但是其性能指标仍在不断地提高。
做为主流类型的混合式步进电机仍朝着以下几个趋势发展：
（1）小型化；
（2）改圆形为方形，以提高力矩密度；（3）综合设计，集成位置传感器、变速齿轮等装置；（4）向五相及三相发展。
在驱动控制技术方面，专用芯片、单片机、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、数字信号处理器件（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）等在步进电机系统中的应用，使得各项关键技术如斩波恒流、细分驱动以及升降频控制的实现更加容易，从而促使步进电机运转更平稳、响应速度更快、定位精度更高。
此外，虽然步进电机广泛应用于开环定位系统中，但是如果辅之以先进的检测反馈元件（如光栅编码器）组成高精度的闭环定位系统，能够达到更高的定位精度。
第二节步进电机的驱动技术
2.1常用的驱动芯片ULN2003A
ULN2003A是具有7路反相驱动的达林顿阵列芯片。
其逻辑图和封装管脚图如图11所示。
图11ULN2003A的逻辑图和管脚图
主要特点：
1.大电流驱动能力：
500Ma
2.高输出电压：
可达50V
3.适用多种输入电平：
TTL,CMOS等
4.用于继电器驱动、电机驱动。
应用方法举例：
图12是以TTL电平作为输入信号，用来驱动一路继电器（或电机）线圈的原理图。
该芯片可同时驱动7路继电器（或电机）。
图12TTL电平输入驱动继电器或电机线圈
2.2步进电机的单片机控制实验
步进电机的驱动原理是通过它每相线圈的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转，驱动电路由脉冲来控制，所以调节脉冲的频率便可改变步进电机的转速，单片机最适合控制步进电机。
另外，由于电机的转动惯量的存在，其转动速度还受驱动功率的影响，当脉冲的频率大于某一值（本实验为f.>100hz）时，电机便不再转动。
实验原理图如图13所示。
图13步进电机控制实验原理图
实验电机共有四个相位（A,B,C,D），按转动步骤可分单4拍（A->B->C->D->A），双4拍（AB->BC->CD->DA->AB）和单双8拍（A->AB->B->BC->C->CD->D->DA->A）。
其中单双8拍可以实现减小一半步距角的步进控制，提供步进精度。
单四拍控制波形：
双四拍控制波形：
单片机控制程序流程图：
补充习题：
1.步进电动机与普通电动机有什么不同？
有哪些优缺点？
2.试画出四相五线步进电动机控制中，单双8拍方式的正反转控制波形。
3.根据图13的实验原理图，写出用单四拍方式控制步进电机的正反转子函数。
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