第二节步进电机及驱动控制解析
步进电机的驱动原理
步进电机的驱动原理
步进电机的驱动原理可以通过以下几点来解释：
1. 电磁驱动：步进电机内部通常包含多个线圈，每个线圈都有一对电极。
通过交替通电来激励这些线圈，可以产生磁场。
这个磁场与固定磁铁或其他线圈的磁场相互作用，从而使电机转动。
2. 步进角度：步进电机的转动一般是围绕其轴心以一定的步进角度进行的。
这个步进角度是由电机的结构和驱动信号决定的。
常见的步进角度有1.8度、0.9度、0.72度等。
通过适当的电
流驱动和控制信号，可以实现电机按照这些角度进行准确的转动。
3. 控制信号：步进电机一般需要外部的电流驱动器或控制器来提供适当的电流和控制信号。
这些控制信号通常是脉冲信号，通过改变脉冲的频率、宽度和方向，可以控制电机的转动速度和方向。
4. 开环控制：步进电机的控制通常是开环控制，即没有反馈回路来监测电机的实际位置和速度。
控制信号是基于预先设定的脉冲数目和频率来驱动电机的。
因此，步进电机在运行过程中可能存在累积误差，特别是在高速运动或长时间运行的情况下。
总而言之，步进电机的驱动原理是通过控制电流、改变磁场以及控制信号的脉冲，实现电机按照设定的步进角度进行准确转动的过程。
步进电机及驱动器原理知识【知识讲解】课件
应用案例二：机器人
机器人是另一个重要的应用领域。步进电机驱动器通 常用于控制机器人的关节运动，如机械臂、腿部等部位。
在机器人中，步进电机驱动器通过控制脉冲信号的频率 和数量，可以精确控制机器人的运动速度和位置。同时， 步进电机驱动器还具有体积小、重量轻、可靠性高等优 点，因此在机器人领域得到了广泛应用。
合适的驱动器。
驱动器的应用实例
要点一
驱动器的应用实例
步进电机驱动器广泛应用于各种自动化设备中，如数控机 床、机器人、打印机等。
要点二
应用实例解析
以数控机床为例，通过使用步进电机驱动器，可以实现高 精度的加工和准确的定位控制，从而提高加工效率和产品 质量。
03
步进电机驱动器的应用领域与案例分析
应用领域
工作原理
步进电机内部通常由一组带有线圈的转子组成。当线圈接收到一个脉冲信号时，会旋转一个角度，从而带动转子 旋转相应的角度。
步进电机的特点与分类
特点
步进电机具有高精度、高分辨率、高可靠性、低噪声等优点，同时也可以适应高频率的脉冲控制。
分类
根据结构和工作原理的不同，步进电机可分为永磁式、反应式和混合式等多种类型。
设计实例与注意事项
实例1
01 某款步进电机驱动器的设计，采用ULN2003芯片，
实现电机正反转和调速功能。
注意事项1
02 在设计过程中，需要考虑输入电源的稳定性以及过流、
过压等保护措施。
注意事项2
03
在调试过程中，需要观察驱动器的输出波形和电机运
行状态，确保正常运行。
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步进电机及驱动器原理知识课 件
CONTENTS
• 步进电机原理及特点 • 步进电机驱动器 • 步进电机驱动器的应用领域与
步进电机及驱动器原理知识【知识讲解】课件
步进电机在医疗设备领域的应用逐渐增多，如手 术机器人、诊断设备和康复设备等。
智能家居
步进电机在智能家居领域的应用也日益广泛，如 智能门锁、智能窗帘和智能照明等。
无人机和机器人
步进电机在无人机和机器人领域的应用也取得了 重要进展，如飞行控制系统和机械臂等。
对未来发展的展望
1 2 3
创新驱动 未来步进电机的技术发展将更加依赖于创新驱动， 包括新材料、新工艺和新技术的应用。
在机器人领域的应用
关节驱动
步进电机常用于机器人的 关节驱动，实现机器人的 各种复杂动作和姿态。
移动机构
步进电机可以驱动机器人 的移动机构，实现机器人 在各种地形和环境中的稳 定行走。
操控手部
步进电机可以用于机器人 的手部操作，实现抓取、 搬运和操作等动作的精确 控制。
在其他领域的应用
医疗器械
航空航天
查并紧固相关部件。
过热或冒烟
可能是由于电机过载、电源电 压过高或驱动器故障，需要检 查电机负载、电源电压和驱动 器状态。
噪声或异响
可能是由于轴承磨损、齿轮损 坏或其他机械故障，需要检查 并更换相关部件。
不通电或无响应
可能是由于电源故障、接线不 良或驱动器故障，需要检查电
源、接线和驱动器状态。
05
步进电机发展趋势
驱动器的选择
根据电机类型选择
不同类型的步进电机需要选择相 应的驱动器，例如直流步进电机 需要选择直流步进电机驱动器， 交流步进电机需要选择交流步进
电机驱动器。
根据控制系统选择
不同的控制系统需要选择相应的 驱动器，例如PLC控制系统需要 选择与PLC控制系统兼容的驱动
器。
根据性能要求选择
步进电机控制技术解读
四、反应式步进电机的特性
动态稳定区：(-π+θse)<θ<(π+θse) a点与OA点之间的夹角θr称为稳定裕度(或裕量角)。裕量
角越大，电动机运行越稳定。
r se
2 Zr (mC 2) mZ r C mC
由上式可见，C=1时，反应式步进电动机的相数最少为3。 电动机的相数越多，步距角越小，相应的稳定裕度越大，运
三、小步距角的步进电机
（2）A 相断电、B 相通电后，转子只需转过1/3个齿（
3），使 B 相转子、定子对齐。 同理，C 相通电再转3 ……
若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，转子 只转 1.5 。
步进电机的转动方向仍由通电顺序决定。
三、小步距角的步进电机
反应式步进电机的转子齿数Zr基本上是由步距角的要求决 定的。
转子形成闭合回路。若转子和磁 A
B' 1
场轴线方向原有一定角度，则在 C'
2
磁场的作用下，转子被磁化，吸 引转子，使转子的位置力图使通 电相磁路的磁阻最小，使转、定
4
C
3 A'
B
子的齿对齐停止转动。
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。
二、步进电机工作方式
A
B'
A
C'
B
A'
B'
C' B
A'
C
C
为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子 40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。
三、小步距角的步进电机
转子的齿距等于360/40=9 ，齿宽、齿槽各4.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽 和齿槽和转子相同。
步进电机与驱动器工作原理
步进电机与驱动器工作原理
步进电机是一种可以将电脉冲信号转换为角位移的电动机。
其工作原理基于电磁感应的原理，包括了转子、定子和电磁线圈。
步进电机的转子通常是圆形，并包含有多个永磁体，被称为极。
定子通常由电磁线圈构成，线圈被排列成一定的几何形状，可以是单相（两个线圈）或多相（多个线圈）。
当从电源中提供适当的电流到定子线圈时，线圈会产生磁场。
步进电机的工作通过改变线圈中的电流来实现。
当电流通过一个定子线圈时，产生的磁场将吸引转子靠近该线圈的磁极。
然后，电流在另一个定子线圈上开启，而前一个线圈则关闭。
这种轮流切换的过程会导致转子在一个方向上旋转一定的角度。
为了更精确地控制步进电机的角位移，通常使用驱动器来提供适当的电流和脉冲信号。
驱动器通过控制电流的大小和方向，以及相应的脉冲信号来实现步进电机的精确运动。
总的来说，步进电机的工作原理是基于电磁感应，通过改变电流和磁场的组合来实现转子的角位移。
驱动器则负责控制电流和提供脉冲信号，以实现步进电机的精确控制。
步进电机及其控制讲义
步进电机及其控制【实验目的】熟悉步进电机的结构和驱动方式掌握用AT89S52来控制步进电机的方法进一步熟悉EDA实验平台【实验器材】EDA实验箱、PC机、DB25-ISP下载线、USB转换线、USB-BLASTER编程器等软件：Quatus II 、Keil uVision2、ISPlay等【实验原理】步进电机(stepping motor)是一种以脉冲控制的转动设备，由于是以脉冲驱动，很适合以数字或微型计算机来控制，做一又把它当成是一种数字设备。
1、步进电机的结构：步进电机与一般电机结构类似，除了托架、外壳之外，就是转子和定子，比较特殊的是其转子与定子上有许多细小的齿，如图1所示。
转子为永久磁铁，线圈绕在定子上。
根据项圈的配置，步进电机可以分为2相、4相、5相等，如图2所示。
比较常用的是2相的步进电机。
其中包括两组具有中间抽头的线圈，A、com1、A为一组，B、com2、B为另一组。
两相5线式步进电机就是将其中的com1和com2连接。
图1：步进电机的基本结构图2：步进电机的种类2、步进电机步进角度的计算顾名思义，步进电机就是一步步走的电机，其转子与定子的齿，决定了其每布的间距。
如图3所示。
图3：步进电机的齿间距若转子上有N 个齿，则其齿间距θ为：N360︒==转子齿间距θ而步进角度δ为：P22θδ=⨯=相数转子齿间距以常用的2相式50齿步进电机为例，θ=360°/50=7.2°δ=7.2°/(2×2)=1.8°3、步进电机的驱动:步进电机的驱动是靠定子线圈激磁后，将邻近转子上相异磁极吸引过来实现的。
因此，线圈排列的顺序，以及激磁信号的顺序就很重要。
以2相式步进电机为例，其驱动信号有1相驱动、2相驱动和1-2相驱动三种。
图4：步进电机的驱动方式：1相驱动、2相驱动和1-2相驱动。
（1）、1相驱动：任何一个时间，只有一组线圈被激磁，其他线圈在休息，因此产生的力矩较小，但这种激磁方式最简单，信号依次为：1000-0100-0010-0001-1000……（正转）0001-0010-0100-1000-0001……（反转）有四种不同的信号呈现周期性的变化。
《2024年步进电机驱动控制技术及其应用设计研究》范文
《步进电机驱动控制技术及其应用设计研究》篇一一、引言步进电机是一种通过输入脉冲序列来驱动转动的电机，其运动方式为离散化的步进动作。
步进电机广泛应用于精密定位、速度控制以及数字化系统等场景。
本文将针对步进电机驱动控制技术及其应用设计进行研究，深入探讨其原理、特点以及在各个领域的应用。
二、步进电机驱动控制技术原理步进电机主要由定子、转子和驱动器三部分组成。
定子上有多个磁极，转子则由多个磁性材料制成的齿组成。
驱动器根据输入的脉冲序列，控制定子上的电流变化，从而产生旋转磁场，使转子按照一定的方向和角度进行转动。
步进电机驱动控制技术主要包括以下几种：1. 恒流驱动技术：通过恒流源对步进电机进行驱动，保证电机在不同负载和转速下均能保持稳定的运行状态。
2. 微步技术：通过精细控制驱动器的脉冲序列，使步进电机在每个方向上实现微小角度的转动，从而提高电机的定位精度和运行平稳性。
3. 环形分布电流技术：通过对定子上的磁极进行环形分布电流的控制，实现对步进电机的持续运动控制，使得步进电机的转动更为流畅和准确。
三、步进电机驱动控制技术的应用设计步进电机驱动控制技术在各个领域有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 精密定位系统：步进电机的高精度定位能力使得其在精密定位系统中得到广泛应用，如数控机床、精密测量仪器等。
通过微步技术和环形分布电流技术的应用，可以实现高精度的定位和运动控制。
2. 速度控制系统：步进电机在速度控制系统中也有着重要的应用，如打印机、电动阀等。
通过调整脉冲序列的频率和占空比，可以实现对电机转速的精确控制。
3. 数字化系统：步进电机在数字化系统中也有着广泛的应用，如数字标牌、机器人等。
通过将步进电机的运动与数字信号进行映射，可以实现数字化的运动控制和显示功能。
四、应用设计实例分析以数控机床为例，分析步进电机驱动控制技术的应用设计。
数控机床是一种高精度的加工设备，其运动控制系统对加工精度和效率具有重要影响。
步进电机及驱动器原理知识重点讲解
③ 对变压器降压，然后整流、滤波得到的直流电源，其滤波电 容的容量可按以下工程经验公式选取：C=（8000 X I）/ V（uF） I为绕组电流（A）；V为直流电源电压（V）
• 转动惯量计算
物体的转动惯量为：
式中：dV为体积元，为
J r2dV
物体密度，r为体积元与转轴的距离。单位：kgm2
步进电机及驱动器原理知识重点讲解
将负载质量换算到电机输出轴上转动惯量，常见传动机构与公式如下：
步进电机及驱动器原理知识重点讲解
② 加速度计算
控制系统要定位准
确，物体运动必须
有加减速过程，如
(伺服电机一般取加速时间为：0.05~0.5秒) 则加减速时间共为0.2 S，且加减速过程的平均速度为最大速度的一
半。
步进电机及驱动器原理知识重点讲解
故有：L ＝ 0.2 Vmax / 2 ＋ 1.8 Vmax ＝ 0.4 m 得： Vmax ＝ 0.4 / （ 0.2 / 2 ＋ 1.8 ）＝ 0.211 m/s 所以，加速度为：aV0.210 12.1m 1 2/s
频率关系的曲线 。
步进电机及驱动器原理知识重点讲解
7. 步进电机的特点 ① 一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积； ② 步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点； ③ 步进电机的力矩会随转速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+I*R）
矩频特性曲线
步进电机及驱动器原理知识重点讲解
的力矩。
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选择，转速可以在相当宽的范围内平滑调整。即使同一台 步进电机，采用不同的脉冲输入方式，也可得到不同的步 距角。 • 5．在小步距角情况下，可以在很低速度下稳定运行，往 往可以不经减速器直接驱动负载。
• 尽管步进电机具备有上述优点，但也存在一些不足：运动 增量和步距角固定，步进分辨率缺乏灵活性；单步响应时 有过冲量和震荡；承受大惯性负载能力差；控制线路复杂， 成本高。
1
0
0
C
04H
1
0
1
CA
05H
旋转方 向
（二）功放电路
• 1.单电压驱动
• 单电压驱动方式结构简单，但工作性 能较差，在高频工作状态时效率尤其 差，在实际应用中较少，一般只用于 对速度要求不高的小功率步进电机驱 动。
• 除上述功能外，环形分配器还应有较强的抗干扰能力， 不允许有非法状态的出现。
• 环形分配器的构成方式有多种，归纳起来， 通常可分为采用通用逻辑芯片构成的环形 分配器、环形分配器专用集成芯片、采用 EPROM构成的环形分配器、采用可编程逻 辑芯片构成的环形分配器以及由控制计算 机自身通过软件直接产生励磁顺序的软件 分配器。下面重点介绍广泛应用的环形分 配器专用集成芯片和软件分配器。
• 绕组的相数、转子的齿数和通电方式决定
了步距角 的大小，它们之间的关系可用下
式表示：
360
mzk
式中 m—电机绕组相数； z—转子齿数； k—通电状态系数，k=拍数/相数， 如三相三拍k = 1,三相六拍k = 2；五相十拍k = 2。
• （四）步进电机主要性能指标
• 步进电机的主要性能指标有以下几项：
从而实现转动一角度。(错齿原理）
• 每次只有一相绕组通电，叫三相单三拍工 作方式。A—B—C。（反向A—C—B）
• 三相六拍控制方式，即通电顺序按A—AB— B—BC—C—CA—A……进行。（反向A—AC— C—CB—B—BA—A)
• 双三拍控制方式，即通电顺序按AB—BC— CA—AB……进行.（反向AB—AC—CB—AB)
启示动。频率fQ随负载转矩T变化的特性。如图6—6中曲线1所
• 8.运行矩频特性 在一定的负载惯量下，运行频率fL与负载 转矩T之间的关系。如图曲线2所示。
• 9.启动惯频特性 负载力矩一定时，启动频率fQ与负载惯性J 之间的关系。。
• 10.静态步距角误差 实际的步距角与理论的步距角之间的 差值，一般在空载情况下测量。
二、步进电机驱动电源
• 步进电机的运行性能，除了与电机本身的 性能有关外，在很大程度上取决于驱动电 源性能的优劣.
（一）环形分配器
• 步进电动机在一个脉冲的作用下，转过一 个相应的步距角，因而只要控制一定的脉 冲数和脉冲频率，即可精确控制步进电动 机相应的转动角度和速度。但步进电动机 的各绕组必须照一定的顺序通电才能正确 工作。
第二节 步进电机及驱动控制
• 一、步进电机 • 步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移
或直线位移的电磁机械装置。每当对其施加一个电 脉冲时，其输出轴便转过一个固定的角度，称为一 步，当供给连续电脉冲时就能一步一步地连续转动， 这种电机的运行方式与普通匀速旋转的电机有一定 的差别，是步进式运动，因此命名为步进电机。 • 步进电机的位移量与输入脉冲数严格成正比，与数 字系统配套时，体现出更大的优越性
• 使电动机绕组的通电顺序按电机运行 规定规律而循环变化的电路称为脉冲 分配器，又称环形分配器。
• 接受时钟脉冲和方向电平，输出各相的导通信号，是环 形分配器的基本功能。电机有正反转要求，因此要求环 形分配器的输出既是周期性又是可逆的。通常环形分配 器还有一些附加功能，主要有：
• 使能输入 电平信号控制。使能有效时，允许钟脉冲和 其他信号的接受，环形分配器输出绕组励磁状态顺序表； 否则，禁止输入信号起作用，环形分配器维持原输出状 态。
• 1.步距角 ,每输入一个电脉冲信号转子应转过角度的理论
值。 • 2性.最上大的静转转矩矩最T大ima值x ,。步通进常电技机术在数规据定中的给通定电的相最数大下静，转距矩角是特
指每相绕组通上额定电流值所得的值。 • 3额.额定定电电流流。Ie , 电机不动时每一相绕组允许通过的电流定为 • 4.额定电压Ue , 电动机各相绕组允许施加的最高电压。 • 5和.启停动转频的率最f高Q ,频又率称。突它变分频为率空，载指启步动进频电率机和能负够载不启失动步频启率动。 • 6不.运失行步频所率能f达L , 到步的进最电高机频启率动。后，脉冲频率连续上升时保证 • 7.启动矩频特性 在给定驱动条件下，负载惯量J一定时，
• 步进电机每步转过的角度叫做步距角。
• （一）步进电机的特点 • 1.步进电机的工作状态不易受各种干扰因素（如电压波动、
负载变化、环境条件等）的影响，仅与控制脉冲有关。 • 2．控制性能好，能快速启动、制动和反转，无稳定问题，
且有自锁能力。 • 3．位移与输入脉冲数相对应，输出转角的精度高，虽有
（二）步进电机的分类
• 根据其转子结构通常可分为三种类型，即 反应式(VR) 、永磁式(PM) 和混合式(HB)
（三）步进电机的工作原理
• 步进电机的工作原理， 类似于电磁铁作用原理。 当某相绕组通电时， 定子产生磁场，并与 转子形成磁路，如果 这时定子齿与转子齿 没有对齐，则由于磁 力线力图走磁阻最小 的路线，而带动转子 转动，使定子齿与转子齿对齐，
• 1.环形分配器专用集成芯片
• 典型芯片如日本三洋公司的PMM8713、PMM8723、上海 华岭公司的CH250、CH224等。
• 2. 软件分配器
节拍 序号
1
2
3
4
5
6
三相六拍脉冲分配控制数据表
P12
P11
P10
通电 控制
相 数据
0
0
1
A
01H
0
1
1
AB
ห้องสมุดไป่ตู้03H
0
1
0
B
02H
1
1
0
BC
06H
• 零状态输出 脉冲输出信号。零状态即初始状态，对应 一种励磁方式，一般指状态转换表中第一种状态。
• 清零输人 脉冲信号控制。使环形分配器的输出置为零 状态。
• 方式输入 电平信号控制。一种步进电机可能有多种励 磁方式，如三相反应式步进电机有整步和半步工作方式。 方式输入就是对各种励磁方式的选择信号。