步进电机驱动及控制技术解答
步进电机控制方法及编程实例
步进电机控制方法及编程实例
步进电机在现代自动化控制系统中广泛应用，其精准的位置控制和相对简单的驱动方式使其成为许多工业和家用设备中的理想选择。
本文将介绍步进电机的控制方法及编程实例，帮助读者更好地理解和应用这一技术。
步进电机的基本原理
步进电机是一种将电能转换为机械能的电机，其运行原理基于磁场相互作用。
步进电机内部包含多个电磁线圈，根据电流方向和大小的不同来控制转子的运动。
通过逐个激活线圈，可以实现步进电机的准确位置控制，使其能够按照指定的步长旋转。
步进电机的控制方法
1.单相激励控制：最简单的步进电机控制方式之一。
通过依次激活每一相的线圈，
使电机按照固定步长旋转。
这种方法控制简单，但稳定性较差。
2.双相正交控制：采用两相电流的正交控制方式，提高了步进电机的稳定性和精
度。
可以实现正向和反向旋转，常用于对位置要求较高的应用场景。
3.微步进控制：将步进电机每个步进细分为多个微步进，以提高控制精度和减小振
动。
虽然增加了控制复杂度，但可以获得更平滑的运动和更高的分辨率。
步进电机的编程实例
下面以Python语言为例，演示如何通过控制步进电机的相序来实现简单的旋转控制。
通过以上代码，可以实现对步进电机的简单控制，按照设定的相序进行旋转，实现基本的位置控制功能。
结语
步进电机是一种常用的精准位置控制设备，掌握其控制方法和编程技巧对于工程师和爱好者来说都是有益的。
希望本文介绍的步进电机控制方法及编程实例能够帮助读者更好地理解和应用这一技术。
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。
谢谢您的聆听
THANKS
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
步进电动机驱动和控制专业技术
步进电动机的驱动和控制技术步进电动机的驱动和控制技术步进电动机与交直流电动机不同之处是，仅仅接上供电电源它是不会运行的，图11.29表示步进电动机的驱动和控制系统的基本组成。
该系统包括步进电动机、脉冲发生器、脉冲分配器、功率放大器以及直流功率电源等五个部分。
较复杂的驱动控制系统带有位置反馈的环节，组成闭环系统。
脉冲发生器和脉冲分配器脉冲发生器是产生步进电动机角位移或速度的控制脉冲电路。
步进电动机运行的转角或转速由脉冲发生器的脉冲频率(Hz或脉冲/s)所确定。
步进电动机的转角正比于输入的脉冲数，对应于脉冲信号数量，它是频率和时间的乘积。
例如一个步距角为1.8。
的步进电动机要旋转90°，则根据1.8×N=90，得到脉冲信号数量N＝50。
θ=Nθ0式中θ-转角(°)；N-脉冲个数；θ0-步距角（°/步）。
步进电动机的步距角是由其设计结构决定的，在以一般方式运行时，步进电动机的转角只能是步距角的整数倍，因此在设计步进电动机驱动系统时，必须考虑其步距角。
由硬件制作的脉冲发生器电路不胜枚举，学过数字电路的读者应该比较熟悉。
在当前微处理器大量渗透传动技术的形势下，利用微处理器的软硬件资源实现脉冲发生器的功能也是很容易的，在第12章中将对此有所介绍。
脉冲分配器是时序逻辑电路的一种，它接受脉冲发生器的控制脉冲信号，输出按一定时序排列的多路电平信号。
通常电机的脉冲分配器为环形分配器，即时序按环形移位封闭排列。
脉冲分配器的工作方式是与步进电动机的相数、拍数、运行状态、正反转等要求有关。
脉冲分配器可以由分立元件组成数字电路，但较复杂、可靠性差。
目前，脉冲分配器大多采用专用集成电路来组成，以完成各种脉冲分配方式。
PMM8713是一个16引脚的专门用于步进电机脉冲分配的集成电路芯片，具有把时钟脉冲分配给三相或四相绕组的功能，其原理图见图11.30。
它有六种脉冲分配方式可供选择（三相三种，四相三种）。
步进电机驱动及控制专业技术解答
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：可以看出，细分数就是指电机运行时的真正步距角是固有步距角(整步）的几分指一。
例如，驱动器工作在10细分状态时，其步距角只有步进电机固有步距角的十分之一。
当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，步进电机旋转1.8°；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18°。
步进电机驱动器及细分控制原理
步进电机驱动器及细分控制原理引言：步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械转动的电动机。
步进电机驱动器是一种用于控制步进电机旋转的设备。
步进电机可以通过控制驱动器提供的电流和脉冲信号来精确地控制旋转角度和速度。
本文将介绍步进电机驱动器的工作原理以及细分控制的原理。
一、步进电机驱动器的工作原理：1.输入电流转换：驱动器将输入的电流信号转换为电压信号。
电流信号通常由控制器产生，通过选择合适的电阻来控制输入电流的大小。
2.逻辑控制：驱动器还会接收来自控制器的脉冲信号。
这些脉冲信号会相互间隔地改变驱动器输出的电压，从而驱动步进电机旋转。
脉冲信号的频率和脉冲数量会影响步进电机的转速和旋转角度。
3.输出电压控制：驱动器会根据输入的电流和脉冲信号控制输出的电压，使其适应步进电机的工作要求。
输出电压的频率和脉冲数有助于控制步进电机旋转的速度和角度。
二、细分控制原理：细分控制是指通过控制驱动器输出的电压脉冲信号来实现更精确的步进电机控制。
细分控制可以将步进电机的每个脉冲细分成更小的步进角度，从而提高步进电机的转动分辨率。
1.脉冲信号细分：通过改变驱动器的输出脉冲信号频率和脉冲数来实现脉冲信号的细分。
例如，如果驱动器输入100个脉冲，但只输出50个脉冲给步进电机，那么每个输入的脉冲就会分为两个输出脉冲，步进电机的旋转角度将更精确。
2.电流细分：通过改变驱动器输出的电流大小来实现电流的细分。
通常情况下，驱动器的输出电流会根据步进电机的转动需要进行控制。
细分控制可以使驱动器能够实现更精确的电流控制，进而控制步进电机的转动精度。
3.微步细分：微步细分是一种更高级的细分控制方法，通过改变驱动器输出的电压波形进行微步细分。
微步细分将步进电机的每个步进角度再次细分为更小的角度，进一步提高了步进电机的转动分辨率和平滑性。
总结：步进电机驱动器是通过将控制器产生的电流和脉冲信号转换为驱动步进电机的电压信号的设备。
细分控制是通过改变驱动器输出的电流和脉冲信号来实现更精确的步进电机控制。
第二节步进电机及驱动控制解析
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：
步进电动机的控制
αmin—负载轴要求的最小位移增量（即每个脉冲对应的最小角位 移增量）
➢步距脚θb也可用分辨率bs来表示：bs=360°/ θb（步/转）
➢ 当步进电机拖动的机械作直线运动时，用丝杠作运动转换器，步进电 t/ t
δ—直线增量运动当量（mm/每步）
360 tb z
因为每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，各相绕
组轮流通电一次，转子就转过一个齿距。故步距角：
b
齿距 拍数
齿距 Km
360 Kmz
K--定子绕组通电方式系数。相邻两次通电的相数一样，取K=l，如三 相单三拍、三相双三拍工作方式；反之，取K=2，如三相单双六拍工作方 式。（拍数/相数）
步距精度Δθb应满足: b i(L )
ΔθL—丝杠传动精度
2）最大静转矩
步进电动机的静特性，是指步进电动机在稳定状态（即步进电动机不改 变通电情况的运行状态）时的特性，包括静转矩、矩角特性及静态稳定区。
静转矩：指步进电动机处于稳定状态下的电磁转矩。它是绕组电流和失 调角的函数。
在稳定状态下，如果在转子轴上加一负载转矩使转子转过一个角度θ， 并能稳定下来，这时转子受到的电磁转矩与负载转矩相等，该电磁转矩即 为静转矩，而角度θ即为失调角（或：电机定子齿与转子齿中心线之间的 夹角叫做失调角）。
（一）反应式步进电机的结构
1.单段（径向式）三相反应式步进电机的结构原理图
主要由定子和转子两部分组成。
• 定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子上有六 个均匀分布的极，每两个为一对。定子绕 组是绕置在定子上的六个均匀分布铁芯齿 上的线圈，它把沿直径方向上相对的两个 齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕 组。图中所示的步进电机为A、B、C三相 控制绕组，故称为三相步进电机。当任一 相绕组通电时，便形成一对定子磁极，即 形成N、S极。 在定子的每个磁极上，即定子铁芯的每 个齿上又开了五个小齿，齿槽等宽，齿间 夹角为9°，在空间位置上依次错开1/3齿 距其展开图如图所示。
机械电子学-第6章 步进电动机的驱动与控制
认识步进电动机
功能 • 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 • 转角 ∝脉冲信号的个数； • 转速 ∝脉冲信号的频率。 • 转向取决于脉冲信号的相序
f
相
f N
通电脉冲频率 拍数
步进电动机的特点
2) 步距角
步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。
S
360 ZrN
N:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数
如：Zr=40 ,
N=3 时
S
360 40 3
3
1 单拍制
拍数：N=km m:相数 k=
整步
2 双拍制
半步
步距角不受各种干扰因素的影响。
步进电动机的特点
2) 步距角
步进电动机的特点
3) 转速
每输入一个脉冲，电机转过
S
360 ZrN
即转过整个圆周的1/(ZrN）, 也就是1/(ZrN）转
因此每分钟转过的圆周数，即转速为
n
60f ZrN
60f 360 360Z r N
s f
6
(r / min)
步进电动机的特点
4)误差不长期积累。 5）可实现数字信号的开环控制，控制系统廉价。 6）步进电机具有自锁能力
齿距角 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。
工作原理：假设是单三拍通电工作方式。
（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含
120/9 = 13 1 齿 3
A 相和 C 相差240，含240/ 9 =26 2个齿。所以， A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，3B 相、C 相不能 对齐，B相的转子、定子相差 1/3 个齿（3），C相的 转子、定子相差2/3个齿（6）。
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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
0.9°/1.8°82细分，
即半步状
态
0.9°
0.9°/1.8°20
5细分状
态
0.36°
0.9°/1.8°40
10细分
状态
0.18°
0.9°/1.8°80
20细分
状态
0.09°
0.9°/1.8°160
40细分
状态
0.045°
可用看出，细分数就是指电机运行时的真正步距角是固有步距角(整步）的几分指一。
例如，驱动器工作在10细分状态时，其步距角只有步进电机固有步距角的十分之一。
当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，步进电机旋转1.8°；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18°。
其实，细分就是步进电机按照微小的步距角旋转，也就是常说的微步距控制。
当然，不同的场合，有不同的控制要求。
并不是说，驱动步进电机必须要求细分。
有些步进电机的步距角设计为3.6°、7.5°、15°、36°、180°，就是为了加大步距角，以适应特殊的工况条件。
细分功能，只是是由驱动器采用精确控制步进电机的相电流方法，与步进电机的步距角无关，而与步进电机实际工作状态相关。
运行拍数与驱动器细分的关系是：运行拍数指步进电机运行时每转一个齿距所需的脉冲数。
例如：110BYG250A电机有50个齿，如果运行拍数设置为160，那么步进电机旋转一圈总共需要50×160＝8000步；对应步距角为360°÷8000＝0.045°。
这
就是驱动器设置为40细分状态。
对于用户来说，没有必要去计算几步几拍，这是生产厂家配套的事情。
用户只要知道：控制系统所发出的脉冲率数，除以细分数，就是步进电机整步运行的脉冲数。
例如：步进电机的步距角为1.8°时，每秒钟200个脉冲，步进电机就能够在一秒钟内旋转一圈；当驱动器设置为40细分状态，步进电机每秒钟旋转一圈的脉冲数，就要给到8000个。
3.驱动器细分有什么好处？
步进电机驱动器采用细分功能，能够消除步进电机的低频共振（震荡）现象，减少振动，降低工作噪音。
随着驱动器技术的不断提高，当今，步进电机在低速工作时的噪音已经与直流电机相差无几。
低频共振是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，只有采用驱动器细分的办法，才能减轻或消除。
利用细分方法，又能够提高步进电机的输出转矩。
驱动器在细分状态下，提供给步进电机的电流显得“持续、强劲”，极大地减少步进电机旋转时的反向电动势。
驱动器的细分功能，改善了步进电机工作的旋转位移分辨率。
因此，步进电机的步距角，就没有必要做得更小。
选择现有的常规标准步距角的步进电机，配置40细分以下的驱动器，就能够完成精密控制任务。
由于步进电机步距角的原因，驱动器的细分数再加大，已经没有实际意义。
通常，选择5、8、10、20细分，就能够适应各种工控要求。
5．四相六根和八根线的，如何使用两相四线驱动器？
四相混合式步进电机，可以认为是二相混合式步进电机。
多组线圈多个抽头，是为了适应不同工控条件而设计的。
由于步进电机的线圈，与转速、转矩有着密切的关系。
高速与低速工作的步进电机参数有所不同。
通常，高速步进电机的电感要求小
一点，低速工作时要求大一点的电感量。
但是，这也不是绝对的。
更多的实际应用，还考虑权衡其它众多相关因素。
下面就几种步进电机的线圈绕组及出线，采用双极性驱动器，说明接线方法：
两相四线电机：1和2为一相，分别接A和/A；3和4为一相，分别接B和/B。
参考下图：
四相六线电机，两种方法接线：
一、1和2为一相，分别接A和/A；5和6为一相，分别接B和/B。
3和4不用，分别悬空（不要相连）。
二、1、3为一相，定义A、/A；4、6为一相，定义为B、/B。
2和5分别悬空不用（不要相连）。
参考下图：
四相八线电机，有两种接法。
并联接法：1和3相连，2和4相连，分别接A和/A；5和7相连，6和8相连，
分别接B和/B。
串联接法：1和4为一相，分别接A和/A；2、3连接好不用；5、8为一相，分别接B、/B，6、7连接好不用。