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铮俞
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1 AN V1.00 Date: 2014/02/25 应用笔记类别关键词摘要内容步进电机本文档介绍步进电机及其驱动的基本原理广州周立功单片机科技有限公司

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3 目录 1. 步进电机的工作原理步进电机的单极性驱动单极性驱动的原理单极性驱动电路单极性驱动程序步进电机的双极性驱动双极性驱动的原理双极性驱动电路双极性驱动程序细分驱动的简介免责声明

4 1. 步进电机的工作原理步进电机是典型的数字控制电机, 具有速度和位置控制简单的优点步进电机能将电脉冲信号转变成角位移, 即驱动器每给一个脉冲信号, 它就转动一个固定的角度, 脉冲给得越快, 转得越快, 脉冲给得越多, 转得越多步进电机可分为三大类 : 反应式步进电机永磁式步进电机和混合式步进电机不管那一种电机, 都可以等效成图 1.1 的结构, 定子可以等效成 A B C 和 D 四个线圈绕组, 转子可以等效成一对南北极 (S/N) 的磁铁定子的接线方式一般如图 1.2 所示, A2 和 C2 B2 和 D2 分别连在一起, 所以有 A1 A2/C2 C1 B1 B2/D2 和 D1 等 6 跟输出线因为在电气连接上有 A/C B/D 两组互不接触的线圈绕组, 所以称作两相式步进电机, 后面所提到的步进电机都是指两相式步进电机工作时, 只要给 A B C 和 D 图 1.1 步进电机的等效结构图四个线圈通上合适的电流, 转子就会在磁力的吸引下转动根据通电方式, 步进电机的驱动分为 : 单极性驱动和双极性驱动两大类, 单极性驱动的电路简单, 但转矩小, 双极性驱动的转矩大, 但电路复杂图 1.2 两相式步进电机的引线图 1

5 2. 步进电机的单极性驱动 2.1 单极性驱动的原理单极性驱动分为整步驱动和半步驱动两大类, 图 2.1 是单极性整步驱动的工作原理图, 首先如图 2.1(a) 所示, 给 A 线圈通上从 A2 到 A1 的电流,A 线圈产生上南 (S) 下北 (N) 的磁极, 转子的南极 (S) 被吸引到 A 线圈的下方 ; 接着如图 2.1(b) 所示, 给 B 线圈通上从 B2 到 B1 的电流, 转子的南极被吸引到 B 线圈的左边 ; 然后如图 2.1(c) 所示, 给 C 线圈通上从 C2 到 C1 的电流, 转子的南极被吸引到 C 线圈的上方 ; 最后如图 2.1(d) 所示, 给 D 线圈通上从 D2 到 D1 的电流, 转子的南极被吸引到 D 线圈的右方这样在 A->B->C->D 的通电顺序下, 转子将分 4 步顺时针旋转, 如果通电顺序改成 D->C->B->A, 转子将逆时针旋转在这个过程中, 每个线圈的电流方向固定从 2 到 1, 例如从 A2 到 A1, 所以称作单极性驱动 ; 转子从一个线圈一步到位地转到另一个线圈, 每一步转过的角度是 90, 所以称作整步驱动 ; 在任意时刻, 只给一个线圈通电, 其他三个线圈都没有被通电, 单极性整步驱动比后面介绍的双极性整步驱动的转矩要小图 2.1 单极性整步驱动单极性半步驱动的方式如图 2.2 所示, 它和图 2.1 所示的整步驱动相比, 在两个整步之间插入了一个半步, 例如图 2.2(b) 所示, 给 A B 线圈同时通电, 电流方向分别从 A2 到 A1 和 B2 到 B1,A B 线圈在靠近转子的一端, 同时形成磁力相等的北极 (N), 转子的南极 (S) 在磁力的平衡作用下, 停在 A 和 B 的正中央这样在 A->AB->B->BC->C->CD->D->DA 的通电顺序下, 转子将分 8 步顺时针旋转, 如果通电顺序改成 DA->D->CD->C->BC->B->AB->A, 转子将逆时针旋 2

6 转在这个过程中, 每个线圈的电流方向也是固定从 2 到 1, 所以也称作单极性驱动 ; 转子每次只走半步 45, 所以称作半步驱动 ; 和整步驱动相比, 半步驱动把一整步分成两个半步来跑, 电机转起来会更顺畅图 2.2 单极性半步驱动 3

在驱动过程中, 为了让转子的机械速度能够跟上定子的通电速度, 每驱动一步, 都要延时一段时间才能驱动下一步, 例如在半步驱动中, 首先给 A 线圈通电, 接着延时一段时间, 等转子转到 A 线圈处, 然后同时给 A B 线圈通电, 再延时一段时间, 等转子转到 A B 线圈的中央, 如此类推, 改变延时的时间, 即可改变速度如果延时时间太短, 转子还没有转到位, 就开始驱动下一步,

7 在驱动过程中, 为了让转子的机械速度能够跟上定子的通电速度, 每驱动一步, 都要延时一段时间才能驱动下一步, 例如在半步驱动中, 首先给 A 线圈通电, 接着延时一段时间, 等转子转到 A 线圈处, 然后同时给 A B 线圈通电, 再延时一段时间, 等转子转到 A B 线圈的中央, 如此类推, 改变延时的时间, 即可改变速度如果延时时间太短, 转子还没有转到位, 就开始驱动下一步, 那么转子就会出现失步震荡的情况步进电机在启动时, 如果目标速度较高, 必须有加速过程, 即延时时间要逐步减少, 让电机的速度一步一步地提高到目标速度为止为了简化实验, 下面的程序例子都是以低速运行, 没有加速过程图 2.3 实际步进电机的磁极对于实际使用的步进电机, 为了减少每步的角度, 一般通过增加定子线圈和转子磁铁的数目而实现图 2.3 是永磁式步进电机的等效结构图, 整步从 90 减少到 15, 它的转子含有 6 个磁铁, 定子含有 A-H 等 8 个线圈, 其中 A 和 C E 和 G B 和 D F 和 H 分成 4 组, 每组各自并联在一起, 工作时可以等效成图 1.1, 转子可以等效成一对南北极的磁铁, 定子等效成 4 个线圈绕组, 分析方法相同实验中的步进电机的整步是单极性驱动电路如图 2.4 所示为步进电机的单极性驱动电路此电路和直流电机单方向驱动电路类似, 采用 Q1~Q4 四个三极管分别驱动 A B C 和 D 四个线圈, 三极管导通时, 对应的线圈得到从 2 端到 1 端的电流, 三极管截至时, 线圈通过 D1~D4 四个二极管形成续流, 为了降低工作电流, 线圈分别串接了电阻 R5~R8 图 2.4 步进电机单极性驱动电路图 2.3 单极性驱动程序如程序清单 2.1 所示为步进电机的单极性驱动程序程序清单 2.1(1) 是根据图 2.2 和图 2.4 定义的驱动层宏定义, 包括电机驱动的 I/O 口 4 个整步和 4 个半步的驱动电平程序清单 2.1(2) 是选择整步驱动和半步驱动的宏定义, 大于 0 时,motStepMove() 4

8 函数使用整步驱动的相关代码, 小于等于 0 时, 使用半步驱动的相关代码程序清单 2.1(3) 是驱动表 GucStepTab, 存放程序清单 2.1(1) 定义的 8 步的电平 motstepmove() 函数用于驱动电机, 它有两个输入参数 :lmovesteps 和 uldelaytime, lmovesteps 是有符号数, 表示要转动的步数, 选择整步驱动时, 单位是整步, 选择半步驱动时, 单位是半步, 大于等于 0 表示正转, 小于 0 表示反转,ulDelayTime 是每步的延时时间如程序清单 2.1(4) 所示, 函数首先把 lmovesteps 的绝对值赋给临时变量 ulstepnum, 然后进入 for 循环, 每循环一次, 驱动电机走一个整步或一个半步在 for 循环中, 首先如程序清单 2.1(5), 在驱动 I/O 口中输出一步 ; 接着如程序清单 2.1(6), 调整下一步的指针 GcStepPointer, 如果 lmovesteps 大于等于 0, 则增加 GcStepPointer, 电机将正转, 如果 lmovesteps 小于 0, 则减少 GcStepPointer, 电机将反转, 如果选择编译整步驱动, 那么 GcStepPointer 加 2 或减 2, 并且限定范围在 0~6 之间, 刚好对应驱动表 GucStepTab 中的 4 个整步, 如果选择编译半步驱动, 那么 GcStepPointer 加 1 或减 1, 并且限定范围在 0~7 之间, 对应驱动表 GucStepTab 中的每一步 ; 最后如程序清单 2.1(7), 延时一步的时间, 这里只使用 for 循环作粗略的延时, 如果需要精确延时, 可以改用硬件定时器主函数 main() 进入死循环 for 之后, 首先调用 motstepmove() 函数, 让电机正转 40 步, 接着延时 1s 左右, 然后再调用 motstepmove() 函数, 让电机反转 40 步, 最后延时 2s 左右因为实验采用的步进电机每整步是 18, 所以在整步模式下, 电机将正转 2 圈, 反转 2 圈循环下去, 在半步模式下, 电机将正转 1 圈, 反转 1 圈循环下去程序清单 2.1 步进电机的单极性驱动程序 #include <8051.h> /******************************************************************************************* 驱动层宏定义 (1) *******************************************************************************************/ #define MOT_IO P1 // 使用 P1 口驱动电机 #define MOT_STP0 0xF7 //A 相 : P1.3=0 #define MOT_STP1 0xD7 //A/B 相 :P1.3=P1.5=0 #define MOT_STP2 0xDF //B 相 : P1.5=0 #define MOT_STP3 0xCF //B/C 相 :P1.4=P1.5=0 #define MOT_STP4 0xEF //C 相 : P1.4=0 #define MOT_STP5 0xAF //C/D 相 :P1.4=P1.6=0 #define MOT_STP6 0xBF //D 相 : P1.6=0 #define MOT_STP7 0xB7 //D/A 相 :P1.3=P1.6=0 /******************************************************************************************* 整步和半步选择 (2) *******************************************************************************************/ #define MOT_FULL_STEP_EN 1 //>0 整步, 其他半步 static unsigned char GucStepTab[8] = { //(3) MOT_STP0, MOT_STP1, MOT_STP2, MOT_STP3, MOT_STP4, MOT_STP5, MOT_STP6, MOT_STP7 ; 5

9 static char GcStepPointer = 0; void motstepmove (long lmovesteps, unsigned long uldelaytime) { unsigned long u1stepnum, u1stepcnt, u1delaycnt; if (lmovesteps >= 0) { //(4) u1stepnum = (unsigned long)lmovesteps; else { u1stepnum = (unsigned long)( lmovesteps * (-1) ); for (u1stepcnt = 0; u1stepcnt < u1stepnum; u1stepcnt++) { MOT_IO = GucStepTab[GcStepPointer]; //(5) #if MOT_FULL_STEP_EN > 0 //(6) if (lmovesteps >= 0) { GcStepPointer += 2; else { GcStepPointer -= 2; #else if (GcStepPointer < 0) { GcStepPointer = 6; else if (GcStepPointer > 6){ GcStepPointer = 0; if (lmovesteps >= 0) { GcStepPointer ++; else { GcStepPointer --; #endif if (GcStepPointer < 0) { GcStepPointer = 7; else if (GcStepPointer > 7) { GcStepPointer = 0; for (u1delaycnt = 0; u1delaycnt < uldelaytime; u1delaycnt++) { //(7) 6

10 void main (void) { unsigned long i; for (;;) { motstepmove(40, 500); for (i = 0; i < 20000; i++) { // 正转 40 步, 每步约 25ms // 延时 1s motstepmove(-40, 1000); for(i = 0; i < 20000; i++) { // 反转 40 步, 每步约 50ms // 延时 1s 7

11 3. 步进电机的双极性驱动 3.1 双极性驱动的原理双极性驱动分为整步驱动半步驱动和细分驱动三大类图 3.1 是双极性整步驱动的工作原理图, 其中 A2 端和 C2 端 B2 端和 D2 端在生产电机时, 已经在电机内部联通首先如图 3.1(a) 所示, 给 C 线圈和 A 线圈通上从 C1 到 A1 的电流,C 线圈和 A 线圈同时产生上南 (S) 下北 (N) 的磁极, 转子被吸引到上南 (S) 下北 (N) 的位置 ; 接着如图 3.1(b) 所示, 给 D 线圈和 B 线圈通上从 D1 到 B1 的电流, 转子被吸引到左北右南的位置 ; 然后如图 3.1(c) 所示, 给 A 线圈和 C 线圈通上从 A1 到 C1 的电流, 转子被吸引到上北下南的位置 ; 最后如图 3.1(d) 所示, 给 B 线圈和 D 线圈通上从 B1 到 D1 的电流, 转子被吸引到左南右北的位置这样在 CA->DB->AC->BD 的通电顺序下, 转子将分 4 步顺时针旋转, 如果通电顺序改成 BD->AC->DB->CA, 转子将逆时针旋转在这个过程中, 每个线圈的电流方向是双向改变的, 例如 A 线圈的电流可以从 A2 到 A1, 也可以从 A1 到 A2, 所以称作双极性驱动 ; 和单极性整步驱动一样, 转子也是从一个线圈一步到位地转到另一个线圈, 每一步转过的角度也是 90, 所以也称作整步驱动 ; 在任意时刻, 和单极性整步驱动相比, 有两个线圈被通电, 所产生的转矩更大图 3.1 双极性整步驱动双极性半步驱动的方式如图 3.2 所示, 它和图 3.1 所示的整步驱动相比, 在两个整步之间插入了一个半步, 例如图 3.2(b) 所示, 给 A B C D 四个线圈同时通电, 电流方向分别从 C1 到 A1 和 D1 到 B1,A B 线圈在靠近转子的一端, 同时形成磁力相等的北极 (N),C D 线圈在靠近转子的一端, 同时形成磁力相等的南极 (S), 转子在磁力的平衡作 8

12 用下, 停在一个整步的正中央这样在 CA->CA/DB->DB->DB/AC->AC->AC/BD->BD->BD/CA 的通电顺序下, 转子将分 8 步顺时针旋转, 如果通电顺序改成 BD/CA->BD->AC/BD->AC->DB/AC ->DB->CA/DB->CA, 转子将逆时针旋转在这个过程中, 每个线圈的电流方向也是双向改变的, 所以也称作双极性驱动 ; 转子每次只走半步 45, 所以称作半步驱动 ; 在任意时刻, 和单极性半步驱动相比, 被通电的线圈的数量多了一倍 (2 个或 4 个 ), 所产生的转矩更大 9

13 图 3.2 双极性半步驱动 10

14 3.2 双极性驱动电路如图 3.3 所示为步进电机的双极性驱动电路, 此电路和直流电机双方向驱动电路类似, 采用 Q1~Q8 八个三极管组成两个 H 桥, 分别驱动 AC BD 两路线圈, 电流方向由 H 桥控制 ; 为了降低工作电流, 线圈分别串接了 R11 和 R18 和图 2.4 的单极性驱动电路相比, 双极性驱动电路更复杂, 但转矩更大图 3.3 步进电机双极性驱动电路图 3.3 双极性驱动程序双极性驱动的程序和单极性驱动的程序基本一致, 只要修改驱动层的宏定义即可, 如程序清单 3.1 所示程序清单 3.1 步进电机的双极性驱动程序 /******************************************************************************************* 驱动层宏定义 *******************************************************************************************/ #define MOT_IO P1 // 使用 P1 口驱动电机 #define MOT_STP0 0xFD //CA 相 :P1.1=0 #define MOT_STP1 0xDD //CA/DB 相 :P1.1=P1.5=0 #define MOT_STP2 0xDF //DB 相 :P1.5=0 11

15 #define MOT_STP3 0xDB //DB/AC 相 :P1.2=P1.5=0 #define MOT_STP4 0xFB //AC 相 :P1.2=0 #define MOT_STP5 0xBB //AC/BD 相 :P1.2=P1.6=0 #define MOT_STP6 0xBF //BD 相 :P1.6=0 #define MOT_STP7 0xBD //BD/CA 相 :P1.1=P1.6=0 3.4 细分驱动的简介如图 3.4 所示, 假设流过 A C 线圈的电流大小为 Ia, 流过 B D 线圈的电流大小为 Ib, 因为磁场强度和电流的大小成正比, 如果 Ia 等于 Ib, 转子将停在相邻两个线圈的中央, 如果 Ia 不等于 Ib, 那么转子将停在电流较大的一侧, 转子在停住时, 和水平方向的夹角 1 I a 是 : θ = tan 从中可以看出: 改变 Ia 和 Ib 的 Ib 比例, 即可控制转子在一个整步中的任何位置停住细分驱动的原理就是 : 改变定子线圈的电流比例, 让转子在旋转过程中, 可以停靠在一个整步中不同位置, 把一个整步分成多个小步来跑细分驱动具有 : 转动顺畅精度高转矩大的特点, 但控制复杂, 一般需图 3.4 细分驱动的原理要专用芯片来实现, 例如安森美的 AMIS 系列细分驱动芯片, 最多可以把 1 个整步分成 32 个小步 12

16 4. 免责声明广州周立功单片机科技有限公司随附提供的软件或文档资料旨在提供给您 ( 本公司的客户 ) 使用, 仅限于且只能在本公司制造或销售的产品上使用该软件或文档资料为本公司和 / 或其供应商所有, 并受适用的版权法保护版权所有如有违反, 将面临相关适用法律的刑事制裁, 并承担违背此许可的条款和条件的民事责任本公司保留在不通知读者的情况下, 修改文档或软件相关内容的权利, 对于使用中所出现的任何效果, 本公司不承担任何责任该软件或文档资料按现状提供不提供保证, 无论是明示的暗示的还是法定的保证这些保证包括 ( 但不限于 ) 对出于某一特定目的应用此文档的适销性和适用性默示的保证在任何情况下, 公司不会对任何原因造成的特别的偶然的或间接的损害负责 13

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直流电机及其驱动原理电机驱动系列解决方案 AN V1.00 Date: 2014/02/25 应用笔记类别关键词摘要内容直流电机本文档介绍直流电机及其驱动的基本原理广州周立功单片机科技有限公司

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