成人高等学历教育
课程设计说明书
题目：三相步进电机环行分配硬/软件设计
学 院 机械与汽车工程学院
专 业 机电一体化技术
学生姓名 宋成刚（10561096215901092）
指导教师 宋小春 教授
提交日期 2011年 5月10日
二○一一 年 五 月 十 日
华南理工大学继续教育学院
课程设计任务书
一、设计任务：
三相步进电机环行分配硬/软件设计
二、设计要求：
1、阐述步进电机的工作原理 2、设计步进电机的脉冲分配信号 1）利用集成电路实现硬件环行分配 2）利用汇编语言程序实现软件环行分配 3、步进电机的驱动电路设计
三、设计期限
2011年 4月 10日至 2011年 5月日 10
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目 录
第一节 步进电机的工作原理 ....................................................................................................... 4 1.1步进电动机 ........................................................................................................................... 4 1.2三相反应式步进电动机的工作原理 ................................................................................... 4 1.3步进电动机的特点 ............................................................................................................... 7 第二节 步进电机的脉冲分配 ..................................................................................................... 8 2.1硬件环形分配 ....................................................................................................................... 8 2.2软件环形分配 ....................................................................................................................... 9 第三节 步进电机的驱动电路 ................................................................................................... 13 3.1单电源驱动电路 ................................................................................................................. 13 3.2高低压驱动电路 ................................................................................................................. 13 3.3斩波恒流功放电路 ............................................................................................................. 14 3.4 细分驱动电路 ..................................................................................................................... 15 参考文献 ....................................................................................................................................... 15
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第一节 步进电机的工作原理
1.1步进电动机
电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移（或线位移）的电磁机械装置。对步进电动机施加一个电脉冲信号时，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格地成正比例，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及旋转方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。 1.2三相反应式步进电动机的工作原理
图1所示是三相反应式步进电动机的工作原理图。步进电动机由转子和定子组成。定子上有A、B、C三对绕组磁极，分别称为A相、B相、C相。转子是硅钢片等软磁材料迭合成的带齿廓形状的铁心。如果在定子的三对绕组中通直流电流，就会产生磁场。当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通电，则A、B、C三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。
图1 反应式步进电动机工作原理
1）当A相通电，B相和C相不通电时，电动机铁心的AA方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子1、3齿与A相磁极对齐。2、4两齿与B、C两磁极相对错开30°。 2）当B相通电、C相和A相断电时，电动机铁心的BB方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转30°，2、4齿与B相磁极对齐。1、3两齿与C、A两磁极相对错开30°。
3）当C相通电，A相和B相断电时，电动机铁心的CC方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向又旋转30°，1、3齿与C相磁极对齐。2、4两齿与A、B两磁极相对错开30°。
若按A→B→C„通电相序连续通电，则步进电动机就连续地沿逆时针方向旋动，每换
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接一次通电相序，步进电动机沿逆时针方向转过30°，即步距角为30°。如果步进电动机定子磁极通电相序按A→C→B„进行，则转子沿顺时针方向旋转。上述通电方式称为三相单三拍通电方式。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电的意思。从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角，故所谓“三拍”是指通电换接三次后完成一个通电周期。
另一种通电方式称为三相六拍通电方式，即按照A→AB→B→BC→C→CA„相序通电，工作原理如图2所示。如果A相通电，1、3齿与A相磁极对齐。当A、B两相同时通电，因A极吸引1、3齿，B极吸引2、4齿，转子逆时旋转15°。随后A相断电，只有B相通电，转子又逆时旋转15°，2、4齿与B相磁极对齐。如果继续按BC→C→CA→A„的相序通电，步进电动机就沿逆时针方向，以15°的步距角一步一步移动。这种通电方式采用单、双相轮流通电，在通电换接时，总有一相通电，所以工作比较平稳。
图2 三相六拍通电方式工作原理
步进电动机还可用双三拍通电方式，导通的顺序依次为AB→BC→CA→AB，每拍都由两相导通。它与单、双拍通电方式时两个绕组通电的情况相同，由于总有一相持续导通，也具有阻尼作用，工作比较平稳。表1所示是三相单三拍、三相双三拍、三相单双六拍通电方式切换表，由于硬件驱动电路存在电路的竞争与冒险，比如三相单三拍从序号1切换到2，易出现“断、断、断”现象；三相双三拍从序号1切换到2，易出现“通、通、通”现象，由此产生步进电机的振荡。故实际使用当中多采用三相单双六拍通电方式。
表1 步进电机的通电方式 切换 序号 1 2 3 三相单三拍 A相 B相 C相 通 断 断 断 通 断 断 断 通 三相双三拍 A相 通 断 通 通 通 断 断 通 通 三相单双六拍 通 通 断 断 通 通 断 断 断
B相 C相 A相 B相 C相 华南理工大学继续教育学院
断 通 通 断 断 通 通 断 断 通 通 通 4 5 6
通 断 断 断 通 断 断 断 通 通 断 通 通 通 断 实际使用的步进电动机，一般都要求有较小的步距角。因为步距角越小它所达到的位置精度越高。图3是步进电动机实例。图中转子上有40个齿，相邻两个齿的齿距角360°/40=9°。三对定子磁极均匀分布在圆周上，相邻磁极间的夹角为60°。定子的每个磁极上有5个齿，相邻两个齿的齿距角也是9°。因为相邻磁极夹角（60°）比7个齿的齿距角总和（9°×7=63°）小3°，而120°比14个齿的齿距角总和（9°×14=126°）小6°，这样当转子齿和A相定子齿对齐时，B相齿相对转子齿逆时针方向错过3°，而C相齿相对转子齿逆时针方向错过6°。按照此结构，采用三相单三拍通电方式时，转子沿逆时针方向，以3°步距角转动。采用三相六拍通电方式时，则步距角减为1.5°。如通电相序相反，则步进电动机将沿着顺时针方向转动。
图3 步进电动机实例
如上所述，步进电动机的步距角大小不仅与通电方式有关，而且还与转子的齿数有关。计算公式为
360 kmz式中 m——定子励磁绕组相数； z——转子齿数；
k——通电方式，相邻两次通电相数一样，k=1，不同时，k=2。
步进电动机转速计算公式为
f n60f3606式中 n——转速（r/min）；
f——控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； θ——用度数表示的步距角。
由上式可见，当转子的步距角一定时，步进电动机的转速与输入脉冲频率成正比。
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1.3步进电动机的特点
步进电动机的主要特点如下：
1）步进电动机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量；
2）步进电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速；
3）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置；
4）改变通电相序即可改变电动机转向；
5）步进电动机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差； 6）步进电动机转动惯量小，起动、停止迅速。
由于步进电动机有这些特点，所以在开环数控系统中获得广泛应用。
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第二节 步进电机的脉冲分配
步进电机的控制主要由脉冲分配和驱动电路两部分组成，步进电机脉冲控制的任务有三点：控制电机的转角、控制电机的转速、控制电机的转向。控制输送给电机的脉冲数就可以控制电机相应的转角数；控制输送给电机的脉冲频率就可以控制电机的转速；控制电机的转向，实际就是控制脉冲输送给电机绕组的顺序分配，这种分配称为环行分配。在数控系统中，脉冲分配器是将插补输出脉冲，按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电路的各相输入端，用以控制绕组中电流的开通和关断。同时由于电动机有正反转要求，所以脉冲分配器的输出既是周期性的，又是可逆的，因此，也可称之为环形分配器。
脉冲分配可以用硬件电路实现，也可以用软件程序实现。 2.1硬件环形分配
硬件环行分配器由集成电路的逻辑门、触发器等逻辑单元构成。三相六拍环形分配器由三个D触发器和若干个与非门所组成。CP端接进给脉冲控制信号，E端接电机方向控制信号（高电平或低电平信号）。环行分配器的输出端QA、QB和QC分别控制电机的A、B和C三相绕组。其原理图见图4。正向进给时环行分配器真值表见表2。
对图4进行分析可知：置E为“1”时，三相六拍的运行方式是A→AB→B→BC→C→CA„顺序轮流通电方式，称之为正转，则转子便顺时针方向一步一步转动；置E为“0”时，三相六拍的运行方式是CA→C→CB→B→BA→A„顺序轮流通电方式，称之为反转，则转子便逆时针方向一步一步转动。
图4 正、反向进给的环行分配器原理图
表2 正、反向进给时环行分配器真值表
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QB 0 1 1 1 0 0 0 QC 0 0 0 1 1 1 0 通电相 A AB B BC C CA A CP 0 1 2 3 4 5 6
DA 1 0 0 0 1 1 1 DB 1 1 1 0 0 0 1 DC 0 0 1 1 1 0 0 QA 1 1 0 0 0 1 1 图5所示为专用的环形分配集成芯片CH250，是专为三相步进电机设计的环形分配集成芯片，采用CMOS工艺集成，可靠性高，它可工作于单三拍、双三拍、三相六拍等方式。图所示为三相六拍的接线图，步进电机的初始励磁状态为AB相，当进给脉冲CP的上升沿有效，并且方向信号E=1时则正转，E=0时则反转。
图5 CH250实现的三相六拍脉冲分配电路
对于不同种类、不同相数、不同分配方式的步进电机都必须重新设计不同的硬件分配电路或选用不同的集成芯片，显然有些不方便。 2.2软件环形分配
1、软件环形分配原理
采用MCS-51系列单片机来进行环行脉冲的软件控制，现以控制两只四相八拍电机的环行分配程序为例说明其原理。
设有X向四相步进电机，以四相八拍方式运行。按照四相八拍方式运行时的通电顺序为：正转：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→„；反转：A→AD→D→DC→C→CB→B→BA→„；设以8031的P1口作为两只电机的输出口，其对应关系如表3所示。
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X电机 表3 两只四相电机输出口分配 Y电机 P1.7 D
P1.6 C P1.5 B P1.4 A P1.3 D C P1.2 P1.1 B P1.0 A 由于控制口的输出信号一般须经驱动电路进行反向放大，故当某P1口输出为“0”时即接通某相电机绕组，当某P1口输出为“1”时即表示不接通某相电机绕组。表4为X向电机的通电顺序。设X向电机以通电状态的顺序号作为地址，并记忆在内部RAM的52H中，把X的状态记忆在55H中，与P1口相对应，55H的低四位放X向电机的状态，当电机正转时，通电顺序号加1增大；当电机反转时，通电顺序号减1减小。把X向电机的进给方向符号放在位地址02H中，“0”表示正，“1”表示负。同时设计Y向电机的通电状态顺序号记忆在内部RAM的53H中，Y向电机的进给方向符号放在位地址03H中，55H的高四位放Y向电机的状态。
表4 X向电机的通电顺序 通电 顺序 号 1 2 3 4 5 6 7 8
输出口 P1.3 D 1 1 1 1 1 0 0 0 P1.2 C 1 1 1 0 0 0 1 1 P1.1 B 1 0 0 0 1 1 1 1 P1.0 A 0 0 1 1 1 1 1 0 16进制 状态 E C D 9 B 3 7 6 通电 相数 A AB B BC C CD D DA 环行分配时，先从52H或53H中查得当时的通电顺序号，根据相应电机在插补过程中是正向进给还是负向进给，决定是通电顺序号加1还是通电顺序号减1运算。加1后若地址超过8则赋顺序号为1，减1后若地址小于1则赋顺序号为8。根据加1减1得到的新地址查表取得新的通电状态，再把新的通电状态在适当时机送向输出口P1，完成步进电机行走一步。
2、软件环形分配流程图
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3、环行分配实验程序 MOV R2，
（注：在#10到#255之间选择） CLR 02H
（或SETB 02H） CLR 03H
（或SETB 03H） MOV 52H，
MOV 53H，
（注：选择#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7、#8之间的任意数） MOV 55H，
（注：选择#0EEH、#0CCH、#0DDH、#99H、#0BBH、#33H、#77H、#66H之间的任意数） LOOP：LCALL XPD
LCALL YPD MOV P1，55H LCALL DYIS DJNZ R2，LOOP
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SJMP $
XPD： CLR 01H ；设标志位，X分配时清01H位
MOV R1，#52H ；52H中为X状态顺序号，R1作间址处理 MOV C，02H ；X符号送CY AJMP PPD
YPD： SETB 01H ；当01H=1时为Y分配 MOV R1，#53H ；53H中为Y状态顺序号 MOV C，03H ；Y符号送CY PPD： JC PPD2
INC @R1 ；正转加1寻址，因顺序号加1
CJNE @R1，#09H，PPD3 ；若顺序号为9＞8时，执行下条，否则跳转 MOV @R1，#01H ；修改顺序号为“1” AJMP PPD3
PPD2：DEC @R1 ；反转减1寻址
CJNE @R1，#00H，PPD3 ；若顺序号为0，接着修改，否则跳转
MOV @R1，#08H ；顺序号为0，修改成8 PPD3：MOV A，@R1
ADD A，#01H ；当前顺序号+偏移量，偏移为当前地址+中间 MOVC A， @A+PC ；间隔指令的字节总数
AJMP PPD5 ；查表后跳到处理入口PPD5
DB 0EEH，0CCH，0DDH，99H；DB中每一个数占一个字节，高四位为Y状态， DB 0BBH，33H，77H，66H 低四位为X状态 PPD5：JB 01H，PPD6 ；是Y轴分配跳转
ANL A，#0FH ；保留低位，因A中低四位是X新状态 ANL 55H，#0F0H ；保留高位Y状态
ORL 55H，A ；合并一字节，修改了55H中X新状态 RET
PPD6：ANL A，#0F0H ；Y轴分配，取高四位
ANL 55H，#0FH ；保留低四位X状态
ORL 55H，A ；合并一字节，修改了55H中Y新状态 RET
DYIS：MOV R5，#5 DYS0：MOV R6，#200 DYS1：MOV R7，#250 DYS2：DJNZ R7，DYS2
DJNZ R6，DYS1 DJNZ R5，DYS0
RET
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第三节 步进电机的驱动电路
必须指出，由微机根据控制要求发出的脉冲，并依次将脉冲分配给各相绕组，因其功率很小，电压幅度不足5V，电流为mA级，必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培，才能驱动步进电机。因此，步进电机驱动器实际上是一个功率放大器。驱动器的质量直接影响步进电机的性能，驱动器的负载是电机的绕组，是强电感性负载。对驱动器的主要要求是：失真要小，要有较好的前后沿和足够的幅度；效率要高；工作可靠；安装调试和维修方便。
3.1单电源驱动电路
图6是一种实际应用的单电源驱动电路。图中的La, Lb, Lc分别是步进电机的三相绕组，每相绕组由一组放大器驱动。三相放大器完全相同，现以A组为例说明。
图6 步进电机单电源驱动电路
放大器输入的是脉冲信号，设脉冲信号的低电平为OV，高电平为3V，输入级由开关管3DK4接成射级输出器，将输入信号电流放大，以推动输出级3DD15D。没有脉冲时，3DK4和3DD15D均截止，电机绕组中无电流通过，电机不转。
当第一个脉冲输入A端时，两级管子均饱和导通，La有电流流过，电机转动一步；第二个脉冲输入B端时，Lb得电，再转一步；第三个脉冲输入C端时，Lc得电，又转一步。当脉冲依次加到A, B, C三个输入端时，三组放大器分别驱动不同的绕组，一步一步地转动，称为三相单三拍工作方式。
电路中的二极管D起泄放作用，因为在功率管3DD15D突然关断时，在绕组L中将产生一个大的反电动势，此反电动势叠加在直流电源上加到功放管的集电级，可能会将该管击穿，有了这个二极管就能泄放L中储存的能量，从而保护了功放管。该单电源驱动电路虽然结构简单，但也存在明显的不足。由于限流电阻R是串在大电流的输出回路中，要消耗一定的能量，因此这种放大器的效率很低，且发热厉害，输出功率小，这种电路通常是用在对速度要求不高的小型步进电机中。 3.2高低压驱动电路
图7 是一个La绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器几组成高压控制电路。
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图7步进电机的高低压驱动电路
无脉冲输入时，T1，T2，T3，T4均截止，电机绕组La中无电流通过，电机不转。
有脉冲输入时，T1，T2，T4饱和导通，在飞由截止到饱和期间，其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加，在变压器次级感生一个电压，使T3导通，80V高压经高压管几加到绕组La上，使电流迅速上升，约经数百微秒，当T2进人稳压状态后，Tp初级电流暂时恒定，次级的感应电压降到0，T3截止，这时12V低压电流经D2加到绕组La上，维持La中的电流为恒定值。
输入脉冲结束后，, T1，T2，T3，T4又均截止，储存在La中的能量通过18Ω的电阻和二极管泄放，18Ω的电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形后沿。由于采用高低压驱动，电流增长快，电机的力矩和运行频率都得到改善，但由于电机转动时产生的反电势，使电流波形顶部下凹，使平均电流下降，转矩下降。 3.3斩波恒流功放电路
斩波恒流功放电路是利用斩波方法使电流恒定在额定值附近。典型斩波恒流电路如图8：
图8 斩波恒流电路
如图，步进方波信号在有效期不断重复，在绕组中保持在额定电流值上下似锯
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斩波驱动电路虽然复杂，但它的优点比较突出：绕组的脉冲电流边沿陡，快速响应好；功耗小，效率高；因为电路无外接电阻Rc，而采样电阻Re又很小(一般为0.2欧姆左右)，所以整个系统的功耗下降很多，相应地提高了效率；输出恒定转矩。由于采样电阻Re的反馈作用，使绕组中的电流可以恒定在额定的值。 3.4 细分驱动电路
细分驱动电路的功率放大部分有线性放大型和开关放大型两种。典型电路图分别如图9中的（a）和(b)。
图9细分驱动电路
图(a)所示，电路采用带电流反馈的线性功率放大形式，由微步脉冲分配器输出数字信号，经D从转换为模拟量进行控制。这种电路形式特别适用于步进电动机在较低速下运行和精确定位。开关放大型细分电路如图所示，放大器工作在开关状态．类似于斩波驱动电路、通过调节电流参考电平来控制绕组电流的大小。
参考文献
《机电一体化概论》
《电动机控制电路应用实例》 《电机技术与应用》 《机电传动与控制技术》
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指导教师评语：
成绩答辩评定：
指导教师签名：签名：
年 月 日
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