步進電機原理及簡易驅動電路的制作

1、作 者謝 彪步進電機原理及簡易驅動電路的制作步進電機是機電一體化的關鍵部件之一，是一種高精度的執(zhí)行元件，它能將脈沖信號轉變成角位 移，即給一個脈沖，步進電機就轉過一個角度，因 此控制精度高，廣泛地應用于各種自動化控制系統(tǒng) 和機器人領域中，目前步進電機的控制器主要是通 過單片機及專用集成芯片構成的，這樣成本高、結 構復雜、開發(fā)周期長。廣大的電子愛好者，尤其是 一些初學者很難具備相應的條件，為此筆者設計并 制作了一款成本低廉、性能穩(wěn)定、控制簡單、制作 方便的步進電機控制器，供大家參考。一、步進電機工作原理目前比較常用的步進電機主要有反應式（VR）、 永磁式（PM）、混合式（HB）三種類型，這幾種電

2、 機雖然在組成結構上有所差別，但總體的工作原理 還是類似的，下面就以比較典型的反應式步進電機 為例簡述其工作原理 ：1.步進電機的結構組成步進電機可以分成轉子和定子兩部分。以圖太長，有條件的話，電烙鐵最好外殼接地，焊音樂片時可先將音樂片的第一個腳進行上錫，注意不要 太多，否則無法插入線路板上的小槽，音樂片與線 路板焊接線，線路板上應全部上過錫，當插入音樂片 后，先將第一只腳與線路板進行焊接，讓其定位，然 后再將最后一只腳焊上，等焊錫冷后，音樂片便牢牢 地裝在線路板上了，這時再去焊另外的引腳就會方便 許多。制作完成的接收線路板與電源及喇叭的接線如 圖 6 所示。圖6三、系統(tǒng)調試1. 發(fā)射器的調試

3、 ：所有元件安裝好后，將電路 板裝入遙控器盒子內，注意檢查微動開關是否可聽到清晰的開關聲。2. 如有頻率計或頻譜儀等儀器，可在裝入發(fā)射 器電池后按動遙控器檢測是否有高頻無線電波發(fā)射， 如沒有這些儀器，也可用收音機或接上電腦音響， 當按動遙控器時，可聽到“吱、吱”聲，這就表明 發(fā)射部分工作正常，一般只要元件安裝正確，元件 焊接時線路板上無搭錫或虛焊，都能一次成功。3. 接收器的調試 ：全部元件安裝完成后，將線 路板裝入塑料外殼內，電源引線連接時一定要注意 極性不要裝反。4. 裝上二節(jié) 5 號電池，短接一下 VT4 發(fā)射極和集 電極，正常時可以聽到音樂聲，若發(fā)現(xiàn)不會響，應仔 細檢查喇叭線是否焊牢，

4、音樂片的引腳是否有虛焊等。5. 以上幾項都正常后，便可以進行發(fā)射與接收 的聯(lián)調，將發(fā)射器放在接收器邊上，按動遙控器， 若有聲音了，再將兩者的距離加大，再按，若沒有 反應了，用無感螺絲刀調節(jié)接收器上的可調電感， 直到按下遙控器接收器會響，繼續(xù)加大距離，用上 述方法反復調試，當距離在 20 米以上都可以可靠 進行遙控時，說明遙控門鈴的調試工作完成，這樣 一款即有趣又實用的無線音樂門鈴便制作完成。（產品詳見廣告頁）1 所示的三相步進電機為例，其定子上有 6 個磁 極，每 2 個相對的磁極（如 ：A-A）組成一對， 共有 3 對。每對磁極上都繞有線圈，也即形成一 相，這樣 3 對磁極就有 3 個繞組，

5、形成三相，依 此類推，若為 4 相電機則就有 4 對磁極、4 相繞 組。三相步進電機定子的各相磁極在空間上互差120° /60°。 電機中轉子部分也具有相應的磁極，稱為轉子小齒，相鄰兩轉子小齒軸線間的間距稱為齒距，用 表示。通常我們把定子小齒與轉子小齒對齊的狀 態(tài)稱為對齒（如圖 1 中轉子小齒 1 與定子小齒 A 就 是對齒）；而把定子小齒與轉子小齒不對齊的狀態(tài)稱 為錯齒（如圖 1 中的 2 與 B、3 與 C 等即為錯齒）。 錯齒的存在是步進電機能夠旋轉的前提條件，所以， 在步進電機的結構中必須保證有錯齒的存在，也就 是說，當某一相處于對齒狀態(tài)時，其他相必須處于 錯齒狀態(tài)

6、。以圖 1 所示的三相步進電機為例，其轉 子小齒1與A 相對齊時，齒2與B 錯開了 1/3 ， 齒3與C 錯開了 2/3 。A 轉子13C'142B定子3 3吸轉動并與 C 相對齊，此時轉子又順時針轉過 1/3 ，齒 4 與 A相差為 1/3 。A 相再次通電（圖 5），齒4與 A對齊，轉子 又順時針轉過 1/3 。圖2 A相通電 圖3 B相通電圖4 C相通電 圖5 A相再次通電就這 樣，電機就每 步（每脈沖）順時針方 向 旋 轉 1/3 ，經過了 3 步的一個循 環(huán)，齒 1 就順時針轉過一個齒 距，如果不斷地按 ABCA 的相序通電，電機就可以持2 4B'1A'2 續(xù)

7、地順時針方向旋轉下去。若要電機反轉，則可3C將 A、B、C 三相的通電次序任意互換一組即可， 如通電相序變?yōu)?：A CBA ，電機就 會按逆時針方向旋轉。圖1 步進電機結構簡圖2.步進工作過程分析步進電機的工作原理與電磁鐵類似。A 相通電，B、C 相不通電時（圖 2），由于磁 場力的作用，齒1與A 對齊。B 相通電，A、C 相不通電時（圖 3），B 齒將 產生磁場，吸引較近的轉子小齒 2，從而產生轉動 力矩，齒2 將與B 對齊，此時轉子順時針轉過 1/3 ， 此時齒3與C 相差 1/3 ，齒4與 A相差 2/3 。C 相通電，A、B 相不通電時（圖 4），齒 3 被二、步進電機驅動控制原理步進

8、電機的驅動和控制方法與直流電機不同， 直流電機只需通入直流電源即可運轉，調節(jié)電壓大 小可以改變電機轉速。而步進電機接收的是數字量， 轉速的大小由外加的脈沖頻率決定，電壓的大小與 轉速的快慢無關，只與電機的輸出力矩有關。步進電機的驅動控制器主要由脈沖信號產生電 路、脈沖信號分配電路，功率放大電路等部分組成， 其結構如圖 6 所示。驅動控制器脈信功步 沖號率進 信分放電 號配大機多諧振蕩器產生，選擇開關 S1 和不同振蕩電容 C1/ C2 相連，可得到不同頻段的脈沖信號，通過電位器 RP 可使其 3 腳輸出的信號頻率連續(xù)可調，該脈沖 信號加到十進制計數器 CD4017 的時鐘輸入 CP 端，作為步

9、進電機工作的時鐘。圖6 步進電機驅動器組成脈沖信號電路的主要功能是產生一定頻率的控 制脈沖信號，用以控制步進電機的運行，其頻率直 接決定了步進電機的旋轉速度。信號分配電路是整個控制器的核心部分，由于 其提供的信號總是周期循環(huán)的，所以也稱為“環(huán)形 脈沖分配電路”，它會根據不同步進電機的控制需求， 將脈沖信號按一定的邏輯關系加到功率放大器上從 而驅動步進電機的工作。例如上文所述的三相步進 電機，其通電相序為“ABCA ”，這 種按 A、B、C 各相順次接通的過程是一種整步工作 方式，也稱“三相單三拍”，其中“單”是指每步只 有一相通電，“三拍”是指一個循環(huán)需換相 3 次。盡 管這時電機也可工作，但

10、不夠穩(wěn)定，易產生失步現(xiàn) 象。通常我們更多地是采用“AB BC CA AB” 方式循環(huán)通電，此時每步有二相同時接通，也稱“三 相雙三拍”，這樣步進電機工作會更加平穩(wěn)。當 然 還 有 其 他 的 信 號 分 配 方 式， 如 在 二 相 間 插 入 一 個 中 間 相， 按 “A ABB BCC CA A”的相序運行， 即“三相六拍”，此時完成一個循環(huán)需 6 步，每次 轉過的角度只是三拍時的一半，也就實現(xiàn)了“二細 分”。當然我們也可以通過各相繞組電流不同大小的 組合，實現(xiàn)更多步的細分，這就是步進電機的細分 驅動，細分的步數越多，步進電機的轉動也會越平 穩(wěn)。對于其他類型的步進電機，如四相電機的單四拍

11、、 雙四拍、八拍等，讀者也可以自己進行分析。三、電路工作原理電路原理圖如圖 7 所示，電路主要由脈沖信號 產生電路、脈沖信號分配電路及功率放大電路等幾 部分組成。在本電路中的脈沖信號由 NE555 構成的一個電機的工作步序由 CD4017 的計數輸出端提 供。由于目前市面上步進電機的種類較多，本電路 僅以較常用的“三相雙三拍”控制 ( 具體步序見下 表 1) 為例進行分析，其他的控制方式讀者們可以 參照本例自行分析。由于“三拍”完成一個循環(huán)需 有三個步序，故由十進制計數器 CD4017 構成一 個 3 進制的封閉小循環(huán)，分別由 Q0、Q1、Q2 輸 出所需的步序 1、2、3 的信號，而將 Q3

12、 直接接到 CD4017 的復位端 R，從而構成了一個完整的環(huán)形 分配電路?！半p”是在每一步序中電機要有 2 相同時 得電，經對表 1 中不同步序的真值表分析可知，“A” 相的值應在步序1和3 均為有效，此時可將 Q0 與 Q2 的輸出信號經或門（74HC32）送至 A 相的控制 端 ；Q0 與 Q1 相或后送至 B 相 ；Q1 與 Q2 相或后 送至 C 相，這樣就可以得到我們所需要的三相雙三 拍步序控制信號。表1 三相雙三拍工作方式A相 B相 C相 步序 1（Q0）步序 2（Q1）步序 3（Q2）由于經數字門電路輸出的步序信號還無法直接 驅動電機工作，故還需增加一級功率放大做為整 個控制電

13、路的輸出。由于通常電子小制作中使用 的步進電機功率較小，故本電路選用的是達林頓 電流驅動器 ULN2803 模塊作為控制器的功率輸 出電路，ULN2803 的引腳如圖 8 所示，其中：1-8 腳為輸入端 ；11-18 腳為輸出端 ；9 腳接地 ；10 腳接電源“+”。由于 ULN2803 的扇出電流有限， 而灌電流較大，能達到 1A 左右，所以本電路使 用其灌電流工作方式，ULN2803 內 部的續(xù)流二 極管也保證了其與電機線圈連接的安全。如果需 要輸出的電流能再大一些，也可以將 ULN2803 的二組并聯(lián)，作為一組使用即可。電路中使用了二組電源進行供電，一組經三 端穩(wěn)壓集成塊 LM7805

14、穩(wěn)壓后，輸出 +5V 為控制RP100K51KC1NE555187805+1224VC2S104100ULN2803118100Q51 Q5Vc4.7uF100S2Q1Q1Q0CD4017Q0Q2Q2Q6Q6Q7Q7Q3Q38 VssRST CP INH CO Q9Q9Q4Q4Q8Q8 974HC32910GND圖7 電路原理圖圖7 電路原理圖部分提供電源 ；而步進電機各相繞組所需的電壓較11821731641514137121110高，故將其直接接到另一組 1224V 的電源上，這 樣可增大步進電機的輸出力矩，繞組的另一端接在 ULN2803 的相應輸出端。圖8 ULN2803結構簡圖8四、

15、控制器的制作與調試該步進電機控制器的元器件均無特殊要求，按 電原理圖裝好電路即可調試。為防止調試過程中電 機堵轉，電流增大損壞功率模塊 ULN2803，可將三 只發(fā)光二極管串連好限流電阻接入 ULN2803 的相 應輸出端，接通電源后發(fā)光二極管應能順序點亮 ； 撥動擋位選擇開關 S1，發(fā)光二極管點亮的頻率應有 明顯的變化，調節(jié)電位器 RP 發(fā)光二極管點亮的頻 率應能平滑的變化，至此步進電機驅動控制器安裝完成。去掉調試的發(fā)光二極管和限流電阻，將步進電 機的繞組線圈接入電路中，通電即可運轉。讀者 可根據實際的控制需要選擇 C1、C2 的參數（通 常約為零點零幾幾個 F 之間），使 S1與 C1 相連時，電機轉速約在 100轉/ 分 以 下 ；與 C2 相連時，電機轉速在 100 幾百轉 / 分之間。調 節(jié)電位器 RP 電機在各擋位轉速應能平滑變化。 撥動選擇開關 S2，可以交換二組的相序，使電機 反方向旋轉。569對于其它類型的步進電機控制