【正文】 電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 目前，生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在 產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。鑒于上述情況，本文決定以四相混合式步進電機為例敘述其基本工作原理及設計簡單的驅動程序。望能對廣大用戶在選型使用時有所幫助。 課題主要內(nèi)容 本課題將分析步進電機的工作原理，并簡單介紹其各種驅動方式。使用單片機以軟件方式配合有關芯片和電路元件驅動步進電機，通過 C 語言編程方法，對步進電機的轉速進行控制，使其在一定范圍下運行。在 Keil 中編程并調(diào)試， Proteus 中進行仿真，并很好地模擬出實驗結果。最后，根據(jù)電路圖焊接出實物。 第 2 章 步進電機的基本原理、分類和選擇 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構，當步進電機接收到一個脈沖信號，它就按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機的基本參數(shù) 電機固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如 86BYG250A 型電機 給出的值為 176。 /176。 (表示半步工作時為176。 整步工作時為 176。 )這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。 步進電機的相數(shù)： 是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為 176。 /176。、三相的為 176。/176。、五相的為 176。 /176。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則“相數(shù) ”將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。 2 保持轉矩： 是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說 的步進電機，在沒有特殊說的情況下是指保持轉矩為 。 步進電機的特點 1．一般步進電機的精度為步進角的 3%5%，且不累積。 2．步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。 3．當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 4．步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。 步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動 ，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。 步進電機分類 目前常用的有三種步進電動機： 1．反應式步進電動機 (VR)。反應式步進電動機結構簡單，生產(chǎn)成本低，步距角??；但動態(tài)性能差。 2．永磁式步進電動機 (PM)。永磁式步進電動機出力大，動態(tài)性能好；但步距角大。 3．混合式步進電動機 (HB)?；旌鲜讲竭M電動機綜合了反應式、永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點，它的步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進電動機。它有時也稱 作永磁感應子式步進電動機。 綜合步進電機的以上參數(shù)特點以及各種步進電機的優(yōu)缺點，本課題選用四相混合式（感應子式）步進電機 四相混合式步進電機的工作原理及工作方式 如圖 21。開始時，開關 SB 接通電源， SA、 SC、 SD 斷開， B 相磁極和轉子 0、 3 號齒對齊，同時，轉子的 4 號齒就和 C、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒， 5 號齒就和 D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當開關 SC 接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動， 4 號齒和 C 相繞組的磁極對齊。而 0、 3 號齒和 A、 B相繞組產(chǎn)生錯齒， 5 號齒就和 A、 D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推， A、 B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉子會沿著 A、 B、 C、 D 方向轉動。 3 圖 21 四相步進電機步工作進示意圖 四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控 制精度。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖 22a、 b、 c 所示： a. 單四拍 b. 雙四拍 圖 22 步進電機工作時序波形圖 步進電機具體型號的選擇 考慮到實驗室材料和驅動功率大小等實際條件，以及連線的方便與否。最終選擇型號為28BYJ48 的四相五線步進電機。該步進電機的主要參數(shù)為： 1．額定 電壓： 5VDC 2．直流電阻： 200?177。7%（ 25176。） 3．減速比： 1/64 4．步距角： 176。 /64 5．驅動方式： 4 相 8 拍 6．牽入轉矩： ≧ (120Hz) 7．打滑扭力： 8．溫升： 50K（ 5VDC 工作頻率： 120Hz) 9．噪音：小于 35dB（ 120Hz) 10．絕對耐壓： 600VAC/1s 第 3 章 步進電機驅動系統(tǒng)及驅動接口選擇 步進 電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅動器，如圖 31 所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。圖中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現(xiàn)。驅動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口，這里對步進電機各種驅動接口進行簡單的介紹。 4 圖 31 步進電動機驅動控制系統(tǒng) 單電壓功率驅動接口 在電機繞組回路中串有電阻 Rs，使電機回路時間常數(shù)減小 ，高頻時電機能產(chǎn)生較大的電磁轉矩，還能緩解電機的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般情況下，簡單單電壓驅動線路中， Rs 是不可缺少的。 Rs 對步進電動機單步響應的改善如圖 32。 圖 32 單電壓功率驅動接口及單步響應曲線 雙電壓功率驅動接口 雙電壓驅動的功率接口如圖 33 所示。雙電壓驅動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓 UL 驅動，而在高速（高頻段）時用較高的電壓 UH 驅動。這種功率接口需要兩個控制信號， Uh 為高壓有效控制信 號， U 為脈沖調(diào)寬驅動控制信號。圖中，功率管 TH 和二極管DL構成電源轉換電路。當 Uh 低電平， TH 關斷， DL正偏置，低電壓 UL 對繞組供電。反之Uh 高電平， TH 導通， DL反偏，高電壓 UH 對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時功耗減小。 圖 33 雙電壓功率驅動接口 高低壓功率驅動接口 5 圖 34 高低壓功率驅動接口 高低壓功率驅動接口如圖 34 所示。高低壓驅 動的設計思想是，不論電機工作頻率如何，均利用高電壓 UH 供電來提高導通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓 UL 來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅動器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻 Rs，消除了附加損耗。高低壓驅動功率接口也有兩個輸入控制信號 Uh 和 Ul，它們應保持同步，且前沿在同一時刻跳變，如圖 34 所示。圖中，高壓管 VTH 的導通時間 tl 不能太大，也不能太小，太大時，電機電流過載；太小時，動態(tài)性能改善不明顯。一般可取 13ms。 斬波恒流功率驅動接口 恒流驅動的設計思想是，設法使導通相繞組的 電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時均保持固定數(shù)值。使電機具