步進(jìn)電機(jī)原理及簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)電路的制作

1、作 者謝 彪步進(jìn)電機(jī)原理及簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)電路的制作步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵部件之一，是一種高精度的執(zhí)行元件，它能將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位 移，即給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，因 此控制精度高，廣泛地應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng) 和機(jī)器人領(lǐng)域中，目前步進(jìn)電機(jī)的控制器主要是通 過單片機(jī)及專用集成芯片構(gòu)成的，這樣成本高、結(jié) 構(gòu)復(fù)雜、開發(fā)周期長(zhǎng)。廣大的電子愛好者，尤其是 一些初學(xué)者很難具備相應(yīng)的條件，為此筆者設(shè)計(jì)并 制作了一款成本低廉、性能穩(wěn)定、控制簡(jiǎn)單、制作 方便的步進(jìn)電機(jī)控制器，供大家參考。一、步進(jìn)電機(jī)工作原理目前比較常用的步進(jìn)電機(jī)主要有反應(yīng)式（VR）、 永磁式（PM）、混合式（HB）三種類型，這幾種電

2、 機(jī)雖然在組成結(jié)構(gòu)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(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 為例簡(jiǎn)述其工作原理 ：1.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成步進(jìn)電機(jī)可以分成轉(zhuǎn)子和定子兩部分。以圖太長(zhǎng)，有條件的話，電烙鐵最好外殼接地，焊音樂片時(shí)可先將音樂片的第一個(gè)腳進(jìn)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(yīng)全部上過錫，當(dāng)插入音樂片 后，先將第一只腳與線路板進(jìn)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(shí)再去焊另外的引腳就會(huì)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(diào)試1. 發(fā)射器的調(diào)試

3、 ：所有元件安裝好后，將電路 板裝入遙控器盒子內(nèi)，注意檢查微動(dòng)開關(guān)是否可聽到清晰的開關(guān)聲。2. 如有頻率計(jì)或頻譜儀等儀器，可在裝入發(fā)射 器電池后按動(dòng)遙控器檢測(cè)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(jī)或接上電腦音響， 當(dāng)按動(dòng)遙控器時(shí)，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(shí)線路板上無搭錫或虛焊，都能一次成功。3. 接收器的調(diào)試 ：全部元件安裝完成后，將線 路板裝入塑料外殼內(nèi)，電源引線連接時(shí)一定要注意 極性不要裝反。4. 裝上二節(jié) 5 號(hào)電池，短接一下 VT4 發(fā)射極和集 電極，正常時(shí)可以聽到音樂聲，若發(fā)現(xiàn)不會(huì)響，應(yīng)仔 細(xì)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(xiàng)都正常后，便可以進(jìn)行發(fā)射與接收 的聯(lián)調(diào)，將發(fā)射器放在接收器邊上，按動(dòng)遙控器， 若有聲音了，再將兩者的距離加大，再按，若沒有 反應(yīng)了，用無感螺絲刀調(diào)節(jié)接收器上的可調(diào)電感， 直到按下遙控器接收器會(huì)響，繼續(xù)加大距離，用上 述方法反復(fù)調(diào)試，當(dāng)距離在 20 米以上都可以可靠 進(jìn)行遙控時(shí)，說明遙控門鈴的調(diào)試工作完成，這樣 一款即有趣又實(shí)用的無線音樂門鈴便制作完成。（產(chǎn)品詳見廣告頁）1 所示的三相步進(jìn)電機(jī)為例，其定子上有 6 個(gè)磁 極，每 2 個(gè)相對(duì)的磁極（如 ：A-A）組成一對(duì)， 共有 3 對(duì)。每對(duì)磁極上都繞有線圈，也即形成一 相，這樣 3 對(duì)磁極就有 3 個(gè)繞組，

5、形成三相，依 此類推，若為 4 相電機(jī)則就有 4 對(duì)磁極、4 相繞 組。三相步進(jìn)電機(jī)定子的各相磁極在空間上互差120° /60°。 電機(jī)中轉(zhuǎn)子部分也具有相應(yīng)的磁極，稱為轉(zhuǎn)子小齒，相鄰兩轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子小齒對(duì)齊的狀 態(tài)稱為對(duì)齒（如圖 1 中轉(zhuǎn)子小齒 1 與定子小齒 A 就 是對(duì)齒）；而把定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒不對(duì)齊的狀態(tài)稱 為錯(cuò)齒（如圖 1 中的 2 與 B、3 與 C 等即為錯(cuò)齒）。 錯(cuò)齒的存在是步進(jìn)電機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)的前提條件，所以， 在步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)中必須保證有錯(cuò)齒的存在，也就 是說，當(dāng)某一相處于對(duì)齒狀態(tài)時(shí)，其他相必須處于 錯(cuò)齒狀態(tài)

6、。以圖 1 所示的三相步進(jìn)電機(jī)為例，其轉(zhuǎn) 子小齒1與A 相對(duì)齊時(shí)，齒2與B 錯(cuò)開了 1/3 ， 齒3與C 錯(cuò)開了 2/3 。A 轉(zhuǎn)子13C'142B定子3 3吸轉(zhuǎn)動(dòng)并與 C 相對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又順時(shí)針轉(zhuǎn)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(duì)齊，轉(zhuǎn)子 又順時(shí)針轉(zhuǎn)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(jī)就每 步（每脈沖）順時(shí)針方 向 旋 轉(zhuǎn) 1/3 ，經(jīng)過了 3 步的一個(gè)循 環(huán)，齒 1 就順時(shí)針轉(zhuǎn)過一個(gè)齒 距，如果不斷地按 ABCA 的相序通電，電機(jī)就可以持2 4B'1A'2 續(xù)

7、地順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)下去。若要電機(jī)反轉(zhuǎn)，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(jī)就 會(huì)按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。圖1 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.步進(jìn)工作過程分析步進(jìn)電機(jī)的工作原理與電磁鐵類似。A 相通電，B、C 相不通電時(shí)（圖 2），由于磁 場(chǎng)力的作用，齒1與A 對(duì)齊。B 相通電，A、C 相不通電時(shí)（圖 3），B 齒將 產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引較近的轉(zhuǎn)子小齒 2，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng) 力矩，齒2 將與B 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過 1/3 ， 此時(shí)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(shí)（圖 4），齒 3 被二、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理步進(jìn)

8、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制方法與直流電機(jī)不同， 直流電機(jī)只需通入直流電源即可運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)電壓大 小可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。而步進(jìn)電機(jī)接收的是數(shù)字量， 轉(zhuǎn)速的大小由外加的脈沖頻率決定，電壓的大小與 轉(zhuǎn)速的快慢無關(guān)，只與電機(jī)的輸出力矩有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器主要由脈沖信號(hào)產(chǎn)生電 路、脈沖信號(hào)分配電路，功率放大電路等部分組成， 其結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。驅(qū)動(dòng)控制器脈信功步 沖號(hào)率進(jìn) 信分放電 號(hào)配大機(jī)多諧振蕩器產(chǎn)生，選擇開關(guān) S1 和不同振蕩電容 C1/ C2 相連，可得到不同頻段的脈沖信號(hào)，通過電位器 RP 可使其 3 腳輸出的信號(hào)頻率連續(xù)可調(diào)，該脈沖 信號(hào)加到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 CD4017 的時(shí)鐘輸入 CP 端，作為步

9、進(jìn)電機(jī)工作的時(shí)鐘。圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成脈沖信號(hào)電路的主要功能是產(chǎn)生一定頻率的控 制脈沖信號(hào)，用以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，其頻率直 接決定了步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。信號(hào)分配電路是整個(gè)控制器的核心部分，由于 其提供的信號(hào)總是周期循環(huán)的，所以也稱為“環(huán)形 脈沖分配電路”，它會(huì)根據(jù)不同步進(jìn)電機(jī)的控制需求， 將脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到功率放大器上從 而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的工作。例如上文所述的三相步進(jìn) 電機(jī)，其通電相序?yàn)椤癆BCA ”，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(gè)循環(huán)需換相 3 次。盡 管這時(shí)電機(jī)也可工作，但

10、不夠穩(wěn)定，易產(chǎn)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(shí)每步有二相同時(shí)接通，也稱“三 相雙三拍”，這樣步進(jìn)電機(jī)工作會(huì)更加平穩(wěn)。當(dāng) 然 還 有 其 他 的 信 號(hào) 分 配 方 式， 如 在 二 相 間 插 入 一 個(gè) 中 間 相， 按 “A ABB BCC CA A”的相序運(yùn)行， 即“三相六拍”，此時(shí)完成一個(gè)循環(huán)需 6 步，每次 轉(zhuǎn)過的角度只是三拍時(shí)的一半，也就實(shí)現(xiàn)了“二細(xì) 分”。當(dāng)然我們也可以通過各相繞組電流不同大小的 組合，實(shí)現(xiàn)更多步的細(xì)分，這就是步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分 驅(qū)動(dòng)，細(xì)分的步數(shù)越多，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)也會(huì)越平 穩(wěn)。對(duì)于其他類型的步進(jìn)電機(jī)，如四相電機(jī)的單四拍

11、、 雙四拍、八拍等，讀者也可以自己進(jìn)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(hào) 產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào)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(hào)由 NE555 構(gòu)成的一個(gè)電機(jī)的工作步序由 CD4017 的計(jì)數(shù)輸出端提 供。由于目前市面上步進(jìn)電機(jī)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(jìn)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(gè)循環(huán)需 有三個(gè)步序，故由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 CD4017 構(gòu)成一 個(gè) 3 進(jìn)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(hào)，而將 Q3

12、 直接接到 CD4017 的復(fù)位端 R，從而構(gòu)成了一個(gè)完整的環(huán)形 分配電路?！半p”是在每一步序中電機(jī)要有 2 相同時(shí) 得電，經(jīng)對(duì)表 1 中不同步序的真值表分析可知，“A” 相的值應(yīng)在步序1和3 均為有效，此時(shí)可將 Q0 與 Q2 的輸出信號(hào)經(jīng)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(hào)。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(jīng)數(shù)字門電路輸出的步序信號(hào)還無法直接 驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，故還需增加一級(jí)功率放大做為整 個(gè)控制電

13、路的輸出。由于通常電子小制作中使用 的步進(jìn)電機(jī)功率較小，故本電路選用的是達(dá)林頓 電流驅(qū)動(dòng)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(dá)到 1A 左右，所以本電路使 用其灌電流工作方式，ULN2803 內(nèi) 部的續(xù)流二 極管也保證了其與電機(jī)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(jìn)行供電，一組經(jīng)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的輸出力矩，繞組的另一端接在 ULN2803 的相應(yīng)輸出端。圖8 ULN2803結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖8四、

15、控制器的制作與調(diào)試該步進(jìn)電機(jī)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(diào)試。為防止調(diào)試過程中電 機(jī)堵轉(zhuǎn)，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(yīng)輸出端，接通電源后發(fā)光二極管應(yīng)能順序點(diǎn)亮 ； 撥動(dòng)擋位選擇開關(guān) S1，發(fā)光二極管點(diǎn)亮的頻率應(yīng)有 明顯的變化，調(diào)節(jié)電位器 RP 發(fā)光二極管點(diǎn)亮的頻 率應(yīng)能平滑的變化，至此步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器安裝完成。去掉調(diào)試的發(fā)光二極管和限流電阻，將步進(jìn)電 機(jī)的繞組線圈接入電路中，通電即可運(yùn)轉(zhuǎn)。讀者 可根據(jù)實(shí)際的控制需要選擇 C1、C2 的參數(shù)（通 常約為零點(diǎn)零幾幾個(gè) F 之間），使 S1與 C1 相連時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速約在 100轉(zhuǎn)/ 分 以 下 ；與 C2 相連時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速在 100 幾百轉(zhuǎn) / 分之間。調(diào) 節(jié)電位器 RP 電機(jī)在各擋位轉(zhuǎn)速應(yīng)能平滑變化。 撥動(dòng)選擇開關(guān) S2，可以交換二組的相序，使電機(jī) 反方向旋轉(zhuǎn)。569對(duì)于其它類型的步進(jìn)電機(jī)控制