绪 论
本次设计完成冲床自动控制系统的总体设计，包括机械的尺寸设计、机械的
主要零件和组成部分及在机体上结构位置设计、激振源的确定及计算（振动电
机）、悬挂弹簧设计、机械结构的动力学分析，包括机械的运动学参数确定（振
动方向角、振幅、振动圆频率等）、物体在槽体上的运动情况分析、动力学模型
确定及动力学分析、安装、使用及维护、技术条件等任务。
首先完成振动给料机的总体设计，依据处理量和工作原理，确定机械参数、
槽体设计几何尺寸、振动电机功率的计算和型号的选取、悬挂弹簧的设计和槽体、
弹簧强度的校核；最后，完成振动给料机的安装、使用、维护等技术条件的说明。
步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，就传统的步进电机来说，步进电
动机可简单的定义为，根据输入的脉冲信号每改变一次励磁状态就前进一定角
度，若不改变则保持一定的位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电动机是一
种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与
控制脉冲同步的 同步电动机。
由于用可编程控制器（PLC ）对步进电机进行控制价格比较贵，而单片机由
于其运算速度和精度已得到广泛的应用，尤其在工业过程控制及仪表中，单片机
对于步进电机的精确控制具有特别重要的意义。它具有体积小、是实现机电一体
化的理想控制装置等显著优点，因此本文利用单片机来控制步进电机，介绍了控
制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的
设计思路。目前它在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。
步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角
位移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定
的方向转动一个固定的角度（步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，
从而达到准确定位的目的；同时通过控制单片机的脉冲频率来控制电机转动的速
度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机最大特征即是能够简单的做到高
精度的定位控制。
单片机控制步进电机的系统构成简单，不需要速度感应器及位置传感器，就
能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、
高频度、高精度之定位控制的场合下使用。同时步进电机在中低速时具有较大的
转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。使用步进电机装置与使用离
合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在
检查及保养时也较简单容易。步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，
仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。
步进电机具有优越的控制特性, 而单片机控制步进电机的系统也将会得到广
泛的应用。
第1章 步进电机概述 . ............................................................................................................................. 3
1.1 步进电机简述............................................................................................................................ 3
1.1.1 步进电机结构以及工作原理 . ...................................................................................................... 3
1.2 步进电机的指标........................................................................................................................ 4
1.2.1 步进电机的术语 . .......................................................................................................................... 4
1.2.2 步进电机的动态指标 . .................................................................................................................. 5
1.3步进电机驱动控制模块............................................................................................................. 6
第2章 步进电机的控制方案.................................................................................................................. 8
2.1步进电机的控制类型简介......................................................................................................... 8
2.1.1 开环控制 . ...................................................................................................................................... 8
2.1.2 步进电机的闭环控制 . ................................................................................................................ 10
2.2步进电机的加减速定位控制................................................................... 错误！未定义书签。
2.3基本方案的确定....................................................................................... 错误！未定义书签。
第3章 硬件设计 ................................................................................................... 错误！未定义书签。
3.1步进电机的选择....................................................................................... 错误！未定义书签。
3.1.1 步进电机设计步骤： ............................................................................. 错误！未定义书签。
3.2 单片机的微机接口.................................................................................. 错误！未定义书签。
3.2.1 工作电源及复位电路 . ................................................................................. 错误！未定义书签。
3.2.2 CPU时钟电路............................................................................................... 错误！未定义书签。
3.3 . ................................................................................. 错误！未定义书签。 单片机的选择：
3.3.1．主要特性： . ............................................................................................ 错误！未定义书签。
3.3.2．管脚说明： . ............................................................................................ 错误！未定义书签。
3.4 传感器的选择.......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.4.1 光栅式传感器的特点： . ............................................................................. 错误！未定义书签。
3.4.2 计量光栅的种类 . ......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.4.3 莫尔条纹 . ..................................................................................................... 错误！未定义书签。
3.4.4 光栅式传感器 . ............................................................................................. 错误！未定义书签。
3.5 传动机构设计.......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.6 工作台的设计.......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.7 硬件的总体逻辑设计.............................................................................. 错误！未定义书签。
第四章 . ............................................................................................. 错误！未定义书签。 软件部分
4.1 步进电机控制部分.................................................................................. 错误！未定义书签。
4.2 加减速控制部分...................................................................................... 错误！未定义书签。
第5章 结 论 ......................................................................................................... 错误！未定义书签。
附 录 ..................................................................................................................... 错误！未定义书签。
程序清单：...................................................................................................... 错误！未定义书签。
第1章 步进电机概述
1.1 步进电机简述
步进电机（也称脉冲电机）是一种跟踪脉冲信号来控制转角和转速、并适合
微控制器控制的电机。下面我们还是主要介绍它的转动控制。
步进电机又称脉冲电机, 是数字控制系统中的一种执行元件, 其功能是将脉
冲电信号变换成相应的角位移或者线位移. 通俗来说, 即给一个脉冲电信号, 电机
就转动一个角度或前进一步。
1.1.1 步进电机结构以及工作原理
步进电机按照其结构以及工作原理分为反应式步进电机, 混合式步进电机,
永磁式步进电机和特种步进电机。
(1) 步进电机结构
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分
别与转子齿轴线错开。1/3τ、2/3τ（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以, τ表示），
即A 与齿1相对齐，B 与齿2向右错开1/3τ，C 与齿3向右错开2/3τ，A ' 与齿5
相对齐（A ' 就是A ，齿5就是齿1）, 下图1-1是定转子的展开图：
图1-1 定转子的展开图
(2) 步进电机工作原理
如A 相通电，B ，C 相不通电时，由于磁场作用，齿1与A 对齐，（转子不
受任何力以下均同）。
如B 相通电，A ，C 相不通电时，齿2应与B 对齐，此时转子向右移过1/3τ，
此时齿3与C 偏移为1/3τ，齿4与A 偏移τ-1/3τ=2/3τ。如C 相通电，A ，B 相不
通电，齿3应与C 对齐，此时转子又向右移过1/3τ，此时齿4与A 偏移为1/3τ
对齐。如A 相通电，B ，C 相不通电，齿4与A 对齐，转子又向右移过1/3。
这样经过A 、B 、C 、A 分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A 相，电
机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A ，B ，C ，A……通电，电机就每步（每
脉冲）1/3τ, 向右旋转。如按A ，C ，B ，A……通电，电机就反转。由此可见：
电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电
顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用
A-AB-B-BC-C-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步1/3τ改变为1/6τ。甚至于
通过二相电流不同的组合，使其1/3τ变为1/12τ，1/24τ，这就是电机细分驱动的
基本理论依据。
反应式步进电机可以按照特定的指令旋转某一角度进行角度控制, 也可以连
续不断的转动进行控制. 角度控制时, 每输入一个脉冲, 定子绕组就换接一次, 输出
轴就转过一个角度, 其步数与脉冲数一致, 输出轴转过的角位移量输入脉冲数成
正比。速度控制时, 步进电机绕组中送入的是连续脉冲, 各相脉冲不断的通断, 步
进电机连续运转, 它的转速与脉冲频率成正比. 由齿矩角的计算公式360°/ZN; (N
为运行拍数) 每输入一个脉冲, 转子转过的角度整个圆周角的也就是转过1/ZN
转。因此每分钟转子所转过的圆周数。即转速为: n=60f/ZN(转/分) f为控制脉冲
的频率, 即每秒输入的脉冲数。
有上式可知, 反应式步进电机的转速取决于脉冲的频率, 转子齿数和拍数.
当转子齿数一定时, 转子转速与输入脉冲的频率成正比, 或者说, 其转速与输入脉
冲的频率同步, 改变脉冲的频率可以改变转速, 故可以进行无级调速, 调速范围广。
另外, 改变通电顺序, 即改变定子磁场旋转方向, 就可以控制电机正转或者反
转。步进电机的转速可用齿矩角来表示。
当脉冲频率一定时, 步矩角越小, 电机转速就越低, 因而输出功率也就越小,
所以从提高加工精度上要求应该选用小的步矩角, 但是从提高输出功率上要求时,
步矩角不能取的太小, 一般步矩角根据系统中的应用情况进行选取. 步进电机控制
示意图如图1-2所示
图1--2控制步进电机示意框图
1.2 步进电机的指标
1.2.1 步进电机的术语
1. 相数
产生不同对极N 、S 磁场的激磁线圈对数。常用m 表示。
2．拍数
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n 表示，或指电机转过一
个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方AB-BC-CD-DA-AB ，
四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。
3. 步距角
对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数
J 为运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距
角为1.8°（俗称整步），八拍运行时步距角为0.9°（俗称半步）。
4. 定位转矩
电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机
械误差造成的）。
5. 静转矩
电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此
力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采
用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及
机械噪音。
三相反应式步进电机, 定子有六个极, 不带小齿,. 几种工作方式的相序如下:
三相单三拍 A---B---C---A
三相六拍 A---AB---B---BC---C---CA---A
三相双三拍 AB---BC---CA---AB
三相是指步进电机具有三相定子绕组
“三拍”是指三次换接为一个循环, 第四次换接为第一次的情况。
1.2.2 步进电机的动态指标
1、步距角精度
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差
/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时
应在15%以内。
2、失步
电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。
3、失调角
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生
的误差，采用细分驱动是不能解决的。
4、最大空载起动频率
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接
起动的最大频率。
5、最大空载的运行频率 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
6、运行矩频特性 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩
频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图
1-3所示：
图1-3 力矩与频率关系的曲线
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取
决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越
大，即电机的频率特性越硬。如图1-4所示：
图1-4 电机力矩频率和负载的关系 其中，曲线3电流最大、或电压最高; 曲线1电流最小、或电压最低，曲线
与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使
采用小电感大电流的电机。
步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力
距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如图1-5
所示：
图1-5 电压对力矩影响
7. 电机的共振点 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在
180-250pps 之间（步距角1.8度）或在400pps 左右（步距角为0.9度），电机驱
动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反
之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应
偏移共振区较多。
8. 细分驱动器 细分驱动器的原理是通过改变相邻（A ，B ）电流的大小，以改变合成磁场
的夹角来控制步进电机运转的。
1.3步进电机驱动控制模块
步进电机驱动控制系统的硬件电路由脉冲发生单元, 脉冲分配器, 微机控制单
元和功率放大器几个部分组成. 示意框图如1-6所示:
图1-6 步进电机驱动控制框图
1 . 脉冲信号的产生 ：脉冲信号一般由单片机或CPU 产生，一般脉冲信号
的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。
2. 信号分配：脉冲分配器的作用就是在步进脉冲的激励下产生步进脉冲. 利
用移位寄存器可以实现脉冲分配。如图1-7利用4位移位寄存器74LS194可以构
成脉冲分配器。
图1-7 74LS194管脚图
感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二
相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为, 步距角为1.8度；二相八拍为, 步距角
为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB, 步距角
为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。
3. 功率放大 ：功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速
下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电
流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克
服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方
式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 为尽
量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。
第2章 步进电机的控制方案
2.1步进电机的控制类型简介
采用单片机微机对步进电机进行控制，方法有开环控制和闭环控制两种。
2.1.1 开环控制
开环控制包括串行控制和并行控制。
串行控制中，单片机与步进电机功率驱动接口之间只需两条控制线，一条是
用来发送走步脉冲（CP ），另一条是用来发送指定旋转方向的电平信号，如图3.9
所示。串行控制的功率接口电路内部含有一个环行分配器电路。环行分配器电路
的作用是将CP 脉冲转换成多相循环变化的脉冲。
图2-1是使用CH250工作三相六拍状态的接线图。通过设置引脚（1，2和
14，15）的电平，可使CH250按双三拍、单三拍、单双六拍以及相应的正反共六
种状态工作。
图2-1 CH250三相六拍脉冲
图2-2是L298步进电机控制器的原理图。其中包括：
（1）译码器（即是环行分配器）它将时钟脉冲、正/反转信号、半/整步信
号综合后，产生所要求的各相通断信号。
（2）由比较器、触发器和振荡器组成。用于检测电流采样值和参考值，并
进行比较。由比较器输出信号来开通触发器，再由振荡器决定频率并实现斩波。
（3）输出逻辑 输出逻辑综合了分配信号与斩波信号，产生ABCD 四相信号。
图2-2 L298内部电路原理图
在实际应用中，利用EPROM 和可逆计数器组合，可以构成通用型分配器，如
图2-3所示。这种环形分配器的工作原理是：设置计数器的计数长度等于电机运
行的拍数（或拍数的整数倍）。计数器的输出端接到EPROM 地址线上，并使用EPROM
总处于读出状态。这样，计数器每一个输出状态都对应EPROM 的一个地址，EPROM
地址单元中的内容就可以确定其数据输出端的某一种状态。只要根据要求设定计
数长度和固化EPROM 中的内容，就能完成所要求的环形分配器的输入输出逻辑关
系。改变EPROM 的页地址，可以设定不同的逻辑关系，从而实现诸如：正转、反
转、二相、三相、四相各种拍数的控制逻辑的通用环形分配器功能。
图2-3通用环形分配器
在并行控制中，单片机用数条输出线直接去控制步进电机各相绕组的驱动线
路。很显然，电机功率接口中不包含环形分配器，环形分配器的功能必须由单片
机来完成。而单片机实现脉冲分配的功能又有两种方法，一种是纯软件方法，即
是全部用软件来实现相序配，直接输出各相导通或截止的信号。另一种方法是软
件与硬件结合的方法
2.1.2 步进电机的闭环控制
绪 论
本次设计完成冲床自动控制系统的总体设计，包括机械的尺寸设计、机械的
主要零件和组成部分及在机体上结构位置设计、激振源的确定及计算（振动电
机）、悬挂弹簧设计、机械结构的动力学分析，包括机械的运动学参数确定（振
动方向角、振幅、振动圆频率等）、物体在槽体上的运动情况分析、动力学模型
确定及动力学分析、安装、使用及维护、技术条件等任务。
首先完成振动给料机的总体设计，依据处理量和工作原理，确定机械参数、
槽体设计几何尺寸、振动电机功率的计算和型号的选取、悬挂弹簧的设计和槽体、
弹簧强度的校核；最后，完成振动给料机的安装、使用、维护等技术条件的说明。
步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，就传统的步进电机来说，步进电
动机可简单的定义为，根据输入的脉冲信号每改变一次励磁状态就前进一定角
度，若不改变则保持一定的位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电动机是一
种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与
控制脉冲同步的 同步电动机。
由于用可编程控制器（PLC ）对步进电机进行控制价格比较贵，而单片机由
于其运算速度和精度已得到广泛的应用，尤其在工业过程控制及仪表中，单片机
对于步进电机的精确控制具有特别重要的意义。它具有体积小、是实现机电一体
化的理想控制装置等显著优点，因此本文利用单片机来控制步进电机，介绍了控
制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的
设计思路。目前它在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。
步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角
位移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定
的方向转动一个固定的角度（步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，
从而达到准确定位的目的；同时通过控制单片机的脉冲频率来控制电机转动的速
度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机最大特征即是能够简单的做到高
精度的定位控制。
单片机控制步进电机的系统构成简单，不需要速度感应器及位置传感器，就
能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、
高频度、高精度之定位控制的场合下使用。同时步进电机在中低速时具有较大的
转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。使用步进电机装置与使用离
合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在
检查及保养时也较简单容易。步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，
仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。
步进电机具有优越的控制特性, 而单片机控制步进电机的系统也将会得到广
泛的应用。
第1章 步进电机概述 . ............................................................................................................................. 3
1.1 步进电机简述............................................................................................................................ 3
1.1.1 步进电机结构以及工作原理 . ...................................................................................................... 3
1.2 步进电机的指标........................................................................................................................ 4
1.2.1 步进电机的术语 . .......................................................................................................................... 4
1.2.2 步进电机的动态指标 . .................................................................................................................. 5
1.3步进电机驱动控制模块............................................................................................................. 6
第2章 步进电机的控制方案.................................................................................................................. 8
2.1步进电机的控制类型简介......................................................................................................... 8
2.1.1 开环控制 . ...................................................................................................................................... 8
2.1.2 步进电机的闭环控制 . ................................................................................................................ 10
2.2步进电机的加减速定位控制................................................................... 错误！未定义书签。
2.3基本方案的确定....................................................................................... 错误！未定义书签。
第3章 硬件设计 ................................................................................................... 错误！未定义书签。
3.1步进电机的选择....................................................................................... 错误！未定义书签。
3.1.1 步进电机设计步骤： ............................................................................. 错误！未定义书签。
3.2 单片机的微机接口.................................................................................. 错误！未定义书签。
3.2.1 工作电源及复位电路 . ................................................................................. 错误！未定义书签。
3.2.2 CPU时钟电路............................................................................................... 错误！未定义书签。
3.3 . ................................................................................. 错误！未定义书签。 单片机的选择：
3.3.1．主要特性： . ............................................................................................ 错误！未定义书签。
3.3.2．管脚说明： . ............................................................................................ 错误！未定义书签。
3.4 传感器的选择.......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.4.1 光栅式传感器的特点： . ............................................................................. 错误！未定义书签。
3.4.2 计量光栅的种类 . ......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.4.3 莫尔条纹 . ..................................................................................................... 错误！未定义书签。
3.4.4 光栅式传感器 . ............................................................................................. 错误！未定义书签。
3.5 传动机构设计.......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.6 工作台的设计.......................................................................................... 错误！未定义书签。
3.7 硬件的总体逻辑设计.............................................................................. 错误！未定义书签。
第四章 . ............................................................................................. 错误！未定义书签。 软件部分
4.1 步进电机控制部分.................................................................................. 错误！未定义书签。
4.2 加减速控制部分...................................................................................... 错误！未定义书签。
第5章 结 论 ......................................................................................................... 错误！未定义书签。
附 录 ..................................................................................................................... 错误！未定义书签。
程序清单：...................................................................................................... 错误！未定义书签。
第1章 步进电机概述
1.1 步进电机简述
步进电机（也称脉冲电机）是一种跟踪脉冲信号来控制转角和转速、并适合
微控制器控制的电机。下面我们还是主要介绍它的转动控制。
步进电机又称脉冲电机, 是数字控制系统中的一种执行元件, 其功能是将脉
冲电信号变换成相应的角位移或者线位移. 通俗来说, 即给一个脉冲电信号, 电机
就转动一个角度或前进一步。
1.1.1 步进电机结构以及工作原理
步进电机按照其结构以及工作原理分为反应式步进电机, 混合式步进电机,
永磁式步进电机和特种步进电机。
(1) 步进电机结构
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分
别与转子齿轴线错开。1/3τ、2/3τ（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以, τ表示），
即A 与齿1相对齐，B 与齿2向右错开1/3τ，C 与齿3向右错开2/3τ，A ' 与齿5
相对齐（A ' 就是A ，齿5就是齿1）, 下图1-1是定转子的展开图：
图1-1 定转子的展开图
(2) 步进电机工作原理
如A 相通电，B ，C 相不通电时，由于磁场作用，齿1与A 对齐，（转子不
受任何力以下均同）。
如B 相通电，A ，C 相不通电时，齿2应与B 对齐，此时转子向右移过1/3τ，
此时齿3与C 偏移为1/3τ，齿4与A 偏移τ-1/3τ=2/3τ。如C 相通电，A ，B 相不
通电，齿3应与C 对齐，此时转子又向右移过1/3τ，此时齿4与A 偏移为1/3τ
对齐。如A 相通电，B ，C 相不通电，齿4与A 对齐，转子又向右移过1/3。
这样经过A 、B 、C 、A 分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A 相，电
机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A ，B ，C ，A……通电，电机就每步（每
脉冲）1/3τ, 向右旋转。如按A ，C ，B ，A……通电，电机就反转。由此可见：
电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电
顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用
A-AB-B-BC-C-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步1/3τ改变为1/6τ。甚至于
通过二相电流不同的组合，使其1/3τ变为1/12τ，1/24τ，这就是电机细分驱动的
基本理论依据。
反应式步进电机可以按照特定的指令旋转某一角度进行角度控制, 也可以连
续不断的转动进行控制. 角度控制时, 每输入一个脉冲, 定子绕组就换接一次, 输出
轴就转过一个角度, 其步数与脉冲数一致, 输出轴转过的角位移量输入脉冲数成
正比。速度控制时, 步进电机绕组中送入的是连续脉冲, 各相脉冲不断的通断, 步
进电机连续运转, 它的转速与脉冲频率成正比. 由齿矩角的计算公式360°/ZN; (N
为运行拍数) 每输入一个脉冲, 转子转过的角度整个圆周角的也就是转过1/ZN
转。因此每分钟转子所转过的圆周数。即转速为: n=60f/ZN(转/分) f为控制脉冲
的频率, 即每秒输入的脉冲数。
有上式可知, 反应式步进电机的转速取决于脉冲的频率, 转子齿数和拍数.
当转子齿数一定时, 转子转速与输入脉冲的频率成正比, 或者说, 其转速与输入脉
冲的频率同步, 改变脉冲的频率可以改变转速, 故可以进行无级调速, 调速范围广。
另外, 改变通电顺序, 即改变定子磁场旋转方向, 就可以控制电机正转或者反
转。步进电机的转速可用齿矩角来表示。
当脉冲频率一定时, 步矩角越小, 电机转速就越低, 因而输出功率也就越小,
所以从提高加工精度上要求应该选用小的步矩角, 但是从提高输出功率上要求时,
步矩角不能取的太小, 一般步矩角根据系统中的应用情况进行选取. 步进电机控制
示意图如图1-2所示
图1--2控制步进电机示意框图
1.2 步进电机的指标
1.2.1 步进电机的术语
1. 相数
产生不同对极N 、S 磁场的激磁线圈对数。常用m 表示。
2．拍数
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n 表示，或指电机转过一
个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方AB-BC-CD-DA-AB ，
四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。
3. 步距角
对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数
J 为运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距
角为1.8°（俗称整步），八拍运行时步距角为0.9°（俗称半步）。
4. 定位转矩
电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机
械误差造成的）。
5. 静转矩
电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此
力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采
用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及
机械噪音。
三相反应式步进电机, 定子有六个极, 不带小齿,. 几种工作方式的相序如下:
三相单三拍 A---B---C---A
三相六拍 A---AB---B---BC---C---CA---A
三相双三拍 AB---BC---CA---AB
三相是指步进电机具有三相定子绕组
“三拍”是指三次换接为一个循环, 第四次换接为第一次的情况。
1.2.2 步进电机的动态指标
1、步距角精度
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差
/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时
应在15%以内。
2、失步
电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。
3、失调角
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生
的误差，采用细分驱动是不能解决的。
4、最大空载起动频率
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接
起动的最大频率。
5、最大空载的运行频率 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
6、运行矩频特性 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩
频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图
1-3所示：
图1-3 力矩与频率关系的曲线
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取
决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越
大，即电机的频率特性越硬。如图1-4所示：
图1-4 电机力矩频率和负载的关系 其中，曲线3电流最大、或电压最高; 曲线1电流最小、或电压最低，曲线
与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使
采用小电感大电流的电机。
步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力
距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如图1-5
所示：
图1-5 电压对力矩影响
7. 电机的共振点 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在
180-250pps 之间（步距角1.8度）或在400pps 左右（步距角为0.9度），电机驱
动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反
之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应
偏移共振区较多。
8. 细分驱动器 细分驱动器的原理是通过改变相邻（A ，B ）电流的大小，以改变合成磁场
的夹角来控制步进电机运转的。
1.3步进电机驱动控制模块
步进电机驱动控制系统的硬件电路由脉冲发生单元, 脉冲分配器, 微机控制单
元和功率放大器几个部分组成. 示意框图如1-6所示:
图1-6 步进电机驱动控制框图
1 . 脉冲信号的产生 ：脉冲信号一般由单片机或CPU 产生，一般脉冲信号
的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。
2. 信号分配：脉冲分配器的作用就是在步进脉冲的激励下产生步进脉冲. 利
用移位寄存器可以实现脉冲分配。如图1-7利用4位移位寄存器74LS194可以构
成脉冲分配器。
图1-7 74LS194管脚图
感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二
相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为, 步距角为1.8度；二相八拍为, 步距角
为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB, 步距角
为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。
3. 功率放大 ：功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速
下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电
流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克
服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方
式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 为尽
量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。
第2章 步进电机的控制方案
2.1步进电机的控制类型简介
采用单片机微机对步进电机进行控制，方法有开环控制和闭环控制两种。
2.1.1 开环控制
开环控制包括串行控制和并行控制。
串行控制中，单片机与步进电机功率驱动接口之间只需两条控制线，一条是
用来发送走步脉冲（CP ），另一条是用来发送指定旋转方向的电平信号，如图3.9
所示。串行控制的功率接口电路内部含有一个环行分配器电路。环行分配器电路
的作用是将CP 脉冲转换成多相循环变化的脉冲。
图2-1是使用CH250工作三相六拍状态的接线图。通过设置引脚（1，2和
14，15）的电平，可使CH250按双三拍、单三拍、单双六拍以及相应的正反共六
种状态工作。
图2-1 CH250三相六拍脉冲
图2-2是L298步进电机控制器的原理图。其中包括：
（1）译码器（即是环行分配器）它将时钟脉冲、正/反转信号、半/整步信
号综合后，产生所要求的各相通断信号。
（2）由比较器、触发器和振荡器组成。用于检测电流采样值和参考值，并
进行比较。由比较器输出信号来开通触发器，再由振荡器决定频率并实现斩波。
（3）输出逻辑 输出逻辑综合了分配信号与斩波信号，产生ABCD 四相信号。
图2-2 L298内部电路原理图
在实际应用中，利用EPROM 和可逆计数器组合，可以构成通用型分配器，如
图2-3所示。这种环形分配器的工作原理是：设置计数器的计数长度等于电机运
行的拍数（或拍数的整数倍）。计数器的输出端接到EPROM 地址线上，并使用EPROM
总处于读出状态。这样，计数器每一个输出状态都对应EPROM 的一个地址，EPROM
地址单元中的内容就可以确定其数据输出端的某一种状态。只要根据要求设定计
数长度和固化EPROM 中的内容，就能完成所要求的环形分配器的输入输出逻辑关
系。改变EPROM 的页地址，可以设定不同的逻辑关系，从而实现诸如：正转、反
转、二相、三相、四相各种拍数的控制逻辑的通用环形分配器功能。
图2-3通用环形分配器
在并行控制中，单片机用数条输出线直接去控制步进电机各相绕组的驱动线
路。很显然，电机功率接口中不包含环形分配器，环形分配器的功能必须由单片
机来完成。而单片机实现脉冲分配的功能又有两种方法，一种是纯软件方法，即
是全部用软件来实现相序配，直接输出各相导通或截止的信号。另一种方法是软
件与硬件结合的方法
2.1.2 步进电机的闭环控制