第十三章 步进电动机传动控制系统
11.1 步进电动机 结构与工作原理
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元
件 。
步进电动机的分类,
工作原理
反应式
永磁式
混合式
输出转
矩大小
快速步进电机
功率步进电机
励磁相数 二、三、四、五、六、八相等
角位移 输入脉冲个数
运行速度 输入脉冲频率
一、步进电动机的组成
如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图
定子,由定子铁心、绕组、绝缘
材料等组成
励磁绕组由外部脉冲信号对各
相绕组轮流励磁 。 如图所示 。
A' A K1
K2
K3
B'
C'
B
C
转子,由转子铁心, 转轴等组成 。 转子铁心是由硅钢片或软磁材
料叠压而成的齿形铁心 。
二、步进电动机的工作原理
给 A相绕组通电时, 转子位
置如图 （ a）, 转子齿偏离定
子齿一个角度 。 由于励磁磁
通力图沿磁阻最小路径通过,
因此对转子产生电磁吸力,
迫使转子齿转动, 当转子转
到与定子齿对齐位置时 (图 b)，
因转子只受径向力而无切线
力, 故转矩为零, 转子被锁
定在这个位置上 。 由此可见：
错齿是助使步进电机旋转的
根本原因 。
工作原理 T11-2.SWF
结论,
通电顺序为 A— B－Ｃ－Ａ时, 转子按顺时针方向一步一步转动
通电顺序改为 A－Ｃ－Ｂ－Ａ, 时, 转子按逆时针方向一步一步转
动 。 T11-3.SWF
三、步进电动机的通电方式
1,单相通电方式：指对每相绕组单独轮流通电, 对于三相步
进电动机,
正转,A－ B－Ｃ－Ａ 时, 转子按顺时针方向一步一步转动 。
反转,A－Ｃ－Ｂ－Ａ 时, 转子按逆时针方向一步一步转动 。
2,单、双拍工作方式,
正转,A-AB-B-BC-C-CA-A
反转,A-CA-C-BC-B-AB-A
3,双拍工作方式,
正转,AB-BC-CA-AB
反转,AC-CA-BC-AC
四、步进电动机的步距角
由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过
的角度称为步距角。 T11-2.SWF
?＝ 360?/ZKm
其中,Z－ 转子齿数
m－ 定子绕组相数
K－ 通电系数 K=1,2
若二相步进电动机的 Z=100,单拍运行时, 其步距角
?? 8.1
1002
360 ?
???
?? 9.0
10022
360 ?
????
若按单、双通电方式运行时，步距角
由此可见，步进电动机的转子齿数 Z和定子相数 (或运行拍数 )
愈多，则步距角愈小，控制越精确。
当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机
就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为 f(HZ)，步距角用弧度表
示，则步进电动机的转速为,
fK m Z
fK m Zf
n 60602
2
602 ??? ?
?
?
?
五、步进电动机的主要性能指标
1,步距角
2,最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，
输入脉冲信号的最大频率。 T11-2.SWF
3,最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减
小的最大频率。
4,步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。
5,输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小
步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为 矩频特性 。
13.2 步进电动机的驱动电源
一、驱动电源的组成
脉
冲
分
配
器
功放电路 三 相
步
进
电
机
负载
功率电
源
分配器电源
功放电路
功放电路
功率放大器
步进脉冲
方向信号
f
A
B
C
脉冲分配器 +功率放大电路
1,脉冲分配器
当方向电平为低时，脉冲
分配器的输出按 A-B-C的顺序
循环产生脉冲。
f
A
B
C
当方向电平为高时，脉
冲分配器的输出按 A-C-B的顺
序循环产生脉冲。
A
B
C
f
2.功率放大器
将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供
电，使电动机的转子产生输出转矩。
二, 步进电动机的脉冲分配器
步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现 。
硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应
速度，且具有直观、维护方便等优点。
软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型
计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。
1.硬件环形分配器
B
Q
C
Q
C
Q
A
Q
A
Q
B
Q
W
-
Q
A
C
AJ
K
A
Q
+
&
&
Q
B
C
BJ
K
B
Q
+
&
&
R
W
+
Q
C
C
BJ
K
C
Q
+
&
&
R S
CP
复位
& & &
A相 B相 C相
序号
控制信号状态
输出状态
导电绕组
CAJ CBJ CCJ QA QB QC
0 1 1 0 1 0 0 A
1 0 1 0 1 1 0 AB
2 0 1 1 0 1 0 B
3 0 0 1 0 1 1 BC
4 1 0 1 0 0 1 C
5 1 0 0 1 0 1 CA
6 1 1 0 1 0 0 A
2．软件环形分配
软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，
从而产生一定的脉冲分配输出。
1) 输出接口
8031单片机本身包含 4
个 8位 I/O端口，分别为 P0、
P1,P2,P3。
输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对
应起来。
8 0 3 1
P 1,0
P 1,1
P 1,2
A
B
C
驱
动
器
若要实现三相步进电动机
的脉冲分配，需要三根输出口
线，本例中选 P1口的 P1.0、
P1.1,P1.2位作为脉冲分配的
输出。
2) 输出模型
如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即,
正转,A-AB-B-BC-C-CA 反转,A-AC-C-CB-B-BC
根据 8031单片机的基本原理, 对 P1.0,P1.1,P1.2位编程使其
按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务 。
P1.7 通电 相
X X X X X 0 0 1 A
X X X X X 0 1 1 AB
X X X X X 0 1 0 B
X X X X X 1 1 0 BC
X X X X X 1 0 0 C
X X X X X 1 0 1 CA
P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 P1.6
P1输送的内容依次为,
01H A
03H AB
02H B
06H BC
04H C
05H CA
正
转
反
转
输出模型
3) 控制程序
按正转和反转的要求将输出模
型向 P1口发送，并控制步进电动机
的速度。
设输出模型存放在存储器中，首
地址为 2000H，地址指针为 DPR,初始值
为 2000H。
初始化
正转
（ DPR） → P1
调用延时子程序
(DPR)=05H
DPR-5→ DPR PR+1→ DPR
（ DPR） → P1
调用延时子程序
(DPR)=01H
PR+5→ DPR DPR-1→ DPR
N N
N Y
Y Y
三、步进电动机的功率放大电路
步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉
冲具有一定的功率驱动能力。
由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大
电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。
1.单电压驱动电路
R C R
D
V L
+ U
VT
L－ 是电动机绕组
VT－开关晶体管
电阻 R两端并联电容 C,使电流上升更快,
所以, 电容 C又称为加速电容 。
二极管 V在晶体管 VT截止时起续流和保护
作用, 串联电阻使电流下降更快, 从而使绕
组电流波形后沿变陡 。
2.高低压切换型驱动电路
R
V
1
L
+ 8 0 V
U
b1
VT
1
U
b 2
VT
2
V
2
+ 12V
U b1
0
t
U
b 2
0
t
I
0
t t
1
t 2 t 3
高低压驱动线路的优点是：功耗小, 启动力矩大, 突跳频率和
工作频率高 。 缺点是：大功率管的数量要多用一倍, 增加了驱动电
源 。
11.1 步进电动机 结构与工作原理
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元
件 。
步进电动机的分类,
工作原理
反应式
永磁式
混合式
输出转
矩大小
快速步进电机
功率步进电机
励磁相数 二、三、四、五、六、八相等
角位移 输入脉冲个数
运行速度 输入脉冲频率
一、步进电动机的组成
如图所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图
定子,由定子铁心、绕组、绝缘
材料等组成
励磁绕组由外部脉冲信号对各
相绕组轮流励磁 。 如图所示 。
A' A K1
K2
K3
B'
C'
B
C
转子,由转子铁心, 转轴等组成 。 转子铁心是由硅钢片或软磁材
料叠压而成的齿形铁心 。
二、步进电动机的工作原理
给 A相绕组通电时, 转子位
置如图 （ a）, 转子齿偏离定
子齿一个角度 。 由于励磁磁
通力图沿磁阻最小路径通过,
因此对转子产生电磁吸力,
迫使转子齿转动, 当转子转
到与定子齿对齐位置时 (图 b)，
因转子只受径向力而无切线
力, 故转矩为零, 转子被锁
定在这个位置上 。 由此可见：
错齿是助使步进电机旋转的
根本原因 。
工作原理 T11-2.SWF
结论,
通电顺序为 A— B－Ｃ－Ａ时, 转子按顺时针方向一步一步转动
通电顺序改为 A－Ｃ－Ｂ－Ａ, 时, 转子按逆时针方向一步一步转
动 。 T11-3.SWF
三、步进电动机的通电方式
1,单相通电方式：指对每相绕组单独轮流通电, 对于三相步
进电动机,
正转,A－ B－Ｃ－Ａ 时, 转子按顺时针方向一步一步转动 。
反转,A－Ｃ－Ｂ－Ａ 时, 转子按逆时针方向一步一步转动 。
2,单、双拍工作方式,
正转,A-AB-B-BC-C-CA-A
反转,A-CA-C-BC-B-AB-A
3,双拍工作方式,
正转,AB-BC-CA-AB
反转,AC-CA-BC-AC
四、步进电动机的步距角
由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过
的角度称为步距角。 T11-2.SWF
?＝ 360?/ZKm
其中,Z－ 转子齿数
m－ 定子绕组相数
K－ 通电系数 K=1,2
若二相步进电动机的 Z=100,单拍运行时, 其步距角
?? 8.1
1002
360 ?
???
?? 9.0
10022
360 ?
????
若按单、双通电方式运行时，步距角
由此可见，步进电动机的转子齿数 Z和定子相数 (或运行拍数 )
愈多，则步距角愈小，控制越精确。
当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机
就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为 f(HZ)，步距角用弧度表
示，则步进电动机的转速为,
fK m Z
fK m Zf
n 60602
2
602 ??? ?
?
?
?
五、步进电动机的主要性能指标
1,步距角
2,最大工作频率：在转子不失步的情况下，电动机连续工作时，
输入脉冲信号的最大频率。 T11-2.SWF
3,最大突跳频率：在转子不失步的情况下，电动机能增加和减
小的最大频率。
4,步距差：理想的步矩角与实际的步矩角之差。
5,输出转矩：电动机轴上的输出转矩的大小
步进电动机的输出转矩与脉冲频率的函数关系称为 矩频特性 。
13.2 步进电动机的驱动电源
一、驱动电源的组成
脉
冲
分
配
器
功放电路 三 相
步
进
电
机
负载
功率电
源
分配器电源
功放电路
功放电路
功率放大器
步进脉冲
方向信号
f
A
B
C
脉冲分配器 +功率放大电路
1,脉冲分配器
当方向电平为低时，脉冲
分配器的输出按 A-B-C的顺序
循环产生脉冲。
f
A
B
C
当方向电平为高时，脉
冲分配器的输出按 A-C-B的顺
序循环产生脉冲。
A
B
C
f
2.功率放大器
将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供
电，使电动机的转子产生输出转矩。
二, 步进电动机的脉冲分配器
步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现 。
硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应
速度，且具有直观、维护方便等优点。
软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型
计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。
1.硬件环形分配器
B
Q
C
Q
C
Q
A
Q
A
Q
B
Q
W
-
Q
A
C
AJ
K
A
Q
+
&
&
Q
B
C
BJ
K
B
Q
+
&
&
R
W
+
Q
C
C
BJ
K
C
Q
+
&
&
R S
CP
复位
& & &
A相 B相 C相
序号
控制信号状态
输出状态
导电绕组
CAJ CBJ CCJ QA QB QC
0 1 1 0 1 0 0 A
1 0 1 0 1 1 0 AB
2 0 1 1 0 1 0 B
3 0 0 1 0 1 1 BC
4 1 0 1 0 0 1 C
5 1 0 0 1 0 1 CA
6 1 1 0 1 0 0 A
2．软件环形分配
软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，
从而产生一定的脉冲分配输出。
1) 输出接口
8031单片机本身包含 4
个 8位 I/O端口，分别为 P0、
P1,P2,P3。
输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对
应起来。
8 0 3 1
P 1,0
P 1,1
P 1,2
A
B
C
驱
动
器
若要实现三相步进电动机
的脉冲分配，需要三根输出口
线，本例中选 P1口的 P1.0、
P1.1,P1.2位作为脉冲分配的
输出。
2) 输出模型
如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即,
正转,A-AB-B-BC-C-CA 反转,A-AC-C-CB-B-BC
根据 8031单片机的基本原理, 对 P1.0,P1.1,P1.2位编程使其
按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务 。
P1.7 通电 相
X X X X X 0 0 1 A
X X X X X 0 1 1 AB
X X X X X 0 1 0 B
X X X X X 1 1 0 BC
X X X X X 1 0 0 C
X X X X X 1 0 1 CA
P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 P1.6
P1输送的内容依次为,
01H A
03H AB
02H B
06H BC
04H C
05H CA
正
转
反
转
输出模型
3) 控制程序
按正转和反转的要求将输出模
型向 P1口发送，并控制步进电动机
的速度。
设输出模型存放在存储器中，首
地址为 2000H，地址指针为 DPR,初始值
为 2000H。
初始化
正转
（ DPR） → P1
调用延时子程序
(DPR)=05H
DPR-5→ DPR PR+1→ DPR
（ DPR） → P1
调用延时子程序
(DPR)=01H
PR+5→ DPR DPR-1→ DPR
N N
N Y
Y Y
三、步进电动机的功率放大电路
步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉
冲具有一定的功率驱动能力。
由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大
电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。
1.单电压驱动电路
R C R
D
V L
+ U
VT
L－ 是电动机绕组
VT－开关晶体管
电阻 R两端并联电容 C,使电流上升更快,
所以, 电容 C又称为加速电容 。
二极管 V在晶体管 VT截止时起续流和保护
作用, 串联电阻使电流下降更快, 从而使绕
组电流波形后沿变陡 。
2.高低压切换型驱动电路
R
V
1
L
+ 8 0 V
U
b1
VT
1
U
b 2
VT
2
V
2
+ 12V
U b1
0
t
U
b 2
0
t
I
0
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1
t 2 t 3
高低压驱动线路的优点是：功耗小, 启动力矩大, 突跳频率和
工作频率高 。 缺点是：大功率管的数量要多用一倍, 增加了驱动电
源 。
