单片机LED三文动态信息显示系统 第12页
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周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域使用步进电动机来控制
变的非常简单。虽然步进电动机已被广泛地应用，但步进电动机并不能像普通的直流或交
流电动机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使
用[44]。
5.1.2步进电动机的特点及分类
通过上面的分析，可知步进电动机的特点如下：
（1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转过一圈以后，没
有累计误差，具有良好的跟随性。
（2）由步进电动机和驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可
靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
（3）步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。
（4）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大扭矩。因此，一般
可以不用减速器而直接驱动负载。
（5）步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流或直流电源。
（6）步进电动机存在震荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。
（7）步进电动机自身的噪声和震动较大，带惯性负载的能力较差。
另外，步进电动机一般可分为3大类：反应式步进电动机（VR），永磁式步进电动机
（PM）和混合式步进电动机（HB）。
反应式步进电动机（VR）的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。一般为三
相。它的结构简单，成本低廉，可实现大转矩输出，步距角可以做的很小，一般为1.5度，
但动态性能较差，噪声和振动都很大。
永磁式步进电动机（PM）的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。一
般为两相。它动态性能好，由于转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大，需
供给正负脉冲信号，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。
混合式步进电动机（HB）综合了反应式和永磁式两者的优点。它的输出转矩大，动
态性能好，步距角小。它又可分为两相、四相和五相，两相和四相步距角一般为1.8度而
五相步距角一般为0.72度。这种步进电动机的应用最为广泛
[45]
。
5.1.3步进电动机的工作原理
由于感应子式步进电动机是在反应式步进电动机的基础上发展起来的，因此先介绍三
相反应式步进电动机的原理[44]。
a.结构西安理工大学硕士学位论文
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电动机转子上均匀的分布着很多小齿，定子齿上有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分
别与转子齿轴线错开0T、1/3T、2/3T（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距,用T表示），即
A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3T，C与齿3向右错开2/3T，A'与齿4向右错开T
即与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）。如图5-1所示为定转子展开图。
b.工作过程
如果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
力作用）。如果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1/3T，
同时齿3与C偏移变为1/3T，齿4与A偏移（T-1/3T）=2/3T。如果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1/3T，此时齿4与A偏移变为1/3T对齐。
如果A相通电，B、C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3T。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，电动机转子向右转过一个齿距，如果不
断地按A-B-C-A……通电，电动机就每步（每脉冲）1/3T,向右旋转。如按A-C-B-A……通
电，电动机就反转。
由此可见：电动机的位置和速度是与导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而
方向是由导电顺序决定。
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1/3T
改变为1/6T。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3T变为
1/12T或1/24T，这就是电动机细分驱动的基本理论依据。不难推
出：电动机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏
移1/m,2/m……(m-1)/m,1，并且导电按一定的相序电动机就能正
反转被控制，这是步进电动机旋转的物理条件。只要符合这一条
件，理论上可以制造任何相的步进电动机，出于成本等多方面考
虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
c.力矩
电动机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф），所以
当转子与定子错开一定角度时产生的力F将与（dФ/dθ）成正比，
图5-1定转子展开图
Fig5-1 Expansion plan figure of stator and votator
图5-2定转子力矩图
Fig5-2 Moment figure of stator
and votator5步进电动机的系统设计
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如图5-2所示。其中磁通量Ф=Br·S（Br为磁密，S为导磁面积）。F与L·D·Br成正
比（L为铁芯有效长度，D为转子直径，Br=N·I/R），其中的N·I为励磁绕阻安匝数（匝
数·电流），R为磁阻。因为力矩=力·半径，所以力矩与电动机的有效体积、安匝数及磁
密成正比（只考虑线性状态）。因此，电动机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间
气隙越小，电动机力矩越大，反之亦然。
下面将介绍感应子式步进电动机（即混合式步进电动机）的原理。
a.特点
感应子式步进电动机与传统的反应式步进电动机相比，结构上转子加有永磁体，以提
供软磁材料的工作点。而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，
因此该电动机效率高，电流小，发热低。因为永磁体的存在，该电动机具有较强的反电势，
其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。
感应子式步进电动机某种程度上可以看作是低速同步电动机。一个四相电动机可以作
四相运行，也可以作二相运行（必须采用双极电压驱动），而反应式电动机则不能如此。
例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式，
不难发现其条件为C =A,D =B。
一个二相电动机的内部绕组与四相电动机完全一致，小功率电动机一般接为二相，而
功率大一点的电动机，为了方便使用，灵活改变电动机的动态特点，往往将其外部接线为
八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电动机使用，可以作二相电动机绕组串联
或并联使用。
b.分类
感应子式步进电动机以相数可分为：二相电动机、三相电动机、四相电动机、五相电
动机等。以机座号（电动机外径）可分为：42BYG（BYG为感应子式步进电动机代号）、
57BYG、86BYG、110BYG（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标
准。
5.1.4步进电动机的指标
a.步进电动机的静态指标术语
相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。
拍数：完成一个磁场周期性变化所需的脉冲数或导电状态（用n来表示），或指电动
机转过一个齿距角所需的脉冲数。以四相电动机为例，有四相四拍运行方式即
AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
步距角：对应一个脉冲信号，电动机转子转过的角位移（用θ表示），θ=360度/（转
子齿数J×运行拍数n）。以常规二、四相，转子齿为50齿电动机为例，四拍运行时步距西安理工大学硕士学位论文
角为θ=360度/（50×4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50×8）
=0.9度（俗称半步）。
b.步进电动机的动态指标术语
失步：电动机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。
失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电动机运转时必然存在失调角，由失调
角所产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
运行矩频特性：电动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
电动机诸多动态曲线中最重要的，也是电动机选择的根
本依据。如图5-3所示，其它特性还有惯性频率特性、
起动频率特性等。
动态力矩：电动机一旦选定，电动机的静力矩就确
定了，而动态力矩却不然。电动机的动态力矩取决于电
动机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越
大，电动机输出力矩越大，即电动机的频率特性越硬，如图5-4所示。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，并尽可能提高驱动电压，要采用小电感大电流的电动机。
电动机正反转控制：当电动机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或（AB ?AB ?AB ?AB）
时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或（AB ?AB ?AB ?AB）时为反转。
5.2步进电动机系统的选型
本次课题设计所要完成的主要任务是设计一个单片机控制的立体显示系统，即通过动
力系统带着一个LED显示棒在空间做360度旋转，以给人一种立体的显示效果来达到动
态显示的目的。根据LED显示棒动力模块的要求，动力系统要能够带动一定量的负载连
续运转，并且有较准确的转速。由于是“显示棒”在空间旋转显示，每一时刻“显示棒”
图5-3矩频特性图一
Fig5-3 Moment frequency
peculiarity figure 1
图5-4矩频特性图二
Fig5-4 Moment frequency peculiarity figure 2
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