基于单片机的LED三文动态信息显示系统 第11页
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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 25步进电动机的系统设计
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所要停留的位置都有严格的要求，所以对其旋转精度要求比较高。为了能控制旋转精度，
应该选用步进电动机做显示系统的动力源比较好。
用步进电动机来组成一个驱动显示的动力系统，根据前面的介绍，整个动力系统应该
包括：步进电动机，用户接口，控制器（时序发生器），驱动器（放大器）等四个基本组
成部分[46]。首先所要面对的是每个部分的选型问题。根据前面的介绍，步进电动机有步
距角（涉及到相数）、静转矩及电流三大基本要素组成。一旦三大基本要素确定，步进电
动机的型号便确定下来了。
a.步距角的选择
电动机的步距角a取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率换算到电动机轴上。
每个当量，电动机应走多少角度（包括减速），电动机的步距角应等于或小于此角度。目
前市场上步进电动机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电动机）、0.9度/1.8度（二、
四相电动机）、1.5度/3度（三相电动机）等。
b.静力矩的选择
步进电动机的动态力矩一下子很难确定，往往先确定电动机的静力矩。静力矩选择的
依据是电动机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦性负载两种。单一的惯性负载和
单一的摩擦性负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时两种负载均要考虑，加速起
动时主要考虑惯性负载，恒速行进时只要考虑摩擦性负载。一般情况下，静力矩应为摩擦
性负载的2-3倍比较好，静力矩一旦选定，电动机的机座及长度便能确定下来即电动机的
几何尺寸。
c.电流的选择
静力矩一样的电动机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲
线图来判断电动机的电流（参考驱动电源及驱动电压）。
综上所述，步距角a的选择应该根据显示棒的宽度d和显示棒所旋转的半径r初步估
算，即用a=360÷（2×π×r/d），初步决定选择步距角为1.8度的步进电动机。如果达不
到要求可以采用细分电路等其它解决方案。静力矩的选择应根据负载的重量m和旋转半
径r来估算。初步估算显示棒的重量在40g左右，旋转半径不能确定，估算的时候可能有
很多因素没有考虑到，所以选用较大的安全系数，静力矩应该在1.0㎏·㎝以上。其次对
体积的要求不是太高，因此初步决定选用42系列的混合式（永磁感应子式）步进电动机
42BYG。
由于显示棒在空间旋转时每一时刻所显示的东西在人眼中的停留时间要少于1/25s，
即在1/25s内视觉印象还来不及消失，从而给人以连续而固定的假象，就如同标准电影格
式的25帧/s一样。在0.04s内相同的图像必须再次显示或者显示下一幅图像。对于设计
的要求就是在0.04s内至少使“显示棒”旋转一圈（在显示静态效果的字时，如果字是动
态的在空间旋转时会要求更高的转速）。但是对于42BYG系列的步进电动机，转速应该
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控制在1000转/分以内，既以15帧/s的速度显示。一个脉冲1.8度，每秒脉冲数f=（1000
×360/1.8）÷60=3333（PPS）。
5.3驱动控制系统组成
使用和控制步进电动机时必须有环形脉冲，功率放大等组成的控制系统[47]，其方框
图如图5-5所示。
5.3.1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，电动机
转速越高，占空比则越大。
5.3.2信号分配
感应子式步进电动机以二、四相电动机为主，二相电动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AB ?AB ?AB ?AB，步距角为1.8度；二相八拍
为AB ?B ?AB ?A ?AB ?B ?AB ?A ?AB，步距角为0.9度。四相电动机工作方式也有两
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-DA-A-AB，（步距角为0.9度）。
5.3.3功率放大
功率放大是驱动系统中最为重要的部分。步进电动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（参数上的电流均为静态电流），平均电流越大电动机力矩越
大。要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电动机的反电势，因而不同的场合采取
不同的驱动方式[48]。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。
图5-5步进电机控制系统方框图
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