步进电机是将输入的电脉冲信号转换为角位移或线位移的元件。在不超负载运作的情况下，电机的转速以及停止的位置只取决于脉冲的个数和脉冲的频率。脉冲数越多，电机的角位移越大，脉冲频率越高，电机的转速越快，但不能超过频率，否则力矩减小，电机不转。

　　左图为定子，电机转动过程中，定子是不动的，故称为定子。可以看到定子中包含了十二个线圈。关于圆心对称的一对线圈称为一个相。图中定子为6相。

　　右图为转子，步进电机的转子上布满了沿轴向的齿，图中细密的红色的条线的即为转子的齿

　　当某一相定子通电励磁后，它将吸引转子转动，直至与通电的线圈接近的那一对转子上的齿（示意图中绿色突出部分即为转子的齿）与之对齐，此时步进电机停止转动。其内部结构示意与转动过程如下：

　　1、这种工作方式称为三相单三拍。三相指的是电机定子有三个相；单指的是一次只给一个相通电；而三拍指的是每一轮循环要通电三次。

　　2、·除了三相单三拍的工作方式，对于三相步进电机，还有三相双三拍和三相六拍工作方式。

　　·可以看出电机的转速和通电相切换的频率有关，切换的越快，电机转速也越快。电机转动的方向与相序有关，当以A-B-C相序通电时，转子逆时针转动，当以A-C-B相序通电时，转子顺时针转动。

　　其中m为定子绕组的相数,；z为转子的齿数，k描述通电方式，m相m拍时取k=1，m相2m拍时取k=2。

　　上面的例子中可以由m=3，z=4，k=1求得角度为30°，即每通一次电，电机转动30°

　　时，对应输出端C输出低电平。此时连接到该引脚上的步进电机对应的相在外接的Vcc和芯片输出端的低电平作用下通电，励磁。因此要给步进电机某一相通电，就是给该相对应的芯片的输入端高电平。

　　电机是感性负载，当ULN2003A芯片驱动感性元件时，在断电的瞬间，由于电感的特点，会产生瞬时的大电流，而内部二极管起到续流的作用，能较好保护元件。

　　四相步进电机有单四拍（A-B-C-D）和双四拍（AB-BC-CD-DA）和八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA）这三种工作方式。种工作方式扭矩小，功耗小，但震动大。第二种工作方式扭矩较大，功耗也大，震动小。第三种工作方式步距角小，输出更平滑，推荐采用这种方式

　　只需要控制单片机的IO口使得ULN2003芯片按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA的次序输出低电平即可完成步进电机转动的一轮循环。如果要按相反方向转动，只要把上面A-AB-B-BC-C-CD-D-DA的次序反过来即可。

　　至于给A、B、C、D相通电需要分别使哪个IO口输出高电平，与步进电机ABCD相和ULN2003以及IO口的连接有关系。参见2.1中标注的步进电机的abcd相

　　a4 仿线BYJ48是很常见的一种四相步进电机，与仿真模型中不同的是它是五线制，也就是只有一根线需要接到电源Vcc。

　　对于28BYJ-48。COM端（公共端）为红线，接Vcc，橙黄粉蓝依次为ABCD相。根据产品手册可以查到步距角为5.625°/64，这个步距角是在一二相单极驱动（即八拍工作方式）下得出的。这里的/64意味着电机内部集成的减速齿轮的减速比为1/64。下面是内部拆解结构，可以看到里面是包含了减速齿轮的。

　　有了步距角参数，我们就可以计算出要使步进电机转动180°，所需要的拍数。每拍转动（5.625/64）°，在八拍工作方式下，一轮循环下来就转动了(5.625°/8)°，要使电机转动180°就是要进行180/((5.625°/8))=256轮的8拍循环。256恰好是无符号8位数据所能容纳的数据数（0-255共256）。这也是这个电机设计的巧妙之处。

　　为例：其定子的每相都有一对磁极，每一个磁极都有一个齿，即磁极本身，故三项

　　个齿，其转子有四个齿，分别称为1,2,3,4,； A相绕组通电后，A相磁极和13号齿对齐，...

　　步进电机由【定子】各项绕组和转子组成，要是步进电机转动，就必须对步进电机动机定子的各相绕组以适当的顺序进行通电。

　　如下图的三项【ABC】步进电机为例：其定子的每相都有一对磁极，每一个磁极都有一个齿，即磁极本身，故三项步进电机有三对磁极共六个齿，其转子有四个齿，分别称为1,2,3,4,；

　　A相绕组通电后，A相磁极和13号齿对齐，同时24号齿和BC相磁极形成错位的状态，依次进行顺序通电，就会使电机一步一步的转起来；

　　步距角：齿距角/拍数【转动一个齿距角所需要的拍数】360/3[拍]*4[齿]=30；

　　：(1)反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。

　　(2)永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。

　　综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式

　　图1 三相反应式步进电动机的结构示意图1——定子  2——转子  3——定子绕组{{分页}}图1是常见的三相反应式

　　的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60º。各磁极上套有线连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为θE=360º/40=9º，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3º。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3º；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3º。依次类推，当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3º的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按A→C→B→A顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3º的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角θb为30º。三相

　　还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按AB→BC→CA→AB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式

　　(1)式中   Er——转子齿数；N——运行拍数，N=km，m为步进电动机的绕组相数，k=1或2。

　　不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图2所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与

　　1. 单电压功率驱动接口实用电路如图3所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。Rs对

　　双电压驱动的功率接口如图4所示。双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH驱动。这种功率接口需要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。图中，功率管TH和二极管D

　　高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。3.高低压功率驱动接口图5 高低压功率驱动接口高低压功率驱动接口如图5所示。高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，如图5所示。图中，混合式步进电机高压管VTH的导通时间t

　　不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取1~3ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。{{分页}}

　　恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。混合式步进电机这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。图6是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流不大时，VT

　　和VT2同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，VT2被封锁，电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管VD续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，VT2导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，如图6所示。图6 斩波恒流功率驱动接口斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u1是数字脉冲，u

　　是模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。

　　5.升频升压功率驱动接口为了进一步提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动接口。这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它的主回路实际上是一个开关稳压电源，利用频率-电压变换器，将驱动脉冲的频率转换成直流电平，并用此电平去控制开关稳压电源的输入，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。6.集成功率驱动接口目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用。

　　L298芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压，相电流高达2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的逻辑电路使用5V电源，功放级使用5~46V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。L298(等)采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。它的内部结构如图7所示。H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。L298特别适用于对二相或四相

　　图7 L298原理框图与L298类似的电路还有TER的3717，它是单H桥电路。SGS的SG3635则是单桥臂电路，IR的IR2130则是三相桥电路，Allegro则有A2916、A3953等小功率驱动模块。

　　图8是使用L297(环形分配器专用芯片)和L298构成的具有恒流斩波功能的

　　电机。所谓电脉冲，类似于脉搏，感受到脉搏跳动的时候类似于脉冲的高电平，不跳的时候为低电平，这就是电脉冲信号。角位移单位是弧度。 ...

　　步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机。所谓电脉冲，类似于脉搏，感受到脉搏跳动的时候类似于脉冲的高电平，不跳的时候为低电平，这就是电脉冲信号。角位移单位是弧度。 步进电机可分为反应式，永磁式，混合式。各有优点，按实际需求选择，反应式的步距角小，精度高；永磁式的力矩大。混合式的具有精度高，力矩大的特点，但成本高。下面以反应式为例说明步进电机的结构和工作原理。步进电机主要由两部分构成： 定子和转子。定子和转子在学过直流电机后就不陌生了。但是，步进电机以三相的为例，其定子和转子上分别有六个、四个磁极 。上图中，A与A组成一相；B与B为一相；C与C为一相。所以此步进电机为三相步进电机。混合式步进电机 步进电机接收到一个电脉冲信号，就会相应的转动一个固定的角度，这个固定的角度，就是步进电机其中的一个重要参数，步距角。细致来说，当步进电机接收到一个电脉冲信号后，A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，使转、定子的齿对齐停止转动。即A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐；下一个脉冲信号来， B 相通电使转子2、4齿和 BB 对齐；第三个脉冲信号来后， C 相通电使转子3、1齿和 CC 对齐。这种驱动方式即为三相三拍驱动方式。如下图： 所以，步进电机是靠脉冲数量来转动的，需要转多少圈就给相应个数的脉冲数。因此，步进电机能够达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，也就是控制多长时间给一个脉冲，从而达到调速的目的。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，控制电机正反转。即如果按照A、B、C相的通电顺序为正转，那么按照C、B、A相的顺序通电则电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

　　通过对直流电机的学习，我们知道，电机是电流驱动的元件，需要大电流才能工作。步进电机依然。而单片机输出口的驱动能力是远远不够的，也需要借助另一个元件来实现对步进电机的控制。另一个元件即为步进电机驱动控制器。单片机通过控制驱动器来间接的控制步进电机。这里我们以四相五线制步进电机为例，驱动器选择熟悉的ULN2003元件，在此也是放大驱动电流的作用。该芯片多可一次驱动八线步进电机。实例中采用的是四相无线V，驱动方式为四相四拍。

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