步進電機及其控制

1、步進電機及其控制【實驗?zāi)康摹渴煜げ竭M電機的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式掌握用AT89S52來控制步進電機的方法進一步熟悉EDA實驗平臺【實驗器材】EDA實驗箱、PC機、DB25-ISP下載線、USB轉(zhuǎn)換線、USB-BLASTER編程器等軟件：Quatus II 、Keil uVision2、ISPlay等 【實驗原理】步進電機(stepping motor)是一種以脈沖控制的轉(zhuǎn)動設(shè)備，由于是以脈沖驅(qū)動，很適合以數(shù)字或微型計算機來控制，做一又把它當成是一種數(shù)字設(shè)備。1、步進電機的結(jié)構(gòu)：步進電機與一般電機結(jié)構(gòu)類似，除了托架、外殼之外，就是轉(zhuǎn)子和定子，比較特殊的是其轉(zhuǎn)子與定子上有許多細小的齒，如圖1所示。轉(zhuǎn)子為永

2、久磁鐵，線圈繞在定子上。根據(jù)線圈的配置，步進電機可以分為2相、4相、5相等，比較常用的是2相的步進電機。其中包括兩組具有中間抽頭的線圈，A、com1、為一組，B、com2、為另一組。兩相5線式步進電機就是將其中的com1和com2連接。2、步進電機步進角度的計算顧名思義，步進電機就是一步步走的電機，其轉(zhuǎn)子與定子的齒，決定了其每步的間距。若轉(zhuǎn)子上有N個齒，則其齒間距為：而步進角度為：以常用的2相式50齒步進電機為例，=360°/50=7.2°=7.2°/(2×2)=1.8°3、步進電機的驅(qū)動:步進電機的驅(qū)動是靠定子線圈激磁后，將鄰近轉(zhuǎn)子上相異磁極

3、吸引過來實現(xiàn)的。因此，線圈排列的順序，以及激磁信號的順序就很重要。以2相式步進電機為例，其驅(qū)動信號有1相驅(qū)動、2相驅(qū)動和1-2相驅(qū)動三種。圖4：步進電機的驅(qū)動方式：1相驅(qū)動、2相驅(qū)動和1-2相驅(qū)動。（1）、1相驅(qū)動：任何一個時間，只有一組線圈被激磁，其他線圈在休息，因此產(chǎn)生的力矩較小，但這種激磁方式最簡單，信號依次為：1000-0100-0010-0001-1000（正轉(zhuǎn)）0001-0010-0100-1000-0001（反轉(zhuǎn)）有四種不同的信號呈現(xiàn)周期性的變化。在AT89S52中產(chǎn)生這種信號，以正轉(zhuǎn)為例，可以先輸出“0001”，經(jīng)過一小段時間延遲后，讓步進電機有足夠的時間建立磁場及轉(zhuǎn)動，再輸出

4、“0100”，延時 依次循環(huán)輸出這四種信號即可。（2）、2相驅(qū)動：任何一個時間，有兩組線圈同時被激磁，因此，產(chǎn)生的力矩比1相驅(qū)動要大。其信號依次為：1100-0110-0011-1001-1100（正轉(zhuǎn)）1100-1001-0011-0110-1100（反轉(zhuǎn)）信號輸出方式與1相驅(qū)動類似。（3）、1-2相驅(qū)動：1-2相驅(qū)動的方式又稱為“半步驅(qū)動”，每個驅(qū)動信號只驅(qū)動半步。其驅(qū)動信號依次為：1001-1000-1100-0100-0110-0010-0011-0001（正轉(zhuǎn)）1001-0001-0011-0010-0110-0100-1100-1000（反轉(zhuǎn)）共有8種信號成周期性的變化,仔細觀察可

5、以發(fā)現(xiàn)其中的信號是將1相驅(qū)動和2相驅(qū)動的信號混合而成的。具體應(yīng)用時根據(jù)不同型號的步進電機采用不同的驅(qū)動方式，本EDA實驗箱中的步進電機采用1相驅(qū)動的方式進行驅(qū)動。4、轉(zhuǎn)速控制控制步進電機的運行速度，實際上是控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在加速的過程中，使脈沖的輸出頻率增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率減小。脈沖信號的頻率可以用軟件延時來確定。5、步進電機的驅(qū)動電路AT89S52的輸出電流很難驅(qū)動步進電機，必須另外設(shè)計驅(qū)動電路才行，在此我們將采用ULN2003(如圖5)驅(qū)動步進電機。一顆ULN2003系列IC包含7個開集極式輸出的反相器，而在每個輸出端都有一個連接到公共端（VCC）

6、的二極管，作為放電保護電路，每組反相器的內(nèi)部電路如圖6.圖5:ULN2003圖6:內(nèi)部電路【實驗內(nèi)容】原理圖:1、根據(jù)EDA步進電機步進角度，計算出該步進電機的齒間距和齒數(shù)，填入表1；齒數(shù)齒間距步進角度 12 30°15°2、步進電機的步進和特定角度旋轉(zhuǎn)（1）將“桌面EDA實驗-51部分-步進電機實驗步進電機實驗底層驅(qū)動”路徑下 “LCD1602.sof”文件燒入FPGA中。具體步驟如下：a) 用USB轉(zhuǎn)換線將 USB BLASTER 與PC機相連，USB BLASTER的另一端連接到FPGA核心板右下角J12口。如果連接正常，USB BLASTER綠燈點亮。b) 雙擊“桌

7、面EDA實驗-51部分-步進電機實驗步進電機實驗底層驅(qū)動”路徑下 “LCD1602.qpf”文件,啟動Quartus II；c) 單擊菜單欄中 ToolsProgrammer ,打開FPGA程序下載窗口；d) 單擊界面右上角“Hardware Setup”，在“Currently selected Hardware”下拉列表中選擇“USB-BlasterUSB-0”，激活USB-Blaster，單擊“close”關(guān)閉；e) 單擊“Add File”，路徑選擇“桌面EDA實驗-51部分-步進電機實驗步進電機實驗底層驅(qū)動”,選中文件“LCD1602.sof”，勾選Program/Configure

8、；f) 給EDA主板供電，單擊“start”，將底板驅(qū)動程序燒錄到FPGA中。g) 燒錄后不要斷電，斷電后程序會丟失，需要重新燒錄。（2）利用“程序一.c”代碼，創(chuàng)建keil工程，生成“程序一.hex”文件具體步驟如下：a) 單擊“開始程序”,啟動Keil uVision2；b) 單擊“ProjectNew Project”,創(chuàng)建新工程；c) 新工程保存路徑為“桌面EDA實驗-51部分-步進電機實驗程序一”，工程名設(shè)為“工程一”，單擊“保存”；d) 在彈出的“器件選擇窗口”中，選擇“AtmelAT89S52”，單擊“確定”；e) 右鍵單擊窗口右邊列表欄中“Source Group 1”，選擇“

9、Add File to Group Source Group 1”；f) 選中“桌面EDA實驗-51部分-步進電機實驗程序一”路徑下“程序一.c”,單擊“Add”，然后單擊“close”；g) 雙擊“程序一.c”，打開該文件。h) 單擊窗口左上角“Build Target”按鍵，編譯程序一；i) 單擊窗口左上角圖標，選中“output”面板，選中“Creative HEX”,單擊“確定”j) 再次單擊窗口左上角“Build Target”按鍵，將生成“程序二.Hex”文件；k) 在路徑“桌面EDA實驗-51部分-步進電機實驗程序一”下，已經(jīng)生成“程序二.Hex”文件。（3）將 程序一.hex

10、燒入單片機具體步驟如下：a) 用DB25-ISP下載線連接單片機ISP程序下載口（EDA主板右下角J15口）和PC機并口，EDA主板右下角S8撥碼開關(guān)全部撥向ON；b) 在桌面雙擊圖標，啟動ISPlay；c) 單擊“檢測器件”，聽到“嘀嘀嘀”，表示器件檢測成功；d) 單擊“文件”，選擇“桌面EDA實驗-51部分-步進電機實驗程序一”路徑下“程序一.hex”,單擊“打開”；e) 單擊“AUTORUN！”，完成程序的下載；下載完成會聽到“嘀嘀嘀”的響聲。完成表2：操作步進電機狀態(tài)開機靜止單擊按鍵K1順時針每次旋轉(zhuǎn)60單擊按鍵K5逆時針每次旋轉(zhuǎn)60單擊按鍵K9順時針每次120單擊按鍵K13逆時針旋轉(zhuǎn)

11、兩圈3、步進電機正、反、加速、減速轉(zhuǎn)動控制通過按鍵控制步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止和轉(zhuǎn)動等動作。(1) 將“桌面EDA實驗-51部分-步進電機實驗步進電機實驗底層驅(qū)動”路徑下 “LCD1602.sof”文件燒入FPGA中，若上步實驗后系統(tǒng)未重啟，此步可省略。具體步驟見前。(2) 利用“程序一.c”代碼，創(chuàng)建keil工程，生成程序一.hex文件。具體步驟見前。(3) 將“桌面EDA實驗-51部分-步進電機實驗程序二”路徑下“程序二.hex”燒入單片機。具體步驟見前。完成表3：按鍵操作步進電機狀態(tài)單擊按鍵K1反向旋轉(zhuǎn)單擊按鍵K5暫停繼續(xù)單擊按鍵K9加速旋轉(zhuǎn)單擊按鍵K13減速旋轉(zhuǎn)4、程序分

12、析設(shè)計：(1) 閱讀 程序一.c ，要使單擊按鍵K9時，步進電機逆時針旋轉(zhuǎn)240°, 應(yīng)該如何修改程序？寫出程序代碼；#include"AT89X52.h"sfr p0=0x80;sfr p1=0x90;sfr p2=0xA0;sfr p3=0xB0;sbit s1=p32;/正向步進sbit s2=p33;/反向步進sbit s3=p34;/正向旋轉(zhuǎn)120°sbit s4=p35;/反向旋轉(zhuǎn)2圈int con=800;char data id1=0,id2=0,id3=0,id4=0;/按鍵標志unsigned char motorni8=0xF2,0

13、xF8,0xF4,0xF1,0xF2,0xF8,0xF4,0xF1;/逆時針unsigned char motorshun8=0xF2,0xF1,0xF4,0xF8,0xF2,0xF1,0xF4,0xF8;/順時針unsigned char motorout8=0,0,0,0,0,0,0,0;/電機輸出delay(int t)int i,j;for(i=0;i<t;i+)for(j=0;j<10;j+);keyscan()int i,j;/按鍵s1:正向步進if(s1=0)delay(1000);while(s1=0);for(i=0;i<4;i+)p0=motorshuni

14、; delay(400);/按鍵s2:反向步進if(s2=0)delay(1000);while(s2=0);for(i=0;i<4;i+)p0=motornii; delay(400);/按鍵s3:正向旋轉(zhuǎn)120度if(s3=0)delay(1000);while(s3=0);for(j=0;j<4;j+)/將這句改成重復4次，由于每次轉(zhuǎn)動/60度，所以可以實現(xiàn)正向轉(zhuǎn)動240度for(i=0;i<4;i+)p0=motorshuni; delay(400);/按鍵s4:反向旋轉(zhuǎn)2圈if(s4=0)delay(1000);while(s4=0);for(j=0;j<12

15、;j+)for(i=0;i<4;i+)p0=motornii; delay(400);void main()p0=0xff;while(1)keyscan();(2) 閱讀 程序二.c ，要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化時，步進電機順時針旋轉(zhuǎn)，怎樣修改程序？寫出程序代碼；#include"AT89X52.h"sfr p0=0x80;sfr p1=0x90;sfr p2=0xA0;sfr p3=0xB0;sbit s1=p32;/對應(yīng)于按鍵K1 反向sbit s2=p33;/對應(yīng)于按鍵K5 停止sbit s3=p34;/對應(yīng)于按鍵K9 加速sbit s4=p35;/對應(yīng)于按鍵K13 減

16、速int con=800;char data id1=0,id2=0,id3=0,id4=0;/按鍵標志unsigned char motorni8=0xF2,0xF8,0xF4,0xF1,0xF2,0xF8,0xF4,0xF1;/逆時針unsigned char motorshun8=0xF2,0xF1,0xF4,0xF8,0xF2,0xF1,0xF4,0xF8;/順時針unsigned char motorout8;/電機輸出delay(int t)int i,j;for(i=0;i<t;i+)for(j=0;j<10;j+);motor()int i;if(id2=0)for

17、(i=0;i<8;i+)p0=motorouti;delay(con);else if(id2=1)p0=0xff;keyscan()int i;/按鍵s1:反向if(s1=0)delay(1000);while(s1=0);id1+;if(id1=1)for(i=0;i<8;i+)motorouti=motornii;else if(id1=2)id1=0;for(i=0;i<8;i+)motorouti=motorshuni;/按鍵s2:停止繼續(xù)if(s2=0)delay(900);while(s2=0);id2=id2;/按鍵s3:加速if(s3=0)delay(900

18、);while(s3=0);if(40<con<4100)con=con/2; if(con<40) con=4000;/按鍵s4:減速if(s4=0)delay(900);while(s4=0); if(30<con<2000)con=con*2; if(con>4000) con=40;else /當掃描按鍵時，沒檢測到按鍵時， delay(1000)； /執(zhí)行else語句，即正向旋轉(zhuǎn) for(i=0;i<8;i+)motorouti=motorshuni; void main()p0=0xff;while(1)keyscan();motor();

19、(3) 怎樣實現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)速的漸變，完成先遞增，后遞減？寫出程序代碼或畫出流程圖。#include"AT89X52.h"sfr p0=0x80;sfr p1=0x90;sfr p2=0xA0;sfr p3=0xB0;sbit s1=p32;/對應(yīng)于按鍵K1 反向sbit s2=p33;/對應(yīng)于按鍵K5 停止sbit s3=p34;/對應(yīng)于按鍵K9 加速sbit s4=p35;/對應(yīng)于按鍵K13 減速int con=800;char data id1=0,id2=0,id3=0,id4=0;/按鍵標志unsigned char motorni8=0xF2,0xF8,0xF4,0xF1,0xF2,0xF8,0xF4,0xF1;/逆時針unsigned char motorshun8=0xF2,0xF1,0xF4,0xF8,0xF2,0xF1,0xF4,0xF8;/順時針unsigned char mo