兩相四線步進(jìn)電機(jī)

1、兩相四線勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)工作原理本章將介紹在嵌入式平臺(tái)UPNETARM2410S中步進(jìn)電機(jī)的實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域諸如機(jī)器人、智能控制、工業(yè)控制等方面都有著廣泛的應(yīng)用空間，本章著重介紹步進(jìn)電機(jī)的工作原理及編程實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方法，主要內(nèi)容如下：l 步進(jìn)電機(jī)的概述l 步進(jìn)電機(jī)的工作原理l 和微處理器的總線連接方式l 驅(qū)動(dòng)程序的編程l Linux 下用軟件的方法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配，用軟件的方法代替硬件的脈沖分配器1步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實(shí)際上是一種單相或多相同步電動(dòng)機(jī)。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動(dòng)，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動(dòng)

2、。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動(dòng)，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組。每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電動(dòng)機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。1.1步進(jìn)電機(jī)的特性步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計(jì)算機(jī)所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。從20世紀(jì)80年代開

3、始開發(fā)出了專用的IC驅(qū)動(dòng)電路，今天，在打印機(jī)、磁盤器等的OA裝置的位置控制中，步進(jìn)電機(jī)都是不可缺少的組成部分之一?？傮w上說，步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：1不需要反饋，控制簡單。2與微機(jī)的連接、速度控制（啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較簡單。3沒有角累積誤差。4停止時(shí)也可保持轉(zhuǎn)距。5沒有轉(zhuǎn)向器等機(jī)械部分，不需要保養(yǎng)，故造價(jià)較低。6即使沒有傳感器，也能精確定位。7根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)_動(dòng)。但是，這種電機(jī)也有自身的缺點(diǎn)。8難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩9、不宜用作高速轉(zhuǎn)動(dòng)10在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。11超過負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步，速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。1.2 步進(jìn)電機(jī)的種類目前常用的步

4、進(jìn)電機(jī)有三類：1、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）。采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動(dòng)態(tài)性能相對較差。2、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）。轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)步的角度一般是7.50。它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角一般比較大。3、混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）。這是PM 和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機(jī)。2、步進(jìn)電機(jī)的工作

5、原理現(xiàn)以反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)為例說明其工作原理。三相步進(jìn)電機(jī)的定子鐵心上有六個(gè)形狀相同的大齒，相鄰兩個(gè)大齒之間的夾角為60 度。每個(gè)大齒上都套有一個(gè)線圈，徑向相對的兩個(gè)線圈串聯(lián)起來成為一相繞組。各個(gè)大齒的內(nèi)表面上又有若干個(gè)均勻分布的小齒。轉(zhuǎn)子是一個(gè)圓柱形鐵心，外表面上圓周方向均勻的布滿了小齒。轉(zhuǎn)子小齒的齒距是和定子相同的。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使轉(zhuǎn)子齒數(shù)能被二整除。但某一相繞組通電，而轉(zhuǎn)子可自由旋轉(zhuǎn)時(shí)，該相兩個(gè)大齒下的各個(gè)小齒將吸引相近的轉(zhuǎn)子小齒，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到轉(zhuǎn)子小齒與該相定子小齒對齊的位置，而其它兩相的各個(gè)大齒下的小齒必定和轉(zhuǎn)子的小齒分別錯(cuò)開正負(fù)1/3 的齒距，形成“齒錯(cuò)位”，從而形成電磁引力使電動(dòng)機(jī)連續(xù)

6、的_苔K_轉(zhuǎn)動(dòng)下去。和反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不同，永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組電流要求正，反向流動(dòng)，故驅(qū)動(dòng)電路一般要做成雙極性驅(qū)動(dòng)?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組電流也要求正，反向流動(dòng)，故驅(qū)動(dòng)電路通常也要做成雙極性。2.1、步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式步進(jìn)電機(jī)有2相、4相和5相電機(jī)。在4相電機(jī)中有4組線圈，若電流按順序通過線圈則使電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。2相電機(jī)中有2 組線圈。從圖9.3可以發(fā)現(xiàn)，在各線圈中引出中間端子，因此若以中間端子為基準(zhǔn)即可實(shí)現(xiàn)4相，稱這4為A、B、C、D 的勵(lì)磁相。本實(shí)驗(yàn)使用的就是這種方式的4相電機(jī)，而勵(lì)磁方式中有1 相（單向）勵(lì)磁、2 相（雙向）勵(lì)磁和12 相（單雙向）勵(lì)磁方式。此外，如果轉(zhuǎn)動(dòng)的方向不正確，

7、可以交替1、2端子或3、4號端子(1). 1相勵(lì)磁方式按ABCD的順序總是僅有一個(gè)勵(lì)磁相有電流通過，因此，對應(yīng)1個(gè)脈沖信號電機(jī)只會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，這使電機(jī)只能產(chǎn)生很小的轉(zhuǎn)矩并會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，故很少使用。A B C DT1 1 0 0 0T2 0 1 0 0T3 0 0 1 0T4 0 0 0 1圖2.T1T4表示脈沖周期；ABCD表示電機(jī)的各相，1表示此時(shí)有一個(gè)脈沖，0表示沒有(2). 2相勵(lì)磁方式按AB、BC、CD、DA的方式總是只有2相勵(lì)磁，通過的電流是1相勵(lì)磁時(shí)通過電流的2倍，轉(zhuǎn)矩也是1相勵(lì)磁的2 倍。此時(shí)電機(jī)的振動(dòng)較小且應(yīng)答頻率升高，目前仍廣泛使用此種方式。A B C DT1 1 1 0 0T2

8、 0 1 1 0T3 0 0 1 1T4 1 0 0 1圖3.T1T4表示脈沖周期；ABCD表示電機(jī)的各相，1表示此時(shí)有一個(gè)脈沖，0表示沒有脈沖(3). 12相勵(lì)磁方式即實(shí)驗(yàn)中所有的勵(lì)磁方式，它按A、AB、B、BC、C、CD、D、DA的順序交替進(jìn)行線圈的勵(lì)磁。與前述的2個(gè)線圈勵(lì)磁方式相比，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是原來的1/2，應(yīng)答頻率范圍變?yōu)樵瓉淼?倍。轉(zhuǎn)子以滑動(dòng)的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。A B C DT1 1 0 0 0T2 1 1 0 0T3 0 1 0 0T4 0 1 1 0T5 0 0 1 0T6 0 0 1 1T7 0 0 0 1T8 1 0 0 1圖4.T1T8表示脈沖周期；ABCD表示電機(jī)的各相，1表示此

9、時(shí)有一個(gè)脈沖，0表示沒有脈沖3與微處理器的連接方式步進(jìn)電機(jī)并不是直接與CPU相連的。由于開發(fā)板上外部設(shè)備很多，各功能模塊與微處理器的連接方式有專用線路，局部總線與擴(kuò)展總線。3.1 局部總線與擴(kuò)展總線局部總線與微處理器直接相連，擴(kuò)展總線通過一個(gè)總線控制器74LVCH6245與局部總線相連。從CPU 出來的數(shù)據(jù)、地址、讀寫控制等信號構(gòu)成局部總線。NANDFLASH、SDRAM和網(wǎng)卡芯片AX88796 直接掛在局部總線上的。局部總線經(jīng)過四片74LVCH16245 驅(qū)動(dòng)后作為擴(kuò)展總線引到其他外設(shè)以及168Pin 擴(kuò)展槽。由于數(shù)據(jù)線是雙向的，所以16245芯片必須有方向控制信號，這里采用經(jīng)過隔離后的寫控

10、制信號OE 作為數(shù)據(jù)線所在16245 芯片的方向控制線。當(dāng)OE有效時(shí)16245 芯片把擴(kuò)展總線上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄植靠偩€上；當(dāng)OE無效時(shí)反之。另外，必須注意，當(dāng)系統(tǒng)對局部總線上的芯片讀數(shù)據(jù)時(shí)OE 一樣會(huì)起作用，這樣就必須對局部總線和擴(kuò)展總線進(jìn)行總線仲裁，這里是外設(shè)所具有的四個(gè)片選信號nGCS1、3、4、5 用74HC21 相與后作為數(shù)據(jù)線所在的16245芯片的輸出使能控制線，只有當(dāng)系統(tǒng)對擴(kuò)展總線讀操作，也就是上述四個(gè)片選之一有效時(shí)，16245 才能對局部總線輸出數(shù)據(jù)，否則無論OE 如何都呈現(xiàn)高阻態(tài)。如下圖：注：LDATA表示局部總線的數(shù)據(jù)線；DATA表示擴(kuò)展總線的數(shù)據(jù)線。74LVCH16425芯片

11、共有四塊，限于篇幅僅舉一片為例，其它三片芯片，一片用于數(shù)據(jù)線的低位連接，兩片用于地址線的連接。注：由于片選線使用的負(fù)邏輯電平有效，所有此處用的是與門3.2芯片74HC573擴(kuò)展總線連接在芯片74HC573上，擴(kuò)展總線的DATA0DATA7分別接在74HC573的八個(gè)數(shù)據(jù)輸入端上。74HC573芯片是由8個(gè)三態(tài)門組成的寄存器，它起到暫時(shí)保存信息和隔離總線的作用。芯片的輸出IO0IO3用于DA數(shù)模轉(zhuǎn)換，IO4IO7用于步進(jìn)電機(jī)的控制。描述：這個(gè)芯片采用的是八進(jìn)位的D觸發(fā)器，它可以驅(qū)動(dòng)電容式或電阻式的負(fù)載。因此它特別適合應(yīng)用于緩沖寄存器、IO端口、雙向的總線控制器、和操作寄存器。當(dāng)寄存器的使能端（L

12、E）為高電平時(shí)，Q輸出端和_D輸入端一一對應(yīng)；當(dāng)LE為低電平時(shí)，輸出端管腳Q輸出的是寄存器中已被設(shè)定的值。當(dāng)一個(gè)能開啟緩沖功能的負(fù)邏輯管腳（OE）為0時(shí)，無論是在正常邏輯狀態(tài)還是在高阻抗?fàn)顟B(tài)下，都能放置八位的輸出數(shù)據(jù)。在高阻抗?fàn)顟B(tài)下。輸出并沒有負(fù)載或者進(jìn)行控制總線。高阻態(tài)和改進(jìn)的總線驅(qū)動(dòng)可以在不拉起元件的情況下控制總線傳輸。OE端并不影響寄存器內(nèi)部的操作。當(dāng)輸出端呈高阻狀態(tài)時(shí)舊的數(shù)據(jù)可以被保存或者新的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入。3.3步進(jìn)電機(jī)模塊的驅(qū)動(dòng)電路74HC573芯片的輸出IO4IO7用于用來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)據(jù)線要首先接在步進(jìn)電機(jī)模塊的一個(gè)接口上。接口對信號進(jìn)行放大，使之能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。放大后

13、的信號就可以直接的來使步進(jìn)電路進(jìn)行工作了。3.4、開發(fā)板中的步進(jìn)電機(jī)本開發(fā)板中使用的步進(jìn)電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)。轉(zhuǎn)子小齒數(shù)為64。系統(tǒng)中采用四路I/O 進(jìn)行并行控制，ARM 控制器直接發(fā)出多相脈沖信號，在通過功率放大后，進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的各相繞組。這樣就不再需要脈沖分配器。脈沖分配器的功能可以由純軟件的方法實(shí)現(xiàn)如上圖所示。四相步距電機(jī)的控制方法有四相單四拍，四相單、雙八拍和四相雙四拍三種控制方式。步距角的計(jì)算公式為：b3600mCk其中：m 為相數(shù)，控制方法是四相單四拍和四相雙四拍時(shí)C 為1，控制方法是四相單、雙八拍時(shí)C 為2，Zk 為轉(zhuǎn)子小齒數(shù)。本系統(tǒng)中采用的是四相單、雙八拍控制方法，所以步距角為3

14、60/512。但步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過一個(gè)1/8 的減速器引出，實(shí)際的步距角應(yīng)為360/512/8。開發(fā)平臺(tái)中使用EXI/O 的高四位控制四相步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)相。按照四相單、雙八拍控制方法，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的控制順序?yàn)锳ABBBCCCDDDA。EXI/O 的高四位的值參見下表：十六進(jìn)制二進(jìn)制通電狀態(tài)1H 0001 A3H 0011 AB2H 0010 B6H 0110 BC4H 0100 CCH 1100 CD8H 1000 D9H 1001 DA表5. 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，EXIO的高四位的值反轉(zhuǎn)時(shí)，只要將控制信號按相反的順序給出即可。可以通過宏SETEXIOBITMASK(bit,mask)（EXIO.h）來設(shè)置擴(kuò)

15、展I/O 口，其中mask 參數(shù)為0xf0。本實(shí)驗(yàn)使作的是12相勵(lì)磁方式，還可以使用1相勵(lì)磁方式和2相勵(lì)磁方式。 1相勵(lì)磁方式的順序是ABCD，因此只要設(shè)置數(shù)組char stepdata=0x10,0x20,0x40,0x80 即可 2相勵(lì)磁方式的順序是AB，BC，CD，DA， 因此只要設(shè)置數(shù)組char stepdata=0x30,0x60,0xc0,0x90 即可 要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)，只需將上面數(shù)組的值按相反的順序排列即可4、驅(qū)動(dòng)程序的編程驅(qū)動(dòng)程序采用C語言進(jìn)行編程，下面是驅(qū)動(dòng)程序中幾個(gè)重要的函數(shù)。static int do_stepmotor_run(char phase) /通過調(diào)用這個(gè)函

16、數(shù)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)起來unsigned int bak; /變量bak用于存放從寄存器中讀出的值bak = readw(s3c2410_exio_base); /調(diào)用內(nèi)核函數(shù)將基地址為s3c2410_exio_base寄存/器的值讀出并放在bak中DPRINTK_STEP(s3c2410_exio_base content is %xn, bak); /調(diào)試輸出語句tiny_delay(5); /延時(shí)函數(shù)，有延時(shí)功能bitops_mask_bit(phase, 0xf0, &bak);/清除48位然后再設(shè)置phase傳進(jìn)來的位（也是48位）DPRINTK_STEP(s3c2410_exio_bas

17、e content is%xn, bak); /調(diào)試輸出語句tiny_delay(5);writew(bak, s3c2410_exio_base); /調(diào)用內(nèi)核函數(shù)將bak的值寫入相應(yīng)的寄存器中bak = readw(s3c2410_exio_base); /再次將寄存器的值讀出DPRINTK_STEP(s3c2410_exio_base content is %xn, bak);/利用調(diào)試語句再次將修改后的寄存器中的值輸出，以驗(yàn)證其正確性tiny_delay(5);DPRINTK_STEP(n);return 0;驅(qū)動(dòng)程序主要通過上面這個(gè)函數(shù)來使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。控制電機(jī)的是一個(gè)寄存器(地址是

18、s3c2410_exio_base=0x)，只要給它適當(dāng)?shù)闹惦姍C(jī)就可以運(yùn)動(dòng)起來。這個(gè)函數(shù)通過傳遞變量phase從應(yīng)用程序獲得數(shù)據(jù)。然后使用函數(shù)readw()把寄存器的值就讀出并送給bak；通過函數(shù)bitops_mask_bit()修改bak的值；最后由writew()寫回到寄存器中。5、應(yīng)用程序的編程1、步進(jìn)電機(jī)模塊步進(jìn)電機(jī)模塊和DA 模塊是使用Bank1 地址空間擴(kuò)展出來的IO口。共同使用驅(qū)動(dòng)s3c2410-exio.o。在驅(qū)動(dòng)程序中，與步進(jìn)電機(jī)相關(guān)的主要在函數(shù)s3c2410_exio_ioctl：2、對應(yīng)的應(yīng)用源程序#include #include #include #include #define STEPMOTOR_IOCTRL_PHASE 0x13static int step_fd = -1;char *STEP_DEV=/dev/exio/0raw; /定義一個(gè)指針指向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序/* A, AB, B, BC, C CD, D, DA */char stepdata=0x10,0x30,0x20,0x60,0x40,0xc0,0x80,0x90;/各個(gè)相位對應(yīng)的值void Delay(int t) /延時(shí)函數(shù)int i;for(;t0;t-)for(i=0;i400;i+);/*/int main(