步進(jìn)電機(jī)概述

1、步進(jìn)電機(jī)概述1.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：1） 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。2） 步進(jìn)電機(jī)外表允許的溫度高。步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常

2、運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?1.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理： 步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖進(jìn)行控制 ,將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相位移的電機(jī) ,其機(jī)械位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率成正比 ,每一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度.脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度 ,脈沖的頻

3、率決定了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度.當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本次設(shè)計(jì)所采用的電機(jī)型號(hào)：28bjy-48四相五線(xiàn)微型步進(jìn)電機(jī) 該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。圖1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開(kāi)，B相磁

4、極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相 繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開(kāi)關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開(kāi)時(shí)，由于C相繞組的磁力線(xiàn)和1、4號(hào)齒之間磁力線(xiàn)的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類(lèi)推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以

5、保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖2.a、b、c所示：a. 單四拍 b. 雙四拍 c八拍圖2.步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖第2章 方案的論證 2.1 控制方式的確定步進(jìn)電機(jī)控制雖然是一個(gè)比較精確的，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)送控制字的間隔和送控制字的順序?qū)嶋H上就是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。一種是延時(shí)，一種是定時(shí)。延時(shí)方法是在每次按鍵之后調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，待延時(shí)結(jié)束后再次送控制字，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的CP脈沖。該方法簡(jiǎn)單，占

6、用資源少，全部由軟件實(shí)現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實(shí)現(xiàn)不同速度和不同方向的運(yùn)行。但占用CPU時(shí)間長(zhǎng)，不能在運(yùn)行時(shí)處理其他工作。因此只適合較簡(jiǎn)單的控制過(guò)程。定時(shí)方法是利用單片機(jī)系統(tǒng)中的定時(shí)器定時(shí)功能產(chǎn)生任意周期的定時(shí)信號(hào)，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出CP脈沖的周期。當(dāng)定時(shí)器啟動(dòng)后，定時(shí)器從裝載的初值開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)及其周期進(jìn)行加計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時(shí)中斷子程序?qū)㈦姍C(jī)換向子程序放在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，定時(shí)中斷一次，電機(jī)換向一次，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。2.1.1 脈沖序列的生成 脈沖幅值：由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。 TTL 0 5V CMOS 0 10V 接通和斷開(kāi)時(shí)間可用延時(shí)的辦法控

7、制。要求：確保步進(jìn)到位。2.1.2 方向控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。 四相八拍，通電順序?yàn)? 正轉(zhuǎn): AABBBCCCDDDA 反轉(zhuǎn): AADDDCCCBBBA 改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 2.2 脈沖分配 實(shí)現(xiàn)脈沖分配（也就是通電換相控制）的方法有兩種：軟件法和硬件法。本次設(shè)計(jì)采用軟件法。2.2.1 通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過(guò)單片機(jī)的IO向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖，下面以四相八拍為例上面提到了三相六拍工作方式通電換相得正序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A,，反序?yàn)锳-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A2.3

8、 驅(qū)動(dòng)方式的確定 用于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般有兩種方法，一種是通過(guò)CPU直接來(lái)驅(qū)動(dòng)，這種方法一般不宜采用，因?yàn)镃PU的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；別一種是通過(guò)CPU來(lái)間接驅(qū)動(dòng)，就是把從CPU輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，然后直接驅(qū)動(dòng)或是再通過(guò)光電隔離間接來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，這種方法比較安全可靠。固本次設(shè)計(jì)應(yīng)采用CPU間接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。2.4 驅(qū)動(dòng)電路的選擇 由于單片機(jī)接口信號(hào)不夠大需要通過(guò)ULN2803放大再連接到相應(yīng)的電機(jī)接口，ULN2803屬于高電壓大電流8達(dá)林頓晶體管系列，該陣列系列中的八NPN達(dá)林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路（如TTL,CMOS或PMOS/NMOS)和大電流高電

9、壓要求的燈、繼電器、打印機(jī)錘和其他類(lèi)似負(fù)載間的接口的理想器件。廣泛用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中。所用器件有集電極開(kāi)路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流鉗位二極管。 2.5 基本方案的確定因本次設(shè)計(jì)的要求，選用四相八拍步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)選用89C51作為控制器。選取用4511來(lái)驅(qū)動(dòng)LED段選，7406作為L(zhǎng)ED位選驅(qū)動(dòng)以顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。選用2803作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。系統(tǒng)原理框圖如下所示：第3章 硬件電路的設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)的選擇本次設(shè)計(jì)以CPU選用89C5l作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片89C51的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫(xiě)達(dá)幾萬(wàn)次以上使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容MCS5l系列單片機(jī)的所有功能。

10、AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案 3.引腳介紹 VCC(40腳)：接+5 V電源正端。 VSS(20腳)：接+5 V電源地端。 XTAL1(19腳)：接外部石英晶體的

11、一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于HMOS單片機(jī)，該引腳接地；對(duì)于CHMOS單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。 P0口(3932腳)：P0.0P0.7統(tǒng)稱(chēng)為P0口。在不接片外存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展I/O口時(shí)，可作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出口。在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口時(shí)，P0口分時(shí)復(fù)用為低8位地址總線(xiàn)和雙向數(shù)據(jù)總線(xiàn)。 P1口(18腳)：P1.0P1.7統(tǒng)稱(chēng)為P1口，可作為準(zhǔn)雙向I/O口使用。對(duì)于52子系列，P1.0與P1.1還有第二功能：P1.0可用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)脈沖輸入端T2，P1.1可用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部控制端T2E

12、X。 P2口(2128腳)：P2.0P2.7統(tǒng)稱(chēng)為P2口，一般可作為準(zhǔn)雙向I/O口使用；在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口且尋址范圍超過(guò)256字節(jié)時(shí)，P2口用作高8位地址總線(xiàn)。 P3口(1017腳)：P3.0P3.7統(tǒng)稱(chēng)為P3口。除作為準(zhǔn)雙向I/O口使用外，還可以將每一位用于第二功能，而且P3口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。P3口的第二功能如表2.1所示。3.2 LED顯示電路設(shè)計(jì)LED使用4511驅(qū)動(dòng)，CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED（數(shù)碼管）顯示器的 BCD碼七段碼譯碼器，特點(diǎn)如下：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉

13、電流?？芍苯域?qū)動(dòng)LED顯示器。CD4511 是一片 CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動(dòng)器，引腳排列如圖32 所示。其中a b c d 為 BCD 碼輸入，a為最低位。LT為燈測(cè)試端，加高電平時(shí)，顯示器正常顯示，加低電平時(shí)，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點(diǎn)亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時(shí)使所有筆段均消隱，正常顯示時(shí)， B1端應(yīng)加高電平。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點(diǎn)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過(guò)十進(jìn)制數(shù)9(1001)時(shí)，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時(shí)鎖存，低電平時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。ag是 7 段輸出，可驅(qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管。另外，CD4511顯示數(shù)“6”時(shí)，a段消隱

14、；顯示數(shù)“9”時(shí)，d段消隱，所以顯示6、9這兩個(gè)數(shù)時(shí)，字形不太美觀(guān) 圖3-1是 CD4511和AT89C51配合而成一位計(jì)數(shù)顯示電路，若要多位計(jì)數(shù)，只需將計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)，每級(jí)輸出接一只 CD4511 和 LED 數(shù)碼管即可。所謂共陰 LED 數(shù)碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地。限流電阻要根據(jù)電源電壓來(lái)選取，電源電壓5V時(shí)可使用300的限流電阻。 #includeSTC12C5A60S2.H#includeuart_1.h#includeds18b20.h#includekey_scan.h#includesteepmotor.h/弧度（角度）與頻率的比例關(guān)系#defin

15、e N_Value 0.0061328125/0.61328125 = 5.625*(1/16)*3.1415926/180/步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)相序表unsigned char code Moter_Z8=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x0d; /共陽(yáng)極數(shù)碼管編碼表（0-9）unsigned char code LED_Dis10=0XC0,0XF9, 0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90 ;/控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止unsigned char Start_Flag = 0;/DS18B20溫度unsigned cha

16、r Temperture; /速度計(jì)數(shù)器signed int RPM_Conter = 500; /顯示切換控制標(biāo)志unsigned char Dis_Flag = 0;/保存ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果（10位AD）extern volatile unsigned int ADC_Value;/軟件延時(shí)函數(shù)（毫秒級(jí)延時(shí)）void Delay_ms(unsigned int t)/11.0592MHzunsigned int i,j; for(i = t*8;i 0;i-)for(j = 110;j 0;j-);/DS18B20溫度檢測(cè)顯示void Temperture_Value_Display(uns

17、igned int M_Value)P0 = LED_DisM_Value/100; P2 |= 0x70; /P2.4/P2.5/P2.6清零P2 &= 0x10; /選通數(shù)碼管1Delay_ms(5); /延時(shí)5ms-消除重影P0 = LED_DisM_Value%100/10&0x7F; /小數(shù)點(diǎn) P2 |= 0x70; /P2.4/P2.5/P2.6清零P2 &= 0x20; /選通數(shù)碼管2Delay_ms(12); /延時(shí)12ms-消除重影P0 = LED_DisM_Value%10; P2 |= 0x70; /P2.4/P2.5/P2.6清零P2 &= 0x40; /選通數(shù)碼管3/

18、Delay_ms(5); /延時(shí)5ms-消除重影/步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角弧度顯示void SteepMotor_Rad_Display(unsigned int M_Value)float Rad_Value=0;Rad_Value = M_Value*N_Value*100;M_Value = (unsigned int) Rad_Value;P0 = LED_DisM_Value/100&0x7F; P2 |= 0x70; /P2.4/P2.5/P2.6清零P2 &= 0x10; /選通數(shù)碼管1Delay_ms(4); /延時(shí)5ms-消除重影P0 = LED_DisM_Value%100/10; /

19、小數(shù)點(diǎn) P2 |= 0x70; /P2.4/P2.5/P2.6清零P2 &= 0x20; /選通數(shù)碼管2Delay_ms(4); /延時(shí)12ms-消除重影P0 = LED_DisM_Value%10; P2 |= 0x70; /P2.4/P2.5/P2.6清零P2 &= 0x40; /選通數(shù)碼管3/Delay_ms(5); /延時(shí)5ms-消除重影void main() Uart1_Init(); /串口1初始化-9600bps/ Delay_Init(); /精確延時(shí)初始化/定時(shí)器延時(shí)/ADC_Init(); /ADC轉(zhuǎn)換初始化init_ds18b20();Key_Scan_Init(); /按鍵掃描初始化Steep_Motor_Init();/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)初始化while(1)/溫