步進(jìn)電機(jī)及其控制

1、數(shù)字信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：步進(jìn)電機(jī)及其控制一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.熟悉步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式2.掌握用AT89S52來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的方法3.進(jìn)一步熟悉EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按鍵控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)加速3圈，反轉(zhuǎn)減速1.5圈三 實(shí)驗(yàn)儀器EDA實(shí)驗(yàn)箱、PC機(jī)、DB25-ISP下載線、USB轉(zhuǎn)換線、USB-BLASTER編程器等軟件：Quatus II 、Keil uVision2、ISPlay等四 實(shí)驗(yàn)原理步進(jìn)電機(jī)(stepping motor)是一種以脈沖控制的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，由于是以脈沖驅(qū)動(dòng)，很適合以數(shù)字或微型計(jì)算機(jī)來(lái)控制，做一又把它當(dāng)成是一種數(shù)字設(shè)備。1、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)：步進(jìn)電機(jī)與一般電機(jī)結(jié)構(gòu)類

2、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(xì)小的齒，如圖1所示。轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，線圈繞在定子上。根據(jù)項(xiàng)圈的配置，步進(jìn)電機(jī)可以分為2相、4相、5相等，如圖2所示。比較常用的是2相的步進(jìn)電機(jī)。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(jìn)電機(jī)就是將其中的com1和com2連接。圖1：步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖2：步進(jìn)電機(jī)的種類2、步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角度的計(jì)算顧名思義，步進(jìn)電機(jī)就是一步步走的電機(jī)，其轉(zhuǎn)子與定子的齒，決定了其每布的間距。如圖3所示。圖3：步進(jìn)電機(jī)的齒間距若轉(zhuǎn)子上有N個(gè)齒，則其齒間距為：而步進(jìn)角度為：以常用的2相式50齒步進(jìn)

3、電機(jī)為例，=360/50=7.2=7.2/(22)=1.83、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng):步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是靠定子線圈激磁后，將鄰近轉(zhuǎn)子上相異磁極吸引過(guò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，線圈排列的順序，以及激磁信號(hào)的順序就很重要。以2相式步進(jìn)電機(jī)為例，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)有1相驅(qū)動(dòng)、2相驅(qū)動(dòng)和1-2相驅(qū)動(dòng)三種。圖4：步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式：1相驅(qū)動(dòng)、2相驅(qū)動(dòng)和1-2相驅(qū)動(dòng)。（1）、1相驅(qū)動(dòng)：任何一個(gè)時(shí)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(jiǎn)單，信號(hào)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(hào)呈現(xiàn)周期性的變化。在

4、AT89S52中產(chǎn)生這種信號(hào)，以正轉(zhuǎn)為例，可以先輸出“0001”，經(jīng)過(guò)一小段時(shí)間延遲后，讓步進(jìn)電機(jī)有足夠的時(shí)間建立磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，再輸出“0100”，延時(shí) 依次循環(huán)輸出這四種信號(hào)即可。（2）、2相驅(qū)動(dòng)：任何一個(gè)時(shí)間，有兩組線圈同時(shí)被激磁，因此，產(chǎn)生的力矩比1相驅(qū)動(dòng)要大。其信號(hào)依次為：1100-0110-0011-1001-1100（正轉(zhuǎn)）1100-1001-0011-0110-1100（反轉(zhuǎn)）信號(hào)輸出方式與1相驅(qū)動(dòng)類似。（3）、1-2相驅(qū)動(dòng)：1-2相驅(qū)動(dòng)的方式又稱為“半步驅(qū)動(dòng)”，每個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)只驅(qū)動(dòng)半步。其驅(qū)動(dòng)信號(hào)依次為：1001-1000-1100-0100-0110-0010-0011-0001

5、（正轉(zhuǎn)）1001-0001-0011-0010-0110-0100-1100-1000（反轉(zhuǎn)）共有8種信號(hào)成周期性的變化,仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)其中的信號(hào)是將1相驅(qū)動(dòng)和2相驅(qū)動(dòng)的信號(hào)混合而成的。具體應(yīng)用時(shí)根據(jù)不同型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)采用不同的驅(qū)動(dòng)方式，本EDA實(shí)驗(yàn)箱中的步進(jìn)電機(jī)采用1相驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。4、轉(zhuǎn)速控制控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上是控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在加速的過(guò)程中，使脈沖的輸出頻率增加；在減速過(guò)程中，使脈沖的輸出頻率減小。脈沖信號(hào)的頻率可以用軟件延時(shí)來(lái)確定。5、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路AT89S52的輸出電流很難驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須另外設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路才行，在此我們將采用ULN

6、2003(如圖5)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。一顆ULN2003系列IC包含7個(gè)開(kāi)集極式輸出的反相器，而在每個(gè)輸出端都有一個(gè)連接到公共端（VCC）的二極管，作為放電保護(hù)電路，每組反相器的內(nèi)部電路如圖6.圖5:ULN2003圖6:內(nèi)部電路五 實(shí)驗(yàn)步驟原理圖:1、根據(jù)EDA步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角度，計(jì)算出該步進(jìn)電機(jī)的齒間距和齒數(shù)，填入表1；齒數(shù)齒間距步進(jìn)角度660152、步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)和特定角度旋轉(zhuǎn)（1）將“桌面EDA實(shí)驗(yàn)-51部分-步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)底層驅(qū)動(dòng)”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(jī)相連，USB BLASTER的

7、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(diǎn)亮。b) 雙擊“桌面EDA實(shí)驗(yàn)-51部分-步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)底層驅(qū)動(dòng)”路徑下 “LCD1602.qpf”文件,啟動(dòng)Quartus II；c) 單擊菜單欄中 ToolsProgrammer ,打開(kāi)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(shí)驗(yàn)-51部分-步進(jìn)電機(jī)

8、實(shí)驗(yàn)步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)底層驅(qū)動(dòng)”,選中文件“LCD1602.sof”，勾選Program/Configure； f) 給EDA主板供電，單擊“start”，將底板驅(qū)動(dòng)程序燒錄到FPGA中。g) 燒錄后不要斷電，斷電后程序會(huì)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(kāi)始程序”,啟動(dòng)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(shí)驗(yàn)-51部分-步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)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“Atme

9、lAT89S52”，單擊“確定”；e) 右鍵單擊窗口右邊列表欄中“Source Group 1”，選擇“Add File to Group Source Group 1”；f) 選中“桌面EDA實(shí)驗(yàn)-51部分-步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)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(kāi)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(biāo)，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

10、面EDA實(shí)驗(yàn)-51部分-步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)程序一”下，已經(jīng)生成“程序二.Hex”文件。（3）將 程序一.hex 燒入單片機(jī)具體步驟如下：a) 用DB25-ISP下載線連接單片機(jī)ISP程序下載口（EDA主板右下角J15口）和PC機(jī)并口，EDA主板右下角S8撥碼開(kāi)關(guān)全部撥向ON；b) 在桌面雙擊圖標(biāo)，啟動(dòng)ISPlay；c) 單擊“檢測(cè)器件”，聽(tīng)到“嘀嘀嘀”，表示器件檢測(cè)成功；d) 單擊“文件”，選擇“桌面EDA實(shí)驗(yàn)-51部分-步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)程序一”路徑下“程序一.hex”,單擊“打開(kāi)”；e) 單擊“AUTORUN！”，完成程序的下載；下載完成會(huì)聽(tīng)到“嘀嘀嘀”的響聲。完成表2：操作步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)開(kāi)機(jī)不轉(zhuǎn)單擊按

11、鍵K1正向步進(jìn)單擊按鍵K5反向步進(jìn)單擊按鍵K9 正轉(zhuǎn)120單擊按鍵K13反轉(zhuǎn)2圈3、步進(jìn)電機(jī)正、反、加速、減速轉(zhuǎn)動(dòng)控制：加速正轉(zhuǎn)3圈，減速反轉(zhuǎn)1.5圈通過(guò)按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速動(dòng)作，要求加速正轉(zhuǎn)3圈，加速反轉(zhuǎn)1.5圈。(1) 將“桌面EDA實(shí)驗(yàn)-51部分-步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)底層驅(qū)動(dòng)”路徑下 “LCD1602.sof”文件燒入FPGA中，若上步實(shí)驗(yàn)后系統(tǒng)未重啟，此步可省略。具體步驟見(jiàn)前。(2) 創(chuàng)建keil工程，編寫實(shí)驗(yàn)代碼，生成hex文件。具體步驟見(jiàn)前。(3) 將生成的HEX文件燒入單片機(jī)。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。六 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)象：按鍵操作步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)單擊按鍵K1正向步進(jìn)

12、單擊按鍵K5反向步進(jìn)單擊按鍵K9正向加速3圈單擊按鍵K13反向減速1.5圈1、程序源碼及分析：程序源碼：#includeAT89X52.hsfr p0=0x80;sfr p1=0x90;sfr p2=0xA0;sfr p3=0xB0;sbit s1=p32;/正向步進(jìn)sbit s2=p33;/反向步進(jìn)sbit s3=p34;/正向加速3圈sbit s4=p35;/反向加速1.5圈int con=800;unsigned char motorni8=0xF2,0xF8,0xF4,0xF1,0xF2,0xF8,0xF4,0xF1;/逆時(shí)針unsigned char motorshun8=0xF2,

13、0xF1,0xF4,0xF8,0xF2,0xF1,0xF4,0xF8;/順時(shí)針delay(int t)int i,j;for(i=0;it;i+)for(j=0;j10;j+);keyscan()int i,j;/按鍵s1:正向步進(jìn)if(s1=0)delay(1000);while(s1=0);for(i=0;i4;i+)p0=motorshuni; delay(400);/按鍵s2:反向步進(jìn)if(s2=0)delay(1000);while(s2=0);for(i=0;i4;i+)p0=motornii; delay(400);/按鍵s3:正向加速3圈if(s3=0)delay(1000);

14、while(s3=0);for(j=0;j18;j+)for(i=0;i4;i+)p0=motorshuni; delay(con); con-=10; if(con=40) con=800;/按鍵s4:反向減速1.5圈if(s4=0)delay(1000);while(s4=0);for(j=0;j9;j+)for(i=0;i=2000) con=800;void main()p0=0xff;while(1)keyscan();源碼分析：（1） 轉(zhuǎn)向控制的實(shí)現(xiàn)分析：寫入的控制字?jǐn)?shù)組：正轉(zhuǎn)motorshun、反轉(zhuǎn)motorni。（2）.轉(zhuǎn)角控制的實(shí)現(xiàn)分析：for(i=0;i4;i+)p0=motorshuni; delay(con); /驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)60度轉(zhuǎn)角3圈為1080度，1080/60=18，故該循環(huán)體需設(shè)置18次的外圍循環(huán)，即：for(j=0;j18;j+)for(i=0;i4;i+)p0=motorshuni; delay(con); 1.5圈為540度，540/60=9，故故該循環(huán)體需設(shè)置9次的外圍循環(huán)，即：for(j=0;j9;j+)for(i=0;i4;i+)p0=motornii; delay(