步進電機控制-C程序及仿真

1、步進電機步進電機和普通電動機不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。步進電機可以直接接受數(shù)字信號,不需要進行數(shù)字與模擬量的轉(zhuǎn)換,具有高精度快速啟停能力。在非超載的情況下，步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。一、步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理步進電機是一種專門用于位置和速度精確控制的特種電機。步進電機的最大特點是其“數(shù)字性”，對于微電腦發(fā)過來的每一個脈沖信號，步進電機在其驅(qū)動器的推動下運轉(zhuǎn)一

2、個固定角度（簡稱一步），如下圖所示。如接收到一串脈沖步進電機將連續(xù)運轉(zhuǎn)一段相應(yīng)距離。同時可通過控制脈沖頻率，直接對電機轉(zhuǎn)速進行控制。步進電機在構(gòu)造上有三種主要類型：反應(yīng)式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式(Hybrid Stepping,HS)。反應(yīng)式定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小，可達1.2、但動態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。永磁式永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點是動態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5或15）。混合式

3、混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好，步矩角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高。混合型，因具有高精度、高轉(zhuǎn)矩、微小步進角和數(shù)個優(yōu)異的特征，所以剛開始在OA關(guān)系，其它的分類上也大幅的被使用，特別是在生產(chǎn)量上大半是使用在盤片記憶關(guān)系的磁頭轉(zhuǎn)送上。按定子上繞組來分，共有二相、三相和五相等系列。單定子徑向分相反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)原理圖最受歡迎的是兩相混合式步進電機，約占 97% 以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅(qū)動器后效果良好。該種電機的基本步矩角為1.8/步，配上半步驅(qū)動器后，步矩角

4、減少為0.9，配上細分驅(qū)動器后其步矩角可細分達256倍（0.007）。由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅(qū)動器以改變精度和效果。五相混合式步進電機應(yīng)用也比較廣泛，其步進角一般為0.72 度。1. 基本結(jié)構(gòu)2. 工作原理簡單的講，步進電機驅(qū)動器根據(jù)外來的脈沖，通過其內(nèi)部的邏輯電路控制步進電機的繞組按一定的次序正反通電，從而實現(xiàn)其運轉(zhuǎn)。以兩相1.8度步進電機為例，其主要分為4線（雙極性），6線（單極性）兩種方式：4線（雙極性）電機，當(dāng)其繞組的通電方向順序按照AC-BD-CA-DB 四個狀態(tài)周而復(fù)始進行變化，每變化一次，電機運轉(zhuǎn)一步,即1.8度。6線（單極性）電

5、機，當(dāng)其繞組的通電方向順序按照OA-OB-OC-OD 四個狀態(tài)周而復(fù)始進行變化，每變化一次，電機運轉(zhuǎn)一步,即1.8度。二、步進電機的術(shù)語1.相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S 磁場的激磁線圈對數(shù)，是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72。用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。目前應(yīng)用最廣泛的是兩相和四相，四相電機一般用作兩相，五相的成本較高。2.拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n 表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以

6、四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.3.步：當(dāng)某組繞組通電時,每來一個脈沖電壓,如果這時定子的小齒與轉(zhuǎn)子沒有對齊，則在磁場的作用下轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一個步距角(稱為一步)，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊，從而使步進電機向前“走”一步。三、步進電機工作過程1.脈沖信號的產(chǎn)生:脈沖信號一般由CPU或單片機產(chǎn)生的，一般脈沖信號的比例為0.3-0.4左右，電機轉(zhuǎn)速越高，比例則越大。 微處理器以四相步進電機為例，四相電機工作方式有二種，四相四步為AB-BC-CD-DA；四相八步為AB-B-BC-C-CD-D-AB。 2.步進電機運轉(zhuǎn)

7、原理如圖為四相(實際為2相）式步進電機的基本構(gòu)造圖。中間轉(zhuǎn)子由永久磁鐵所構(gòu)成，左邊為N極，另一邊為S極。定子有四組線圈，分別為L1、L2、L3及L4，各線圈的C端共接電源正極，另一端經(jīng)由開關(guān)接在電源的負(fù)極，在看圖8。當(dāng)把開關(guān)S1按下，則線圈A通入電流，產(chǎn)生N極磁場，因為磁場同性相斥、異性相吸，使轉(zhuǎn)子的S極被A極吸引過來。其次，放掉開關(guān)S1，并且立刻按下開關(guān)S2，則A極的磁場消失，B極產(chǎn)生磁場，把轉(zhuǎn)子的S極吸引過來，轉(zhuǎn)子隨著順時針方向90度。像這樣依次讓定子的四個極通入電流，就可以使轉(zhuǎn)子不停的旋轉(zhuǎn)。圖8單極激磁等效驅(qū)動電路3.步進馬達的激磁方式步進馬達依定子線圈的相數(shù)不同可分成二相、四相及五相式

8、，小型步進馬達以二相式較為普遍。單極性型(unipolar)：定子磁極極性為同一方向，如可變磁阻式步進馬達，磁極線圈只有一組，所加的激磁電流為固定方向，因此單極性步進馬達所需的電源較簡單。單極性驅(qū)動電路使用四只晶體管來驅(qū)動步進電機的兩組相位，電機結(jié)構(gòu)則如圖9所示包含兩組帶有中間抽頭的線圈，整個電機共有六條線與外界連接-圖9。這類電機有時又稱為四相電機，但這種稱呼容易令人區(qū)分不了又不正確，因為它其實只有兩個相位，精確的說法應(yīng)是雙相位六線式步進電機。六線式步進電機雖又稱為單極性步進電機，實際上卻能同時使用單極性或雙極性驅(qū)動電路。單極性二相步進電機驅(qū)動電路雙極性型(bipolar)：定子磁極極性為兩

9、個方向，如永久磁鐵式步進馬達，其轉(zhuǎn)子的極性和定子磁極極性有交互變化的需要。單一激磁線圈時其激磁方向為正負(fù)交替變化，兩組磁極線圈時，一組正向激磁，另一組負(fù)向激磁，兩組交替變化，使定子磁極極性變化。以雙極方式運用，其電源較為復(fù)雜。雙極性步進電機的驅(qū)動電路則如圖2所示，它會使用八只晶體管來驅(qū)動兩組相位。雙極性驅(qū)動電路可以同時驅(qū)動四線式或六線式步進電機，雖然四線式電機只能使用雙極性驅(qū)動電路，它卻能大幅降低量產(chǎn)型應(yīng)用的成本。雙極性步進電機驅(qū)動電路的晶體管數(shù)目是單極性驅(qū)動電路的兩倍，其中四顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅(qū)動，上端晶體管則需要成本較高的上端驅(qū)動電路。雙極性驅(qū)動電路的晶體管只需承受電機電壓，

10、所以它不像單極性驅(qū)動電路一樣需要箝位電路。雙極性步進電機驅(qū)動電路二相5線/6線步進電機內(nèi)部接線圖五、步進電機的結(jié)構(gòu)及控制從結(jié)構(gòu)上看,步進電機分為三相、四相、五相等類型。以三相為例。三相反應(yīng)式步進電動機工作原理圖三相步進電機定子上有6個磁極,線圈繞過相互正對的兩個磁極構(gòu)成一相，共有AA、BB和CC三相。轉(zhuǎn)子是4個均勻分布的齒。 (1) 換相順序的控制步進電機通電換相這一過程稱為脈沖分配。以三相步進電機為例，電流脈沖的施加共有三種方式：單相三拍方式-按單相繞組施加電流脈沖每次通電時僅有一相繞組通電,且每經(jīng)過3 次切換控制繞組的通電狀態(tài)為一循環(huán)。雙相三拍方式-按雙相繞組施加電流脈沖每個狀態(tài)均為兩個控

11、制繞組同時通電,且每次切換電時,總有一相繞組處于通電狀態(tài),故避免了失步和振蕩現(xiàn)象。三相六拍方式-單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖首先A 相通電,而后再接通B 相繞組(這時A 相不斷開) 即AB 兩繞組同時通電;此后斷開A 相繞組,B 相單獨通電,依此規(guī)律循環(huán)往復(fù). 這種方式需經(jīng)過6 個切換才能完成一個循環(huán)。(2) 步進電機的轉(zhuǎn)向控制如果給定工作方式正序換相通電,步進電機正轉(zhuǎn)。若步進電機的勵磁方式為三相六拍,即A - AB- B - BC - C - CA - A。如果按反序通電換相,即A- AC - C - CB - B - BA - A ,則電機就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。(3) 步進電機的

12、速度控制如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖,它就轉(zhuǎn)一步,再發(fā)一個脈沖,它會再轉(zhuǎn)一步。2 個脈沖的間隔越短,步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進電機的脈沖頻率,就可以對步進電機進行調(diào)速，即控制脈沖的頻率來控制電機的轉(zhuǎn)速和加速度。四、單片機控制步進電機的任務(wù)系統(tǒng)軟件程序功能的主要任務(wù)是控制步進電機的啟動、按順序發(fā)出控制命令、判斷步進電機是否到達極限位置、控制步進電機的轉(zhuǎn)向和運行速度的變化等。一般數(shù)字電路的信號能量遠遠不足以驅(qū)動步進電機，必須要有一個與之匹配的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電機。由L297、L298 組成的步進電機驅(qū)動應(yīng)用電路如圖5所示，該電路適用于二相雙極性步進電機或四相單極性步進電機, 最高電壓46

13、V, 每相電流可達2 A。用2片L298和1片L297配合使用,可驅(qū)動更大功率的二相步進電機。五、單片機控制步進電機的控制字以三相步進電機為例。單相三拍方式其狀態(tài)表見表l。其中“1”代表高電平,表示驅(qū)動的磁極繞組通電;“0”代表低電平,表示驅(qū)動的磁極繞組不通電。表1 三相步進電機環(huán)形分配器存儲狀態(tài)表狀態(tài)字控制字勵磁狀態(tài)0001H 0001 A0002H 0010 B0004H 0100 C將01 H 送到P1 口,表示A 相通電,其余相不通電,使步進電機前進一個步距角。可見通過改變狀態(tài)表中的內(nèi)容,就可以實現(xiàn)不同的工作方式。雙相三拍方式假定以8051的P1口線接步進電機的繞組，輸出控制電流脈沖，

14、其中P1.0接A，P1.1接B，P1.2接C。控制字如下表：三相六拍方式表1列出了步進電機工作在三相六拍時的控制字。從中可以看出，步進電機第一個控制字?jǐn)?shù)據(jù)為01H，從上到下輸出控制字時，電機正轉(zhuǎn)，自下而上輸出控制字?jǐn)?shù)據(jù)時，電機反轉(zhuǎn)。步進電機運行一拍的時間決定了步進電機的轉(zhuǎn)速。在輸出一個控制字后加入一定的延時時間，即可控制步進電機的轉(zhuǎn)速。表1 三相六拍步進電機控制字另一種三相六拍步進電機控制字四相四拍步進電機控制字四相步進電機八拍控制字/四相八拍正轉(zhuǎn)控制字uchar code forward = 0x81, 0x85, 0x84, 0x86, 0x82, 0x8A , 0x88, 0x89, 0

15、x80;/四相八拍反轉(zhuǎn)控制字uchar code backward = 0x89, 0x88, 0x8A , 0x82, 0x86, 0x84, 0x85, 0x81, 0x80;*Q：步進電機驅(qū)動程序中的正反轉(zhuǎn)控制字怎么得到的？比如： 三相步進電機的三相六拍工作方式，正轉(zhuǎn)的繞組通電順序：A、AB、B、BC、C、CA、A，反轉(zhuǎn)的通電順序：A、AC、C、CB、B、BA、A。 我用PA0,PA1,PA2分別作為ABC的輸入， 那么這些控制字怎么得到出來的？ const char zhzhuan7 =0x06,0x04,0x05,0x01,0x03,0x02,0x00; const char fan

16、zhuan7=0x06,0x02,0x03,0x01,0x05,0x04,0x00;A：zhzhuan: A AB B BC C CA 停 110 100 101 001 011 010 000 fanzhuan： A AC C CB B BA 停 110 010 011 001 101 100 000步進電機控制工作原理沈陽航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計（論文）題目：基于單片機和proteus的步進電機控制 班 級 * 學(xué) 號 * 學(xué) 生 姓 名 X X X 指 導(dǎo) 教 師 X X X 目 錄0. 前言11. 電路基本理論12. 方案設(shè)計23. 硬件電路的工作原理23.1步進電機模塊33.2控制

17、模塊33.3 LCD顯示模塊34. 軟件編程44.1 程序流程圖44.2 MCS-51單片機引腳功能54.3 源程序65. 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析95.1 電機正轉(zhuǎn)運行95.2 電機反轉(zhuǎn)運行105.3 電機停止轉(zhuǎn)動106. 結(jié)論及進一步設(shè)想11參考文獻12附錄1 元件清單13課設(shè)體會14基于單片機和proteus的步進電機控制*沈陽航空航天大學(xué)自動化學(xué)院0. 前言步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频膱?zhí)行機構(gòu)，通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度?？赏ㄟ^控制脈沖數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確的定位目的，也可通過控制脈沖的頻率來控制電機的轉(zhuǎn)速和加速

18、度；從而達到調(diào)速的目的。本文通過對步進電機的軟件設(shè)計和硬件設(shè)計包括步進電機的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用，根據(jù)原理和硬件的設(shè)計利用c語言編寫程序，經(jīng)過反復(fù)運行和調(diào)試，實現(xiàn)單片機對步進電機的控制。1. 電路基本理論步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，它的的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，控制換相順序，即通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照一定順序分別控制各相的通斷。通過控制脈沖個數(shù)即可以控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的?？刂撇竭M電機的轉(zhuǎn)向，即給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，若按

19、反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)?？刂撇竭M電機的速度，即給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步，兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。2. 方案設(shè)計基于單片機和proteus的步進電機控制電路的基本組成如圖1所示。步進電機控制臺單片機LED顯示器圖1 基于單片機和proteus的步進電機控制電路的原理框圖根據(jù)設(shè)計要求，采用的方案如下。硬件部分實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)動和速度顯示功能，包括控制開關(guān)模塊；電機轉(zhuǎn)動模塊和速度顯示模塊。軟件部分實現(xiàn)對步進電機的控制功能，主要設(shè)計思想通過控制臺控制程序的開關(guān)來控制電機的轉(zhuǎn)動，由

20、電機反饋回來的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機控制顯示器顯示數(shù)據(jù).。3. 硬件電路的工作原理3.1步進電機模塊（如圖2所示） 圖2 步進電機功能：單片機輸出的程序通過轉(zhuǎn)換器和電機驅(qū)動器給步進電機一個脈沖信號，使步進電機實現(xiàn)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。3.2 控制模塊(如圖3所示)圖3 控制模塊功能：通過控制臺實現(xiàn)對單片機程序的開與關(guān)。3.3 LED顯示模塊(如圖4所示)圖4 LED顯示器功能：通過單片機輸出的電機反饋信號使LED顯示器顯示出步進電機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。4. 軟件編程4.1 程序流程圖：（如圖5所示）開始按鍵判斷按鍵If(P3_5=0)If(P3_6=0)If(P3_7=0)If(P3_0=0)If(P3_1=0)正轉(zhuǎn)加速

21、反轉(zhuǎn)停止減速顯示轉(zhuǎn)動方式圖5：程序流程圖4.2 MCS-51單片機引腳功能：（如圖6所示）圖6：單片機引腳圖1電源線：VCC：+5 V電源。VSS：地線。2RST：復(fù)位信號線。當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機的復(fù)位初始化操作。3信號引腳介紹 P0.0 P0.7： P0口8位雙向口線。 P1.0 P1.7 ：P1口8位雙向口線。 P2.0 P2.7 ：P2口8位雙向口線。 P3.0 P3.7 ：P3口8位雙向口線。4XTAL1和XTAL2：外接晶振引腳。當(dāng)使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。5控制引腳： ALE/-PROG、

22、-PSEN、-EA/Vpp組成了MSC-51的控制總線。 （1） -EA/Vpp(31腳）：外部程序存儲器地址允許輸入端。 第二功能：固化編程電壓輸入端。 （2） ALE/-PROG(30腳）：地址鎖存允許信號端。 第二功能：編程脈沖輸入端。 （3） -PSEN（29腳）：程序存儲允許輸出信號端。4.3 源程序：#include#define uc unsigned char#define ui unsigned intsbit KEY=P33;sbit P1_0=P10;sbit P3_0=P30;sbit P3_1=P31;sbit P3_5=P35;sbit P3_6=P36;sbit

23、P3_7=P37;uc Flag;uc code fan=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08，0x09;uc code zheng=0x09，0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;ui speed=1000,time;void delay(ui t)while(t-);void xianshi(uc f) /顯示轉(zhuǎn)向 P1_0=0;P0=f; delay(5);void Speedup()/加速 time=speed; time=time-100; if(time2000) time=2000;void main()uc i;E

24、X1=1; /外部中斷1開IT1=1; /邊沿觸發(fā)EA=1; /全局中斷開P0=0xff;while(1)while(Flag=0) for(i=0;i7;i+)xianshi(0x5b);/顯示 Z 標(biāo)示正轉(zhuǎn) P2=zhengi; delay(speed); while(Flag=1) for(i=0;i7;i+) xianshi(0x71);/顯示 F 標(biāo)示反轉(zhuǎn) P2=fani; delay(speed); while(Flag=2) /停止 P2=0;xianshi(0x6D);/ 顯示 Svoid ISR_Key() interrupt 2 delay(500); if(!KEY) if(P3_5=0