步进电机及其控制.docx

步进电机及其控制.docx

《步进电机及其控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《步进电机及其控制.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

步进电机及其控制

步进电机及其控制

【实验目的】

熟悉步进电机的结构和驱动方式

掌握用AT89S52来控制步进电机的方法

进一步熟悉EDA实验平台

【实验器材】

EDA实验箱、PC机、DB25-ISP下载线、USB转换线、USB-BLASTER编程器等

软件：

QuatusII、KeiluVision2、ISPlay等

【实验原理】

步进电机（steppingmotor）是一种以脉冲控制的转动设备，由于是以脉冲驱动，很适合以数字或微型计算机来控制，做一又把它当成是一种数字设备。

1、步进电机的结构：

步进电机与一般电机结构类似，除了托架、外壳之外，就是转子和定子，比较特殊的是其转子与定子上有许多细小的齿，如图1所示。

转子为永久磁铁，线圈绕在定子上。

根据线圈的配置，步进电机可以分为2相、4相、5相等，比较常用的是2相的步进电机。

其中包括两组具有中间抽头的线圈，A、com1、

为一组，B、com2、

为另一组。

两相5线式步进电机就是将其中的com1和com2连接。

2、步进电机步进角度的计算

顾名思义，步进电机就是一步步走的电机，其转子与定子的齿，决定了其每步的间距。

若转子上有N个齿，则其齿间距

为：

而步进角度

为：

以常用的2相式50齿步进电机为例，

=360°/50=7.2°

=7.2°/（2×2）=1.8°

3、步进电机的驱动:

步进电机的驱动是靠定子线圈激磁后，将邻近转子上相异磁极吸引过来实现的。

因此，线圈排列的顺序，以及激磁信号的顺序就很重要。

以2相式步进电机为例，其驱动信号有1相驱动、2相驱动和1-2相驱动三种。

图4：

步进电机的驱动方式：

1相驱动、2相驱动和1-2相驱动。

（1）、1相驱动：

任何一个时间，只有一组线圈被激磁，其他线圈在休息，因此产生的力矩较小，但这种激磁方式最简单，信号依次为：

1000-0100-0010-0001-1000……（正转）

0001-0010-0100-1000-0001……（反转）

有四种不同的信号呈现周期性的变化。

在AT89S52中产生这种信号，以正转为例，可以先输出“0001”，，经过一小段时间延迟后，让步进电机有足够的时间建立磁场及转动，再输出“0100”，延时…依次循环输出这四种信号即可。

（2）、2相驱动：

任何一个时间，有两组线圈同时被激磁，因此，产生的力矩比1相驱动要大。

其信号依次为：

1100-0110-0011-1001-1100……（正转）

1100-1001-0011-0110-1100……（反转）

信号输出方式与1相驱动类似。

（3）、1-2相驱动：

1-2相驱动的方式又称为“半步驱动”，每个驱动信号只驱动半步。

其驱动信号依次为：

1001-1000-1100-0100-0110-0010-0011-0001……（正转）

1001-0001-0011-0010-0110-0100-1100-1000……（反转）

共有8种信号成周期性的变化,仔细观察可以发现其中的信号是将1相驱动和2相驱动的信号混合而成的。

具体应用时根据不同型号的步进电机采用不同的驱动方式，本EDA实验箱中的步进电机采用1相驱动的方式进行驱动。

4、转速控制

控制步进电机的运行速度，实际上是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期，即在加速的过程中，使脉冲的输出频率增加；在减速过程中，使脉冲的输出频率减小。

脉冲信号的频率可以用软件延时来确定。

5、步进电机的驱动电路

AT89S52的输出电流很难驱动步进电机，必须另外设计驱动电路才行，在此我们将采用ULN2003（如图5）驱动步进电机。

一颗ULN2003系列IC包含7个开集极式输出的反相器，而在每个输出端都有一个连接到公共端（VCC）的二极管，作为放电保护电路，每组反相器的内部电路如图6.

图5:

ULN2003

图6:

内部电路

【实验内容】

原理图:

1、根据EDA步进电机步进角度，计算出该步进电机的齿间距和齿数，填入表1；

齿数

齿间距

步进角度

12

30°

15°

2、步进电机的步进和特定角度旋转

（1）将“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\步进电机实验底层驱动”路径下“LCD1602.sof”文件烧入FPGA中。

具体步骤如下：

a）用USB转换线将USBBLASTER与PC机相连，USBBLASTER的另一端连接到FPGA核心板右下角J12口。

如果连接正常，USBBLASTER绿灯点亮。

b）双击“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\步进电机实验底层驱动”路径下“LCD1602.qpf”文件,启动QuartusII；

c）单击菜单栏中Tools\Programmer,打开FPGA程序下载窗口；

d）单击界面右上角“HardwareSetup”，在“CurrentlyselectedHardware”下拉列表中选择“USB-Blaster[USB-0]”，激活USB-Blaster，单击“close”关闭；

e）单击“AddFile”，路径选择“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\步进电机实验底层驱动”,选中文件“LCD1602.sof”，勾选Program/Configure；

f）给EDA主板供电，单击“start”，将底板驱动程序烧录到FPGA中。

g）烧录后不要断电，断电后程序会丢失，需要重新烧录。

（2）利用“程序一.c”代码，创建keil工程，生成“程序一.hex”文件

具体步骤如下：

a）单击“开始\程序”,启动KeiluVision2；

b）单击“Project\NewProject”,创建新工程；

c）新工程保存路径为“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\程序一”，工程名设为“工程一”，单击“保存”；

d）在弹出的“器件选择窗口”中，

选择“Atmel\AT89S52”，单击“确定”；

e）右键单击窗口右边列表栏中“SourceGroup1”，选择“AddFiletoGroup‘SourceGroup1’”；

f）选中“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\程序一”路径下“程序一.c”,单击“Add”，然后单击“close”；

g）双击“程序一.c”，打开该文件。

h）单击窗口左上角“BuildTarget”按键，编译程序一；

i）单击窗口左上角图标

，选中“output”面板，选中“CreativeHEX…”,单击“确定”

j）再次单击窗口左上角“BuildTarget”按键，将生成“程序二.Hex”文件；

k）在路径“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\程序一”下，已经生成“程序二.Hex”文件。

（3）将程序一.hex烧入单片机

具体步骤如下：

a）用DB25-ISP下载线连接单片机ISP程序下载口（EDA主板右下角J15口）和PC机并口，EDA主板右下角S8拨码开关全部拨向ON；

b）在桌面双击图标，启动ISPlay；

c）单击“检测器件”，听到“嘀嘀嘀”，表示器件检测成功；

d）单击“文件”，选择“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\程序一”路径下“程序一.hex”,单击“打开”；

e）单击“AUTORUN！

”，完成程序的下载；下载完成会听到“嘀嘀嘀”的响声。

完成表2：

操作

步进电机状态

开机

静止

单击按键K1

顺时针每次旋转60

单击按键K5

逆时针每次旋转60

单击按键K9

顺时针每次120

单击按键K13

逆时针旋转两圈

3、步进电机正、反、加速、减速转动控制

通过按键控制步进电机的正转、反转、加速、减速、停止和转动等动作。

（1）将“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\步进电机实验底层驱动”路径下“LCD1602.sof”文件烧入FPGA中，若上步实验后系统未重启，此步可省略。

具体步骤见前。

（2）利用“程序一.c”代码，创建keil工程，生成程序一.hex文件。

具体步骤见前。

（3）将“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\程序二”路径下“程序二.hex”烧入单片机。

具体步骤见前。

完成表3：

按键操作

步进电机状态

单击按键K1

反向旋转

单击按键K5

暂停继续

单击按键K9

加速旋转

单击按键K13

减速旋转

4、程序分析设计：

（1）阅读程序一.c，要使单击按键K9时，步进电机逆时针旋转240°,应该如何修改程序？

写出程序代码；

#include"AT89X52.h"

sfrp0=0x80;

sfrp1=0x90;

sfrp2=0xA0;

sfrp3=0xB0;

sbits1=p3^2;//正向步进

sbits2=p3^3;//反向步进

sbits3=p3^4;//正向旋转120°

sbits4=p3^5;//反向旋转2圈

intcon=800;

chardataid1=0,id2=0,id3=0,id4=0;//按键标志

unsignedcharmotorni[8]={0xF2,0xF8,0xF4,0xF1,0xF2,0xF8,0xF4,0xF1};//逆时针

unsignedcharmotorshun[8]={0xF2,0xF1,0xF4,0xF8,0xF2,0xF1,0xF4,0xF8};//顺时针

unsignedcharmotorout[8]={0,0,0,0,0,0,0,0};//电机输出

delay（intt）

{

inti,j;

for（i=0;i

for（j=0;j<10;j++）;

}

keyscan（）

{

inti,j;

/////////////////////////////////////////////按键s1:

正向步进

if（s1==0）

{delay（1000）;

while（s1==0）;

for（i=0;i<4;i++）

{

p0=motorshun[i];

delay（400）;

}

}

/////////////////////////////////////////////按键s2:

反向步进

if（s2==0）

{delay（1000）;

while（s2==0）;

for（i=0;i<4;i++）

{

p0=motorni[i];

delay（400）;

}

}

/////////////////////////////////////////////按键s3:

正向旋转120度

if（s3==0）

{delay（1000）;

while（s3==0）;

for（j=0;j<4;j++）//将这句改成重复4次，由于每次转动

//60度，所以可以实现正向转动240度

{

for（i=0;i<4;i++）

{

p0=motorshun[i];

delay（400）;

}

}

}

/////////////////////////////////////////////按键s4:

反向旋转2圈

if（s4==0）

{delay（1000）;

while（s4==0）;

for（j=0;j<12;j++）

{

for（i=0;i<4;i++）

{

p0=motorni[i];

delay（400）;

}

}

}

}

voidmain（）

{

p0=0xff;

while

（1）

{

keyscan（）;

}

}

（2）阅读程序二.c，要实现系统初始化时，步进电机顺时针旋转，怎样修改程序？

写出程序代码；

#include"AT89X52.h"

sfrp0=0x80;

sfrp1=0x90;

sfrp2=0xA0;

sfrp3=0xB0;

sbits1=p3^2;//对应于按键K1反向

sbits2=p3^3;//对应于按键K5停止

sbits3=p3^4;//对应于按键K9加速

sbits4=p3^5;//对应于按键K13减速

intcon=800;

chardataid1=0,id2=0,id3=0,id4=0;//按键标志

unsignedcharmotorni[8]={0xF2,0xF8,0xF4,0xF1,0xF2,0xF8,0xF4,0xF1};//逆时针

unsignedcharmotorshun[8]={0xF2,0xF1,0xF4,0xF8,0xF2,0xF1,0xF4,0xF8};//顺时针

unsignedcharmotorout[8];//电机输出

delay（intt）

{

inti,j;

for（i=0;i

for（j=0;j<10;j++）;

}

motor（）

{

inti;

if（id2==0）

for（i=0;i<8;i++）

{

p0=motorout[i];

delay（con）;

}

elseif（id2==1）

p0=0xff;

}

keyscan（）

{

inti;

/////////////////////////////////////////////按键s1:

反向

if（s1==0）

{delay（1000）;

while（s1==0）;

id1++;

if（id1==1）

for（i=0;i<8;i++）

motorout[i]=motorni[i];

elseif（id1==2）

{id1=0;

for（i=0;i<8;i++）

motorout[i]=motorshun[i];}

}

/////////////////////////////////////////////按键s2:

停止继续

if（s2==0）

{delay（900）;

while（s2==0）;

id2=~id2;

}

/////////////////////////////////////////////按键s3:

加速

if（s3==0）

{delay（900）;

while（s3==0）;

if（40

con=con/2;

if（con<40）

con=4000;

}

/////////////////////////////////////////////按键s4:

减速

if（s4==0）

{delay（900）;

while（s4==0）;

if（30

con=con*2;

if（con>4000）

con=40;

}

else{//当扫描按键时，没检测到按键时，

delay（1000）；//执行else语句，即正向旋转

for（i=0;i<8;i++）

motorout[i]=motorshun[i];

}

}

voidmain（）

{

p0=0xff;

while

（1）

{

keyscan（）;

motor（）;

}

}

（3）怎样实现步进电机转速的渐变，完成先递增，后递减？

写出程序代码或画出流程图。

#include"AT89X52.h"

sfrp0=0x80;

sfrp1=0x90;

sfrp2=0xA0;

sfrp3=0xB0;

sbits1=p3^2;//对应于按键K1反向

sbits2=p3^3;//对应于按键K5停止

sbits3=p3^4;//对应于按键K9加速

sbits4=p3^5;//对应于按键K13减速

intcon=800;

chardataid1=0,id2=0,id3=0,id4=0;//按键标志

unsignedcharmotorni[8]={0xF2,0xF8,0xF4,0xF1,0xF2,0xF8,0xF4,0xF1};//逆时针

unsignedcharmotorshun[8]={0xF2,0xF1,0xF4,0xF8,0xF2,0xF1,0xF4,0xF8};//顺时针

unsignedcharmotorout[8]={0xF2,0xF1,0xF4,0xF8,0xF2,0xF1,0xF4,0xF8};//电机输出

delay（intt）

{

inti,j;

for（i=0;i

for（j=0;j<10;j++）;

}

motor（）

{

inti;

if（id2==0）

for（i=0;i<8;i++）

{

p0=motorout[i];

delay（con）;

}

elseif（id2==1）

p0=0xff;

}

speedup（）//定义一个加速函数,当转动单位时

//间con大于20时，做加速转动

{

while（con>20）

{con=con/2;

motor（）;

}

}

speeddown（）//定义一个减速函数,当转动单位时

//间con小于4100时，做减速转动

{

while（con<4100）

{con=con*2;

motor（）;

}

}

voidmain（）//最后在main函数中调用

//speedup和speeddown

{

p0=0xff;

while

（1）

{

speedup（）;

speeddown（）;

}

}

【实验体会】

（1）首先是对keil的使用不是太了解，没有设置环境变量，耽误了很长时间，由于上次人太多，没有亲自上手的机会，虽然耽误了很长时间，但是对软件使用印象更加深刻。

（2）前两个试验修改比较简单，没有遇到多大的困难，在最后一个实验时，没有定义motorout[8]，导致在写好加速减速函数时，在main函数中调用没有观察到现象。

（3）实验对步进电机有了直观了解，了解如何通过编程实现对步进电机的控制。