步进电机及其控制讲义

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：Quatus II 、Keil uVision2、ISPlay 等 【实验原理】步进电机(stepping motor)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。根据项圈的配置，步进电机可以分为 2 相、4 相、5 相等，如图 2 所示。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AB5 线式步进电机就是将其中的 com1 和 com2 连接。图 1：步进电机的基本结构 图 2：步进电机的种类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，决定了其每布的间距。如图 3 所示。图 3：步进电机的齿间距若转子上有 N 个齿，则其齿间距 为：60转 子 齿 间 距而步进角度 为：P2相 数转 子 齿 间 距以常用的 2 相式 50 齿步进电机为例，=360/50=7.2=7.2/(22)=1.83、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152、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 USB BLASTER 与 PC 机相连，USB BLASTER 的另一端连接到 FPGA核心板右下角 J12 口。如果连接正常，USB BLASTER 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 Quartus II；c) 单击菜单栏中 ToolsProgrammer ,打开 FPGA 程序下载窗口；d) 单击界面右上角“Hardware Setup”，在“Currently selected Hardware”下拉列表中选择“USB-BlasterUSB-0” ，激活 USB-Blaster，单击“close”关闭；e) 单击“Add File”，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 Keil uVision2；b) 单击“ProjectNew Project”,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“AtmelAT89S52” ，单击“确定” ；e) 右键单击窗口右边列表栏中“Source Group 1”，选择“Add File to Group Source Group 1”；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“Build Target”按键，编译程序一；i) 单击窗口左上角图标 ，选中“output”面板，选中“Creative HEX”,单击“确定” 。j) 再次单击窗口左上角“Build Target”按键，将生成“程序一.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“程序一.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 步进电机状态开机单击按键 K1单击按键 K5单击按键 K9单击按键 K133、设计性实验步进电机正、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。【实验要求】1. 根据实验内容，填写表 1、表 2。2. 分析程序，按要求将程序代码记录在报告上，并将程序编译运行烧录