步进电机及其控制讲义

1、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

2、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5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：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

3、.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，

4、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）1001-0001-0011-00

5、10-0110-0100-1100-1000（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ULN

6、2003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 USB BLASTER 与PC机相连，USB BLASTER的另一端连接到FPGA核心板右下角J1

7、2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

8、“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

9、) 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

10、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到单片机