基于ARM的步进电机

PAGEPAGE11目录1引言 12步进电机的概况及分类 12.1步进电机的概况 12.2步进电机的分类 13电路设计及其工作原理 23.1步进电机电路总体设计思路 23.2步进电机的详细电路设计 23.3步进电机的工作原理 44软件设计 44.1软件总体设计流程 45结束语 56实习总结 57参考文献 6附录1步进电机主程序 7附录2电路总图 11附录3PCB图 121引言目前，随着嵌入式技术的不断成熟，基于嵌入式系统编写特制电路下的设备驱动程序也越来越受到人们的青睐。数字电子技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展推动了步进电机的快速发展。在当今的社会中，步进电机运用于各个行业，应用领域涉及机器人、工业电子自动化设备、医疗器械、广告器材、舞台灯光设备、印刷设备、计算机外部应用设备等等。虽然步进电机已经被广泛地应用，但步进电机并不能像普通直流电机、交流电机那样在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制才可以使用。因此，设计步进电机具有重要的现实意义和使用价值。2步进电机的概况及分类2.1步进电机的概况传统的电机作为机电转换能量装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动划时代的今天，传统电机的功能已经不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为了适用这种要求，发展了一系列具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点且应用十分广泛的是步进电机。现在的步进电机已经成为除直流电机和交流电机之外的第三类电动机。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，具有控制灵活、价格低等优点，因而广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，嵌入式步进电机控制器是将微处理器置于电机控制器中，使步进电机控制器能按设定的相数、拍数以及单个触发脉冲所走的步数，提供相应的控制逻辑。2.2步进电机的分类现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大。反应式步进电机：其电机定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。此电机一般为三相，可以实现大转矩输出，步进角度一般为1.5度，但是噪声和振动都很大。混合式步进电机：混合式步进电机是混合了永磁式和反应式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，但结构复杂、成本相对较高。一般为两相和五相：两相步进角度为1.8度，而五相步进角度一般为0.72度，这种步进电机应用最为广泛。3电路设计及其工作原理3.1步进电机电路总体设计思路在本设计系统内，主要利用ARM输出信号的来控制电机的转动，同时能够调整转速，控制转向。通过改变给电机输入脉冲信号波形的不同来改变电机的转速；通过控制电机相序来控制电机转向。本系统主要由按键电路，ARM微处理器，步进电机驱动电路，步进电机等几部分组成。步进电机的控制主要由六个按键来实现，分别是“启动”、“正转”、“反转”、“加速”、“减速”、“停止”。总体设计框图如图1所示：图1总体框图3.2步进电机的详细电路设计步进电机的硬件电路包括驱动电路和控制电路组成。驱动电路主要是驱动电机的转动，由电源、信号的输入、输出端和电阻与三极管组成的放大电路等组成；控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。驱动电路步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式必须使用专用的步进电机驱动控制器，正是这个特点步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。驱动电路由电源、信号输入端、信号输出端、电阻、三极管组成，本系统之所以采用三极管放大电路对步进电机进行驱动，是由于我们使用的电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状，态时会形成很大的反向电流，在电路中加入三极管的作用就是在产生反向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全。电路如图（2）所示：图2驱动电路（2）控制电路根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制、停止控制、正向转动控制、反向转动控制、加速控制和减速控制按钮，分别是K1、K2、K3、K4、K5、K6。当按键的状态变化时，内部程序检测GPIO12、GPIO13、GPIO14、GPIO15的状态来调用相应的启动和转换程序，以实现系统的电机控制。利用按键来控制电机的启停，正反转，加减速。当一个按键接通后，I/O口出现一个负脉冲，通过内部程序的设置，实现电机转向、速度的控制。电路如图（3）所示：图3按键控制电路3.3步进电机的工作原理通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一个角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度，转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。可以用控制脉冲数量、频率及电机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。4软件设计4.1软件总体设计流程软件总体设计流程图(4)图4软件设计流程图（1）步进电机的工作方式：实际使用的步进电机以单、双八拍的方式工作。若以A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A次序通电为正转，按A-AD-D-DC-C-CB-B-BA-A通电为反转。（2）运动速度的控制：电机运动速度的控制，控制步进电机的运行速度实际上就是控制系统发出CP脉冲的频率或者换向的周期。步进电机的工作方式变化，或者通电和断电变化的速率发生变化时，使电机转速发生变化，所以调节脉冲的周期就可以控制步进电机的运动速度。当改变脉冲的周期时，ABCD四相绕组高低电平的宽度将发生首先下载程序到开发板后系统初始化，电机开始转动，然后通过按键控制电路进行启动控制操作，电机启动后可以进行正转、反转和加减速操作，电机根据按键操作实现电机的这些功能。5结束语结束语：在做PCB板时，由于考虑到所用的元器件比较少，再加上布线也不是很复杂，所以我采用了单面布线，为了方便腐蚀和焊接，我们把线设计的比较粗，焊孔也画的较大，在腐蚀之前还用油性笔加粗线路以保证腐蚀完好。6实习总结我参加的课题实训是嵌入式方向的，经过两个星期的艰苦奋战，终于把步进电机的运行控制系统给做完了，通过这段时间的实训我学到了很多，同时也让我们意识到我们要学的还有很多。从程序的设计到编写、画图、调试、修改、完善，到最后的实训报告，每个人都付出了时间和精力去做好自己的任务。通过实训让我们更深一步的对自己的专业，对自己的能力，对自己所学的知识有了正确的认识，并且能在以后的学习中不断提高和完善自己。这次实习不但考验了我的理论知识，更是考验了我的动手能力、实践能力、自学能力以及团队精神。7参考文献[1]谢自美、阎树兰、赵云娣等.电子线路设计·实验·测试（第二版）[M].湖北：华中理工大学出版社.2000年.293-300[2]杨邦文.新型实用电路制作200例[M].北京：人民邮电出版社.1998年.175-288[3]宋春荣、刘芳芳、杨礼成等.通用集成电路速查手册[M].山东：山东科学技术出版社.1995年.30-107[4]赵俊超.集成电路设计VHDL教程（第一版）[M].北京：北京希望电子出版社.2002年[5]潘松、黄继业等.EDA技术实用教程（第一版）[M].科学出版社2002年10月[6]ARM嵌入式系统基础教程[第2版]主编周立功北京航空航天大学出版社.2008附录1步进电机主程序#include"stm32f10x.h"#include"key_led.h"#include"delay.h"/*类型声明*//*宏定义*//*变量*/voidLED_INVERTED_ORDER(void);voidLED_IS_TURN(void);/*函数声明*//*函数功能*//********************************************************************************@函数名称 main*@函数说明主函数*@输入参数无*@输出参数无*@返回参数无*****************************************************************************/u16sj=0;u8zheng=2;u16qiting=100;intmain(void){ LED_GPIO_Config(); KEY_GPIO_Config(); A_OFF; B_OFF; C_OFF; D_OFF; qiting=2; zheng=2; sj=100; while(1) { if(KEY1_VALUE==0) { qiting=1; } while(qiting==1) { if(KEY2_VALUE==0) {qiting=0;} if(KEY3_VALUE==0) {zheng=1; } if(zheng==1) { sj=1000; LED_IS_TURN(); } if(KEY4_VALUE==0) {zheng=0; } if(zheng==0) { sj=1000; LED_INVERTED_ORDER(); }}}}/*********************************************************************************//**函数名：LED_IS_TURN*描述：LED1-LED2-LED3-LED1正转*输入：无*输出：无*/voidLED_IS_TURN(void){ while(zheng==1) { if(KEY2_VALUE==0) {zheng=3;} if(KEY4_VALUE==0) {zheng=0;} if(KEY5_VALUE==0) { sj=sj-100; } if(KEY6_VALUE==0) sj=sj+10; A_ON; Delay_nms(sj); A_OFF; Delay_nms(sj); B_ON; Delay_nms(sj); B_OFF; Delay_nms(sj); C_ON; Delay_nms(sj); C_OFF; Delay_nms(sj); D_ON; Delay_nms(sj); D_