《AT89S52单片机基础项目教程》401- 步进电机开环控制

课题序号401教学班级教学课时1教学形式多媒体教学课题名称自动分拣投料机--步进电机开环控制使用教具课件，多媒体教学教学目的掌握步进电机开环控制方法教学重点步进电机驱动器教学难点步进电机驱动电路及仿真更新、补充、删节内容无课前准备制作课件，整理任务指导书课外作业思考设计一个单片机控制步进电机转换（分6挡）的程序板书设计一、步进电机开环控制（一）步进电机及其分类（二）步进电机驱动器（三）步进电机驱动电路（四）在Proteus中仿真教学感想

课堂教学安排教学环节主要教学内容教学手段与方式课程导入（以介绍实物的方式引入本课的主要内容）讲授新课（讲解本课的主要内容）课程小结课后作业步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中，并随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。本课将学习步进电机的组成、分类及控制方法。（实物展示）（一）步进电机及其分类1、步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。可以理解为：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机2、步进电机分类步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。（1）永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。（2）反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰。（3）混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。3、步进电机的一些基本参数（1）电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。（2）步进电机的相数电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。（3）保持转矩（HOLDINGTORQUE）步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。（4）DETENTTORQUE：步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。（二）步进电机驱动器工业上，控制步进电机一般使用专门的步进电机驱动器来进行。1、步进电机驱动器优点（1）操控简单使用驱动器来控制步进电机只需要送入CP脉冲就可以使电机运动，送入几个脉冲，电机就转动几个角度。脉冲信号CP一般由单片机产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右。（2）功率放大单片机送出的信号功率过于弱小，不能直接驱动步进电机。通过步进电机及驱动器，增大输出功率方可驱动步进电机。（3）步进细分在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。2、细分数及相电流设定步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8°的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。本次任务采用的驱动器SJ-230M2，是用驱动器上的拔盘开关来设定细分数及相电流的，根据面板的标注设定即可；请在控制器频率允许的情况下，尽量选用高细分数；具体设置方法请参考下表：拨盘设置相电流设定3、控制信号本驱动器的输入信号共有三路，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE。它们在驱动器内部的连接图，这里省略。（1）步进脉冲信号CP步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说：驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角(细分时为一个细分步距角)，CP脉冲的频率改变则同时使步进电机的转速改变，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位。这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的。本驱动器的CP信号为低电平有效，要求CP信号的驱动电流为8-15mA，对CP的脉冲宽度也有一定的要求，一般不小于5μS（参见下图）。步进电机信号CP脉冲图中脉冲信号幅值:“H”为4.0—5.5V,“L”为0—0.5V。脉冲信号工作状态即占空比：50%或50%以下（2）方向电平信号DIR方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平时，电机一个转向；此端为低电平时，电机为另一个转向。电机换向必须在电机停止后再进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出（参见下图）。方向电平信号DIR脉冲（3）脱机电平信号FREE当驱动器上电后，步进电机处于锁定状态（未施加CP脉冲时）或运行状态（施加CP脉冲时），如果用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，可以用到此信号。当此信号起作用时（低电平有效），电机处于自由无力矩状态；当此信号为高电平或悬空不接时，取消脱机状态。此信号用户可选用，如果不需要此功能，此端不接即可。（三）步进电机驱动电路步进电机外部驱动电路（四）在Proteus中仿真步进电机Proteus仿真结果本节课熟悉并掌握步进电机的工作原理及驱动器的使用，对后面项目的实施非常重要，通过编程并调试开环状态下步进电机的驱动，实现步进电机的正、反转动。了解了在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，要准确定位或控制电机转动的速度和加速度可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机驱动原理是通过对它每线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。思考设计一个单片机控制步进电机转换（分6挡）的程序。实物导入（由实物介绍引导学生思考，引出课程内容）讲授法（结合课件及实物，讲解步进电机的定义、特点及功能。学生听课、做笔记及思考）讲授法（重点讲授步进电机的四个基本参数）讲授法（着重讲解步进电机驱动器的