步進電機的概念和分類 基于單片機的步進電機試驗

17.1 步進電機概念

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。

17.2 步進電機分類

步進電機從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進電機（Variable Reluctance，VR）、永磁式步進電機Permanent Magnet,PM）、混合式步進電機（Hybrid Stepping,HS）。
1.反應(yīng)式：
定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小，可達1.2°、但動態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。
2.永磁式
永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點是動態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°），價格較便宜。
3.混合式
混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高。

4相步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上圖所示，A，B，C，D四相稱為定子，內(nèi)部1，2，3，4，5，6為永磁鐵，稱為轉(zhuǎn)子。以轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)為例介紹電機的工作原理。

假設(shè)初始狀態(tài)如上圖所示，B閉合，B相繞阻導(dǎo)通，產(chǎn)生磁性將對定子齒輪產(chǎn)生強有力的吸引，使得B對6吸引，B’對3進行吸引，形成如上圖所示的初始狀態(tài)。而此時轉(zhuǎn)子齒輪1將與定子齒輪A形成一個15°的夾角，2與D’之間形成一個30°的夾角。緊接著我們斷開B，閉合A相，A對1產(chǎn)生最大的吸引力，A’對4產(chǎn)生最大的吸引力。最終，A與1對齊，A’與4對齊。相當(dāng)于轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動了15°。此時，2與D’之間的夾角由30°變成了15°。緊接著斷開A，閉合D，2與D’對齊，5與D對齊，轉(zhuǎn)子將逆時針再旋轉(zhuǎn)15°。接著斷開D，閉合C，轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)15°。因此可以總結(jié)為：經(jīng)過B-A-D-C轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了45°。這個過程稱為四節(jié)拍。旋轉(zhuǎn)一圈360°需要360°/45°=8個四節(jié)拍。因此，可以計算出一個節(jié)拍旋轉(zhuǎn)的角度為：360°/(8*4)=11.25°。上述工作模式稱為單四拍模式。

下面在上述的基礎(chǔ)之上進行一下改進，假設(shè)在兩個節(jié)拍之間插入一個新的節(jié)拍，例如在B斷開，A閉合之間插入一個AB同時閉合的節(jié)拍，即B-BA-A。此時B對6與A對1具有相同的吸引力，最終將導(dǎo)致6和1之間的中心線將與B和A之間的中心線對齊，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了5.625°。在每個節(jié)拍之間插入了一個節(jié)拍，即旋轉(zhuǎn)45°由原來的4拍變成了8拍，B-AB-A-AD-D-DC-C-CB。因此，旋轉(zhuǎn)一周360°需要360°/45°*8=64個節(jié)拍，每個節(jié)拍旋轉(zhuǎn)5.625°。上述模式稱為八拍模式，與四拍模式相比，由于增加了拍數(shù)使得電機扭矩更大，驅(qū)動力更強了，旋轉(zhuǎn)精度提高了一倍。時序如下表所示：

驅(qū)動電機需要一定的驅(qū)動電流，一般有兩種比較簡單的驅(qū)動電路。一種為使用三極管驅(qū)動，一種為采用專用的驅(qū)動芯片，我們這里采用的是第二種方法。如上圖所示，采用ULN2003A來驅(qū)動動直流電機，LED7-LED4為輸入端，連接到單片機的I/O口P1.7-P1.4，OUT_A-OUT_D為輸出端連接到電機。輸入端為高電平時，輸出端為高電平，反之亦然。按照上表的時間順序來驅(qū)動電機。那么這里有一個問題大家可能會問，每個節(jié)拍的持續(xù)時間是多少呢？理論上將節(jié)拍持續(xù)時間越小電機的轉(zhuǎn)動速度越快。

該電機的參數(shù)表中有一個叫起動頻率的參數(shù)，≥550 P.P.S，表示，在每秒550個脈沖的情況下，電機可以正常啟動。相當(dāng)于每個脈沖，即每個節(jié)拍的持續(xù)時間大于等于1/550 = 1.8ms的情況下，電機可以正常轉(zhuǎn)動。按照上述學(xué)到的相關(guān)內(nèi)容我們接下來就可以使直流電機轉(zhuǎn)起來了。

17.3 步進電機試驗

這里我們利用定時器來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)動的功能，設(shè)置一個2ms的定時，每2ms執(zhí)行一個節(jié)拍。根據(jù)上面的介紹64個節(jié)拍轉(zhuǎn)動一周，一次，轉(zhuǎn)動一周需要2ms*64=128ms，那么可以得到1s可以轉(zhuǎn)7.8周。編寫代碼如下：

#include< reg52.h >

#define uchar unsigned char
#define  uint unsigned int

uchar code MotorCode[8]={0xBF,0x3F,0x7F,0x6F,0xEF,0xCF,0xDF,0x9F};//電機節(jié)拍

#define FOSC 11059200 //單片機晶振頻率
#define T_2ms (65536 - FOSC/12*2/1000)  //定時器初始值計算

sbit DU = P2^7;//數(shù)碼管段選、位選引腳定義
sbit WE = P2^6;	

void main()
{
	P0 = 0;//關(guān)閉所有數(shù)碼管
	WE = 1;
	WE = 0;

	TMOD = 0x01;	 //定時器工作模式配置
	TL0  = T_2ms;	//裝載初始值
	TH0  = T_2ms >?>8;
	TR0  = 1;		 //啟動定時器
	ET0  = 1;		 //允許定時器中斷
	EA   = 1;		 //開總中斷	
	
	while(1);
}

 //定時器0中斷子程序,定時2ms
void timer0() interrupt 1
{
	static uchar index=0;

	TL0 = T_2ms;//重裝初始值
	TH0 = T_2ms >?>8;	

	P1 = MotorCode[index];
	index++;		
	if(index >=8) index=0;
}

將程序下載到單片機中，連接好電機。電機轉(zhuǎn)起來了，但是好像有點不對勁，得8s左右才能轉(zhuǎn)一圈，和我們預(yù)想的不一致。我們回過頭來看電機參數(shù)表中有一個減速比1：64，速度減為原來的1/64。把這個考慮進去就和我們的現(xiàn)象吻合了。

下面我們寫一個程序，讓電機轉(zhuǎn)動指定的角度，前面我們講過轉(zhuǎn)動一圈需要64個節(jié)拍，而減速比為1：64，因此，電機實際轉(zhuǎn)動一圈需要64*64=4096個節(jié)拍。所以轉(zhuǎn)動angle度所需的節(jié)拍數(shù)beats = (angle *4096)/360。根據(jù)這個公式編寫程序如下：

#include< reg52.h >

#define uchar unsigned char
#define  uint unsigned int

uchar code MotorCode[8]={0xBF,0x3F,0x7F,0x6F,0xEF,0xCF,0xDF,0x9F};//電機節(jié)拍

#define FOSC 11059200 //單片機晶振頻率
#define T_2ms (65536 - FOSC/12*2/1000)  //定時器初始值計算

sbit DU = P2^7;//數(shù)碼管段選、位選引腳定義
sbit WE = P2^6;	

unsigned long angle = 180;
unsigned beats = 0;

void main()
{
	P0 = 0;//關(guān)閉所有數(shù)碼管
	WE = 1;
	WE = 0;
	 
	beats = (angle * 4096) /360; //計算節(jié)拍數(shù)

	TMOD = 0x01;	 //定時器工作模式配置
	TL0  = T_2ms;	//裝載初始值
	TH0  = T_2ms >?>8;
	TR0  = 1;		 //啟動定時器
	ET0  = 1;		 //允許定時器中斷
	EA   = 1;		 //開總中斷	
	
	while(1);
}
 //定時器0中斷子程序,定時2ms
void timer0() interrupt 1
{
	static uchar index=0;

	TL0 = T_2ms;//重裝初始值
	TH0 = T_2ms >?>8;	
	if(beats != 0 )
	{
		P1 = MotorCode[index];
		index++;		
		if(index >=8) index=0;
		beats--;
	}
}

17.4 小結(jié)

本章詳細介紹了步進電機的工作原理及簡單應(yīng)用。