1、步進電機步進電機和普通電動機不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制步進電機可以直接接受數字信號,不需要進行數字與模擬量的轉換,具有高精度快速啟停能力在非超載的情況下,步進電機的轉速停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數,而不受負載變化的影響,即給電機加一個脈沖信號, 電機則轉過一個步距角這一線性關系的存在,加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點使得在速度位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單一步進電機的結構和工作原理步進電機是一種專門用于位置和速度精確控制的特種電機步進電機的最大特點是其“數字性”,對于微電腦發過來的每一個脈沖信號,步進電機在其驅動器的推動下運轉一個固定

2、角度(簡稱一步),如下圖所示如接收到一串脈沖步進電機將連續運轉一段相應距離同時可通過控制脈沖頻率,直接對電機轉速進行控制步進電機在構造上有三種主要類型:反應式(Variable Reluctance,VR)永磁式(Permanent Magnet,PM)和混合式(Hybrid Stepping,HS) 反應式定子上有繞組轉子由軟磁材料組成結構簡單成本低步距角小,可達1.2°但動態性能差效率低發熱大,可靠性難保證 永磁式永磁式步進電機的轉子用永磁材料制成,轉子的極數與定子的極數相同其特點是動態性能好輸出力矩大,但這種電機精度差,步矩角大(一般為7.5°或15°) 混

3、合式混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優點,其定子上有多相繞組轉子上采用永磁材料,轉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性能好,步矩角小,但結構復雜成本相對較高混合型,因具有高精度高轉矩微小步進角和數個優異的特征,所以剛開始在OA關系,其它的分類上也大幅的被使用,特別是在生產量上大半是使用在盤片記憶關系的磁頭轉送上按定子上繞組來分,共有二相三相和五相等系列單定子徑向分相反應式步進電機結構原理圖最受歡迎的是兩相混合式步進電機,約占 97% 以上的市場份額,其原因是性價比高,配上細分驅動器后效果良好該種電機的基本步矩角為1.8°/步,配上半步驅動器后,步矩角減少為

4、0.9°,配上細分驅動器后其步矩角可細分達256倍(0.007°)由于摩擦力和制造精度等原因,實際控制精度略低同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果五相混合式步進電機應用也比較廣泛,其步進角一般為 0.72 度1. 基本結構2. 工作原理簡單的講,步進電機驅動器根據外來的脈沖,通過其內部的邏輯電路控制步進電機的繞組按一定的次序正反通電,從而實現其運轉以兩相1.8度步進電機為例,其主要分為4線(雙極性),6線(單極性)兩種方式:4線(雙極性)電機,當其繞組的通電方向順序按照AC->BD->CA->DB 四個狀態周而復始進行變化,每變化一次,電機運轉

5、一步,即1.8度6線(單極性)電機,當其繞組的通電方向順序按照OA->OB->OC->OD 四個狀態周而復始進行變化,每變化一次,電機運轉一步,即1.8度二步進電機的術語1.相數:產生不同對極NS 磁場的激磁線圈對數,是指電機內部的線圈組數,目前常用的有二相三相四相五相步進電機電機相數不同,其步距角也不同,一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°三相的為0.75°/1.5°五相的為0.36°/0.72°用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角的要求目前應用最廣泛的是兩相和四相,四相電機一般用作兩相,五相的成本

6、較高2.拍數:完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用n 表示,或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數,以四相電機為例,有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.3.步:當某組繞組通電時,每來一個脈沖電壓,如果這時定子的小齒與轉子沒有對齊,則在磁場的作用下轉子將轉動一個步距角(稱為一步),使轉子齒與定子齒對齊,從而使步進電機向前“走”一步三步進電機工作過程1.脈沖信號的產生:脈沖信號一般由CPU或單片機產生的,一般脈沖信號的比例為左右,電機轉速越高,比例則越大微處理器以四相步進電機為例,四相電機工作方式有二種,四相四步為AB

7、-BC-CD-DA;四相八步為AB-B-BC-C-CD-D-AB2.步進電機運轉原理如圖為四相(實際為2相)式步進電機的基本構造圖中間轉子由永久磁鐵所構成,左邊為N極,另一邊為S極定子有四組線圈,分別為L1L2L3及L4,各線圈的C端共接電源正極,另一端經由開關接在電源的負極,在看圖8當把開關S1按下,則線圈A通入電流,產生N極磁場,因為磁場同性相斥異性相吸,使轉子的S極被A極吸引過來其次,放掉開關S1,并且立刻按下開關S2,則A極的磁場消失,B極產生磁場,把轉子的S極吸引過來,轉子隨著順時針方向90度像這樣依次讓定子的四個極通入電流,就可以使轉子不停的旋轉  圖8單極激磁

8、等效驅動電路  3.步進馬達的激磁方式步進馬達依定子線圈的相數不同可分成二相四相及五相式,小型步進馬達以二相式較為普遍單極性型(unipolar) :定子磁極極性為同一方向,如可變磁阻式步進馬達,磁極線圈只有一組,所加的激磁電流為固定方向,因此單極性步進馬達所需的電源較簡單單極性驅動電路使用四只晶體管來驅動步進電機的兩組相位,電機結構則如圖9所示包含兩組帶有中間抽頭的線圈,整個電機共有六條線與外界連接-圖9這類電機有時又稱為四相電機,但這種稱呼容易令人區分不了又不正確,因為它其實只有兩個相位,精確的說法應是雙相位六線式步進電機六線式步進電機雖又稱為單極性步進電機,

9、實際上卻能同時使用單極性或雙極性驅動電路單極性二相步進電機驅動電路雙極性型(bipolar) :定子磁極極性為兩個方向,如永久磁鐵式步進馬達,其轉子的極性和定子磁極極性有交互變化的需要單一激磁線圈時其激磁方向為正負交替變化,兩組磁極線圈時,一組正向激磁,另一組負向激磁,兩組交替變化,使定子磁極極性變化以雙極方式運用,其電源較為復雜雙極性步進電機的驅動電路則如圖2所示,它會使用八只晶體管來驅動兩組相位雙極性驅動電路可以同時驅動四線式或六線式步進電機,雖然四線式電機只能使用雙極性驅動電路,它卻能大幅降低量產型應用的成本雙極性步進電機驅動電路的晶體管數目是單極性驅動電路的兩倍,其中四顆下端

10、晶體管通常是由微控制器直接驅動,上端晶體管則需要成本較高的上端驅動電路雙極性驅動電路的晶體管只需承受電機電壓,所以它不像單極性驅動電路一樣需要箝位電路              雙極性步進電機驅動電路 二相5線/6線步進電機內部接線圖五步進電機的結構及控制從結構上看,步進電機分為三相四相五相等類型以三相為例三相反應式步進電動機工作原理圖三相步進電機定子上有6個磁極,線圈繞過相互正對的兩個磁極構成一相,共有AABB和CC三相轉子是4個均勻分布的齒

11、(1) 換相順序的控制步進電機通電換相這一過程稱為脈沖分配以三相步進電機為例,電流脈沖的施加共有三種方式:單相三拍方式-按單相繞組施加電流脈沖每次通電時僅有一相繞組通電,且每經過3 次切換控制繞組的通電狀態為一循環雙相三拍方式-按雙相繞組施加電流脈沖每個狀態均為兩個控制繞組同時通電,且每次切換電時,總有一相繞組處于通電狀態,故避免了失步和振蕩現象三相六拍方式-單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖首先A 相通電,而后再接通B 相繞組(這時A 相不斷開) 即AB 兩繞組同時通電;此后斷開A 相繞組,B 相單獨通電,依此規律循環往復. 這種方式需經過6 個切換才能完成一個循環(2) 步進電機的轉向控制

12、如果給定工作方式正序換相通電,步進電機正轉若步進電機的勵磁方式為三相六拍,即A - AB- B - BC - C - CA - A如果按反序通電換相,即A- AC - C - CB - B - BA - A ,則電機就反轉其他方式情況類似(3) 步進電機的速度控制如果給步進電機發一個控制脈沖,它就轉一步,再發一個脈沖,它會再轉一步2 個脈沖的間隔越短,步進電機就轉得越快調整送給步進電機的脈沖頻率,就可以對步進電機進行調速,即控制脈沖的頻率來控制電機的轉速和加速度四單片機控制步進電機的任務系統軟件程序功能的主要任務是控制步進電機的啟動按順序發出控制命令判斷步進電機是否到達極限位置控制步進電機的轉

13、向和運行速度的變化等一般數字電路的信號能量遠遠不足以驅動步進電機,必須要有一個與之匹配的驅動電路來驅動步進電機由L297L298 組成的步進電機驅動應用電路如圖5所示,該電路適用于二相雙極性步進電機或四相單極性步進電機, 最高電壓46 V, 每相電流可達2 A用2片L298和1片L297配合使用,可驅動更大功率的二相步進電機五單片機控制步進電機的控制字以三相步進電機為例單相三拍方式其狀態表見表l其中“1”代表高電平,表示驅動的磁極繞組通電;“0”代表低電平,表示驅動的磁極繞組不通電表1 三相步進電機環形分配器存儲狀態表狀態字控制字勵磁狀態0001H 0001 A0002H 0010 B0004

14、H 0100 C將01 H 送到P1 口,表示A 相通電,其余相不通電,使步進電機前進一個步距角可見通過改變狀態表中的內容,就可以實現不同的工作方式雙相三拍方式假定以8051的P1口線接步進電機的繞組,輸出控制電流脈沖,其中P1.0接A,P1.1接B,P1.2接C控制字如下表:三相六拍方式 表1列出了步進電機工作在三相六拍時的控制字從中可以看出,步進電機第一個控制字數據為01H,從上到下輸出控制字時,電機正轉,自下而上輸出控制字數據時,電機反轉步進電機運行一拍的時間決定了步進電機的轉速在輸出一個控制字后加入一定的延時時間,即可控制步進電機的轉速 表1 三相六拍步進電機控制字另一種三相六拍步進電

15、機控制字四相四拍步進電機控制字四相步進電機八拍控制字/四相八拍正轉控制字uchar code forward = 0x81, 0x85, 0x84, 0x86, 0x82, 0x8A , 0x88, 0x89, 0x80;/四相八拍反轉控制字uchar code backward = 0x89, 0x88, 0x8A , 0x82, 0x86, 0x84, 0x85, 0x81, 0x80;*Q:步進電機驅動程序中的正反轉控制字怎么得到的?比如: 三相步進電機的三相六拍工作方式,正轉的繞組通電順序:AABBBCCCAA,反轉的通電順序:AACCCBBBAA 我用PA0,PA1,PA2分別作為A

16、BC的輸入, 那么這些控制字怎么得到出來的? const char zhzhuan7 =0x06,0x04,0x05,0x01,0x03,0x02,0x00; const char fanzhuan7=0x06,0x02,0x03,0x01,0x05,0x04,0x00;A:zhzhuan: A AB B BC C CA 停 110 100 101 001 011 010 000 fanzhuan: A AC C CB B BA 停 110 010 011 001 101 100 000步進電機控制工作原理 沈陽航空航天大學課 程 設 計(論文)題目:基于單片機和proteus的步進

17、電機控制 班 級 * 學 號 * 學 生 姓 名 X X X 指 導 教 師 X X X 目錄0. 前言11. 電路基本理論12. 方案設計23. 硬件電路的工作原理23.1步進電機模塊33.2 控制模塊33.3 LCD顯示模塊34.軟件編程44.1 程序流程圖44.2 MCS-51單片機引腳功能54.3 源程序65.系統調試和結果分析95.1 電機正轉運行95.2 電機反轉運行105.3 電機停止轉動106. 結論及進一步設想11參考文獻12附錄1 元件清單13課設體會14基于單片機和proteus的步進電機控制*沈陽航空航天大學自動化學院0. 前言步進電機是一種將電脈沖轉變為角位移的執行機

18、構,通俗一點講:當步進驅動器接收到一個脈沖信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度可通過控制脈沖數來控制角位移量,從而達到準確的定位目的,也可通過控制脈沖的頻率來控制電機的轉速和加速度;從而達到調速的目的本文通過對步進電機的軟件設計和硬件設計包括步進電機的結構原理及應用,根據原理和硬件的設計利用c語言編寫程序,經過反復運行和調試,實現單片機對步進電機的控制1. 電路基本理論步進電機是機電控制中一種常用的執行機構,它的用途是將電脈沖轉化為角位移,它的的驅動電路根據控制信號工作,控制信號由單片機產生當步進驅動器接收到一個脈沖信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度,控制換相

19、順序,即通電控制脈沖必須嚴格按照一定順序分別控制各相的通斷通過控制脈沖個數即可以控制角位移量,從而達到準確定位的目的控制步進電機的轉向,即給定工作方式正序換相通電,步進電機正轉,若按反序通電換相,則電機就反轉控制步進電機的速度,即給步進電機發一個控制脈沖,它就轉一步,再發一個脈沖,它會再轉一步,兩個脈沖的間隔越短,步進電機就轉得越快同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調速的目的2. 方案設計基于單片機和proteus的步進電機控制電路的基本組成如圖1所示步進電機控制臺單片機LED顯示器圖1 基于單片機和proteus的步進電機控制電路的原理框圖根據設計要求,采用的方案如下

20、硬件部分實現電機轉動和速度顯示功能,包括控制開關模塊;電機轉動模塊和速度顯示模塊軟件部分實現對步進電機的控制功能,主要設計思想通過控制臺控制程序的開關來控制電機的轉動,由電機反饋回來的數據經單片機控制顯示器顯示數據.3. 硬件電路的工作原理3.1步進電機模塊(如圖2所示) 圖2 步進電機功能:單片機輸出的程序通過轉換器和電機驅動器給步進電機一個脈沖信號,使步進電機實現正轉與反轉3.2 控制模塊(如圖3所示)圖3 控制模塊功能:通過控制臺實現對單片機程序的開與關3.3 LED顯示模塊(如圖4所示)圖4 LED顯示器功能:通過單片機輸出的電機反饋信號使LED顯示器顯示出步進電機的轉動狀態4. 軟件

21、編程4.1 程序流程圖:(如圖5所示)開始按鍵判斷按鍵If(P3_5=0)If(P3_6=0)If(P3_7=0)If(P3_0=0)If(P3_1=0)正轉加速反轉停止減速顯示轉動方式圖5:程序流程圖4.2 MCS-51單片機引腳功能:(如圖6所示)圖6:單片機引腳圖1 電源線: VCC:+5 V電源VSS:地線2 RST:復位信號線當輸入的復位信號延續兩個機器周期以上的高電平時即為有效,用以完成單片機的復位初始化操作 3 信號引腳介紹 P0.0 P0.7: P0口8位雙向口線 P1.0 P1.7 :P1口8位雙向口線 P2.0 P2.7 :P2口8位雙向口線 P3.0 P3.7 :P3口8

22、位雙向口線4 XTAL1和XTAL2:外接晶振引腳當使用外部振蕩器時,外部振蕩信號應直接加到XTAL1,而XTAL2懸空5 控制引腳: ALE/-PROG-PSEN-EA/Vpp組成了MSC-51的控制總線 (1) -EA/Vpp(31腳):外部程序存儲器地址允許輸入端 第二功能:固化編程電壓輸入端 (2) ALE/-PROG(30腳):地址鎖存允許信號端 第二功能:編程脈沖輸入端 (3) -PSEN(29腳):程序存儲允許輸出信號端4.3 源程序:#include<reg52.h>#define uc unsigned char#define ui unsigned intsbi

23、t KEY=P33;sbit P1_0=P10;sbit P3_0=P30;sbit P3_1=P31;sbit P3_5=P35;sbit P3_6=P36;sbit P3_7=P37;uc Flag;uc code fan=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;uc code zheng=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;ui speed=1000,time;void delay(ui t)while(t-);void xianshi(uc f) /顯示轉向 P1_0=0;P0=f; delay(5);

24、void Speedup()/加速 time=speed; time=time-100; if(time<100) time=100;void Speeddown()/減速 time=speed; time=time+100; if(time>2000) time=2000;void main()uc i;EX1=1; /外部中斷1開IT1=1; /邊沿觸發EA=1; /全局中斷開P0=0xff;while(1)while(Flag=0) for(i=0;i<7;i+)xianshi(0x5b);/顯示 Z 標示正轉 P2=zhengi; delay(speed); while(Flag=1) for(i=0;i<7;i+) xianshi(0x71);/顯示 F 標示反轉 P2=fani; delay(speed); while(Flag=2) /停止 P2=0;xianshi(0x6D);/ 顯示 Svoid ISR_Key() interrupt 2 de