第19章_步进电机控制

第十九讲 步进电机控制119.0 项目演示效果图 XP_19_01 步骤 1-步进电机控制的开机状态 2图 XP_19_02 步骤 2-启动步进电机顺时针旋转 3图 XP_19_03 步骤 3-步进电机逆时针 1/8细分方式运行 419.1 项目目标设计1.学习步进电机的基本工作原理；2.掌握步进电机的控制方法；3.学习 TA8435H步进电机驱动芯片的基本工作原理；4.掌握 TA8435H步进电机驱动芯片 在 本开发板中的应用方法和原理；5.学习通过 82C55并行扩展芯片进行控制信号输出的编程技巧；6.掌握步进电机的控制 电路的硬件连接方法 ；7.在达到以上六点目标的基础上，根据本章 “ 项目扩展任务 ”中提出的问题，以组或个人为单位，在规定时间里完成扩展项目任务。519.2 项目任务 步进电机控制项目的电路原理图如图 19-1所示，步进电机的控制信号由 STC89C52RC单片机给出，但不是直接使用自己的端口进行控制，而是通过控制并行端口扩展芯片 82C55的 PB0 PB5引脚的电平输出，间接控制 TA8435H步进电机驱动芯片的运行。图 19-1中的 J15为后备的输入电源（另一路为 USB供电和程序下载接口，这两路不能同时引入外接直流电源）接入端子，有5V和 12V两级可以选择引入的直流电源。三端连接插线设置端子 J16实现将 TA8435H负载输入电压 Vsel与上面引入的两路电源电压中的哪一路相连，方法是在 J16的不同插针间接插短接片。 P1为 4针端子，引出 TA8435H对两相双极性步进电机的控制信号。6图 19-1 步进电机控制项目的电路原理图7本项目应完成以下程序设计：打开开发板开关后，七段数码管相应位置显示 OFF、 F和 1，分别表示步进电机关机、准备顺时针旋转和将要运行在整步方式。按压 S1键，按照设定运行步进电机，数码管相应位置显示 OE；按压 S4键，关闭步进电机，数码管相应位置显示 OFF；按压 S5键，步进电机顺时针旋转，数码管相应位置显示 F；按压 S8键，步进电机逆时针旋转，数码管相应位置显示 b；按压 S9键，步进电机整步方式运行，数码管相应位置显示 1；按压 S10键，步进电机半步方式运行，数码管相应位置显示 2；按压 S11键，步进电机 1/4细分方式运行，数码管相应位置显示 4；按压 S12键，步进电机 1/8细分方式运行，数码管相应位置显示 8；按压其它键，不会引发步进电机动作。819.3 系统板上硬件连线 本项目要求 PMY单片机开发板上的短接片接 CON1的 0 7引脚、 CON2的 0 5引脚， J5和 J7的 2和 3引脚分别短接。若板上引入12V电源，则应将 J16的 12V和 Vsel短接；否则，短接 5V和Vsel，其余连接插线不接，见图 19-2步进电机控制的连接插线设置示意图。图 19-2 步进电机控制项目系统板硬件连线图919.4 程序流程图图 19-3 步进电机控制项目的程序流程图1019.5 C语言源程序（略）19.6 系统构成和程序分析19.6.1 步进电机的结构和工作原理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。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 【 42】 。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就会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 ” )，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以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。11图 19-4 常见的两相混合式步进电机实物图12步进电机是一种控制用的特种电机，可利用其没有积累误差 (精度为 100%)的特点，应用于各种开环控制。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，图 19-4给出了一些最常见的两相混合式步进电机实物图。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5度或 15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为 1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 13混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步距角一般为 1.8度，而五相步距角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本开发板控制驱动方案所选用的步进电机类型。以三相电机为例，将步进电机内部的定转子平行展开 【 43】 ，如图 19-5所示，可以看到电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 T表示，即 A与齿 1相对齐， B与齿 2向右错开 1/3T， C与齿 3向右错开 2/3T， A 与齿 5相对齐， (A就是 A，齿 5就是齿 1)。14图 19-5 步进电机内部的定转子工作原理 图15接着来看步进电机是如何旋转起来的。（ 1）、如 A相通电， B、 C相不通电时，由于磁场作用，齿 1与 A对齐（最大磁导率、最小磁阻），转子不受任何力。（ 2）、如 B相通电， A、 C相不通电时，齿 2应与 B对齐，此时转子向右移过 1/3T，齿 3与 C偏移为 1/3T，齿 4与 A偏移 (T-1/3T)=2/3T。（ 3）、如 C相通电， A、 B相不通电，齿 3应与 C对齐，转子又向右移过 1/3T，此时齿 4与 A偏移为 1/3T对齐。（ 4）、如 A相通电， B、 C相不通电，齿 4与 A对齐，转子又向右移过 1/3T。这样经过 A、 B、 C、 A分别通电状态，齿 4(即齿 1前一齿 )移到 A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A、 B、 C、 A 的顺序通电，每来一个脉冲电机就移位 1/3T，方向向右旋转；如果按 A、 C、 B、 A 的顺序通电，电机就反转。16由此可见，步进电机的位置和速度与导电次数 (脉冲数 )和频率成一一对应关系，而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面的考虑，电机定子往往采用 A AB B BC C CA A的导电顺序，将原来每步移位 1/3T改变为 1/6T，甚至可以通过二相电流不同的组合，使移位由 1/3T变为 1/12T、 1/24T。不难看出，电机定子上有 m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏 1/m、 2/m(m - 1)/m，并且导电按一定的相序，就能控制电机正反转，这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件理论上可以制造任何相数的步进电机。出于成本等多方面考虑，市场上的步机电机一般以二、三、四、五相为多。根据以上对步机电机工作原理的分析，可以引出以下一些步进电机的基本参数：17 电机固有步距角：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 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。 步进电机的相数。是指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。 18 保持转矩 (HOLDING TORQUE)： 是指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。例如，标记为 2N.m的步进电机，是指该步进电机的保持转矩为 2N.m。 以下是步进电机的一些主要特点：（ 1）、一般步进电机的精度为步距角的 3-5%，且不累积。 （ 2）、步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在 130 以上，有的甚至高达 200 以上，所以步进电机外表温度在 80 90 完全正常。 19（ 3）、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率 (或速度 )的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 （ 4）、步进电机低速时可以正常运转 ,但若高于一定速度就无法启动 ,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数为空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频 (电机转速从低速升到高速 )。 读者若要对步进电机的结构和工作原理做进一步了解，请参阅参考文献 【 44】 和 【 45】 中的相关章节。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途，伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域内得到应用 。2019.6.2 TA8435H步进电机驱动芯片TA8435H是东芝（ TOSHIBA）公司生产的双极性单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片，采用 HZIP25封装形式，如图 19-6所示给出了 TA8435H的实物图。 TA8435H可以驱动二相步进电机，且电路简单、工作可靠。该芯片还具有以下特点 【 46】 :图 19-6 TA8435H步进电机驱动芯片 实物图21（ 1）、工作电压范围宽，达到 10 40V。（ 2）、输出电流可达 1.5A(平均 )和 2.5A(峰值 )。（ 3）、具有整步、半步、 1/4 细分和 1/8细分运行方式可供选择。（ 4）、采用脉宽调制式斩波驱动方式。（ 5）、具有正 /反转控制功能。（ 6）、带有复位和使能引脚。（ 7）、可选择使用单时钟输入或双时钟输入。图 19-7是 TA8435H步进电机驱动芯片内部功能及引脚图，各引脚功能被列在表 19-1中。从图 19-7中可以看出， TA8435H主要由 1个解码器、 2个桥式驱动电路、 2个输出电流控制电路、 1个最大电流限制电路、 1个斩波器和 2个电压比较器等功能模块组成。22图 19-7 TA8435H步进电机驱动芯片内部功能及引脚图23引脚 标识 名称 功能1 S-GND 信号地2 nRESET 复位端 低电平有效 ,当该端有效时 , 电路复位到起始状态 , 此时在任何激励方式下 , 输出各相都置于它们的原点3 nENABLE 使能端 低电平有效 ; 当该端为高电平时电路处于维持状态 , 此时各相输出被强制关闭4 OSC 斩波频率 输入该脚外接电容的典型值可决定芯片内部驱动级的斩波频 (15kHz 80kHz), 计算公式为 :fosc = 1/ ( 5. 15 COSC), 式中 , COSC 的单位为 F , fOSC的单位为 kHz。5 CW/ CCW 正、反转控制引脚6 CLK2 时钟 2 时钟输入端7 CLK1 时钟 1 时钟输入端 , 可选择单时钟输入或双时钟输入 ,最大时钟输入频率为 5kHz 8 M1 激励方式 选择激励方式9 M2 激励方式 00 表示步进电机工作在整步方式 , 10 为半步方式 , 01 为 1/ 4 细分方式 ,11 为 1/ 8 细分方式 ;10 REFIN Vnf输入控 制 接高电平时 Vnf为 0. 8V,接低电平时 Vnf为 0. 5V11 nMO 输出监视 用于监视输出电流峰值位置 ;2412 NC 未分配 使用时悬空13 VCC 供电 逻辑电路供电引脚 ,一般为 5V14 NC 未分配 使用时悬空15 Vmb B 相负载电源端16 nB B相反相输出引脚17 P-GND-B B相负载地18 Nfb B 相电流检 测端 由该引脚外接电阻和 REF - IN 引脚控制的输出电流为 : Infb=Vnfb/Rnfb 19 B B相输出引脚 ;20 nA A相反相输出引脚21 Nfa A相电流检 测端 由该引脚外接电阻和 REF-IN 引脚控制的输出电流为 : Infa=Vnfa/Rnfa 22 P-GND-A A相负载地23 A A相输出引脚24 Vma A相负载电源端25 NC 未分配 使用时悬空表 19-1 TA8435H步进电机驱动芯片各 引脚 功能2519.6.3 TA8435H对两相步进电机的细分控制图 19-8 TA8435H对两相步进电机的细分控制系统 功能图 26步进电机有两种工作方式，即整步方式和半步方式。以步距角1.8 的两相混合式步进电机为例，若采用双极性驱动方式 【 44】 ，则可以将步进电机的两相视作四相进行控制。双极性驱动方式是指对绕组进行正向和反向通电， 两相混合式步进电机必须采用双极性驱动方式。图 19-8是 TA8435H对两相步进电机