第10单元步进电机的控制

1、第10单元步进电机的控制战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育 掌握步进电机的正反转、停止和加减速的控制掌握步进电机的正反转、停止和加减速的控制技术技术10.1实验目标战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育按照实验按照实验1的步骤搭建好硬件平台，然后按照本实的步骤搭建好硬件平台，然后按照本实验步骤的硬件连接进行接线，使用验步骤的硬件连接进行接线，使用STC-ISP软件下软件下载载“步进电机控制驱动包步进电机控制驱动包outStepMoto.hex”到单片机中，便可观察到如下实验现象，实验效果到单片机中，便可观察到如下实验现象，实验效果图见实验步骤中的操作演示

2、。图见实验步骤中的操作演示。控制步进电机的正反转、停止和加减速。控制步进电机的正反转、停止和加减速。10.2实验内容战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制的步进电机件。在非超载的情步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制的步进电机件。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，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，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，称当步进驱动器接收到一个脉冲

3、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，称为为“步距角步距角”，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，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。，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制的电流

4、，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机序控制的电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作

5、为执行元件，是机电易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。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。，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。10.3实验原理1、步进电机概述、步进电机概述战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育n 常见的步进电机如下图所示。普通步进电机 减速步进电机直线步进电机微型步进电机战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未

6、来创新物联教育2、步进电机的类型n 步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（Variable Reluctance）、永磁式（Permanent Magnet）和混合式（Hybrid Stepping）。n 反应式（VR）：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角比较小，可以达到1.2，但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。n 永磁式（PM）：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（一般为7.5或15）。n 混合式（HB）：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转

7、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。它的特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育3、步进电机的工作原理n 步进电机有三线式、五线式和六线式，但是其控制方式均相同，都要以脉冲信号电流来驱动，假设每转动一圈要200个脉冲信号来励磁，可以计算出每个励磁信号能使步进电机前进1.8，其旋转的角度与脉冲的个数成正比。n 内部结构n 步进电机的内部结构如下图所示。A和/A是连通的，B和/B是连通的，A和/A构成绕组A，B和/B构成绕组B。图10.2步进电机的内部结构战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育

8、未来创新物联教育n 不管是两相四相，四相五不管是两相四相，四相五线，四相六线步进电机，线，四相六线步进电机，内部构造都是如此。至于内部构造都是如此。至于究竟是四线、五线、还是究竟是四线、五线、还是六线，就要看六线，就要看A和和/A之间，之间，B和和/B之间有没有公共端之间有没有公共端COM抽线。如果绕组抽线。如果绕组A和和绕组绕组B各自有一个各自有一个COM端端，则该步进电机六线，如，则该步进电机六线，如果绕组果绕组A和绕组和绕组B的公共端的公共端连在一起，则是五线的，连在一起，则是五线的，如下图所示。如下图所示。图10.3步进电机的等效电路战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联

9、教育n 四线步进电机有四条励磁信号引线A、/A、B、/B，也可分别叫做A、C、B、D，通过控制这四条引线上的励磁脉冲产生的时刻即可控制步进电机的转动，每出现一个脉冲信号，步进电机只走一步，因此只要依照顺序不断地送出脉冲信号，步进电机就能实现连续转动。 战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育n 励磁方式n 步进电机的励磁方式主要分为全步励磁和半步励磁两种，其中全步励磁又有一相励磁和二相励磁之分：半步励磁又称一二相励磁。 n 一相励磁n 在每一瞬间，步进电机只有一个线圈导通。每送出一个励磁信号，步进电机旋转1.8，这是三种励磁方式中最简单的一种。 n 其特点是精确度好、消耗电力小

10、，但输出转矩小，震动较大。 n 其励磁顺序为ABCDA.，如果赋予相反的励磁信号，则步进电机反转。 n 表10.1一相励磁的励磁信号STEPA（即（即A）B（即（即B）C（即（即/A）D（即（即/B）11000201003001040001战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育n 二相励磁n 在每一瞬间，步进电机有两个线圈同时导通。每送一个励磁信号，步进电机旋转1.8。n 其特点是输出转矩大，振动小。 n 其励磁顺序为ABBCCDDAAB.，如果赋予相反的励磁信号，则步进电机反转。n 表10.2二相励磁的励磁信号STEPA（即（即A）B（即（即B）C（即（即/A）D（即（即/

11、B）11100201103001141001战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育n 一二相励磁n 为一相励磁与二相励磁交替导通的方式。每送一个励磁信号，步进电机旋转0.9。n 其特点是分辨率高，运转平滑。 n 其励磁顺序为AABBBCCCDDDAA.，如果赋予相反的励磁信号，则步进电机反转。n 表10.3一二相励磁的励磁信号STEPA（即（即A）B（即（即B）C（即（即/A）D（即（即/B）1100021100301004011050010600117000181001战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育4、步进电机的术语n 静态指标术语n 相数：产生不

12、同对极N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。n 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即ABBCCDDAAB.，四相八拍运行方式即 AABBBCCCDDDAA.。n 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用来表示。=360度/（转子齿数运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（504）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（508）=0.9度（俗称半步）。n 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩。战略性信息产业教育服务提供商

13、联世界 育未来创新物联教育n 动态指标术语动态指标术语n 步距角步距角精度精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示，即误差除以步距角分比表示，即误差除以步距角100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在在5%之内，八拍运行时应在之内，八拍运行时应在15%以内。以内。n 失步失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。n 失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角：转子齿轴线偏移定

14、子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。n 最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。载的情况下，能够直接起动的最大频率。n 最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。带负载的最高转速频率。n 运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的运行矩频特性：电机在某种

15、测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称之为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择曲线称之为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。的根本依据。战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育5、步进电机与PC机的通讯协议n 在本实验中，可以使用串口调试助手发送命令控制步进电机的动作，通讯协议如下所示。n 通讯方式n 双工串口，波特率9600，数据位8位，停止位1位，无校验位，无流控制n 数据包格式n 数据包格式为HEAD + LEN + MODEL + CMD + DATA + CHK位置位置注释注释备注备注HEAD数据头固定为

16、0 xFE。LEN数据包长度一字节，从LEN开始到CHK前一个字节的所有字节数。M ODEL模块号0 x19C MD命令码0 x00正转、0 x01反转、0 x02停止 D ATA数据域可变长度。0 x00正转、0 x01反转的DATA为步数。0 x02停止无此DATA。CHK校验码从LEN开始到CHK前一个字节的所有字节依次按相加取反再加1。战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育n 比如：正转发送的命令为比如：正转发送的命令为FE 04 19 00 FF CHK，本实验的，本实验的“CHK”可取任意值。可取任意值。n 比如：反转发送的命令为比如：反转发送的命令为FE 04

17、19 01 FF CHK。n 比如：停止发送的命令为比如：停止发送的命令为FE 03 19 02 CHK。n 下位机回复下位机回复位置位置注释注释备注备注HEAD数据头固定为0 xFE。LEN数据包长度一字节，从LEN开始到CHK前一个字节的所有字节数。MODEL模块号0 x19CMD命令码0 x00正转、0 x01反转、0 x02停止DATA数据域=00，成功=其他，失败CHK校验码从LEN开始到CHK前一个字节的所有字节依次按相加取反再加1。比如：正转回复的信息为FE 04 19 00 00 CHK。比如：反转回复的信息为FE 04 19 01 00 CHK。比如：停止回复的信息为FE 0

18、4 19 02 00 CHK。战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育6、步进电机的驱动 n步进电机的驱动可以选用专用的驱动模块，比如L298N、MP6507、FT5754等，这类驱动模块接口简单，操作方便，它们既可以驱动步进电机，也可驱动直流电机。此外，还可以利用三极管搭建驱动电路，不过这样非常麻烦，可靠性也会降低。另外，还有一种方法就是用达林顿驱动器ULN2803，该芯片单片最多可以一次驱动八线步进电机，当然四线和六线也可驱动。n本实验选用MP6507步进电机控制器来驱动步进电机。 它的工作电压范围为2.715V，内置两组全桥驱动电路，驱动电流可达700mA，具有过热和低压

19、保护。nMP6507的内部结构如下图所示。图10.4MP6507的内部结构战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育n 本实验采用的驱动电路如下图所示，其中J23接5V电源，J7接单片机IO口，用于为步进电机提供励磁信号，J8接步进电机。图10.5步进电机的驱动电路战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制的步进电机件。在非超载的情步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制的步进电机件。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，况下，电机的转速、停止的位

20、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，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，称为为“步距角步距角”，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，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。，从而达到调速的目的。步进电机是一

21、种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制的电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机序控制的电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因

22、此用好步进电机却非。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。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。，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。10.4实验步骤1、步进电机概述、步进电机概述战略性信息产业

23、教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育功能扩展板的功能扩展板的J7为步进电为步进电机的励磁信号接口，接单机的励磁信号接口，接单片机的片机的P0口；口；J7-1为步进为步进电机的电机的SLEEP脚，接单片脚，接单片机的机的P2.0；J23接接5V电源电源；J8接步进电机，请注意接步进电机，请注意硬件连接图硬件连接图J8的的nA是接步是接步进电机模块的进电机模块的A-，以此类，以此类推推A - A+ ,nB - B-, B - B+。10.3实验原理1、硬件连接、硬件连接图10.6步进电机硬件连接的实物图战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育n 步进电机硬件连接的的示意图如下

24、所示。图10.7步进电机硬件连接的示意图战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育2、实验操作演示n 按照实验1的步骤搭建好硬件平台，然后按照本实验步骤的硬件连接进行接线，使用STC-ISP软件下载“步进电机控制驱动包outStepMoto.hex”到单片机中，还需使用STC-ISP软件中的串口助手来调试程序。n 根据前面介绍的“步进电机与PC机的通讯协议”可以知道，让PC机通过串口发送形如“FE 04 19 00 FF CHK”的命令，可以让步进电机正转256个节拍。与前面的实验7一样，在使用串口助手之前，也需要做好相应的设置。n 让PC机通过串口发送形如“FE 04 19 0

25、0 FF CHK”的命令，可以让步进电机反转256个节拍；发送形如“FE 03 19 02 CHK”的命令，可以让步进电机在正反转的过程中停止转动。图10.8通过串口助手来调试程序战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育n串口命令可以填入发送缓冲区，然后通过点击“发送数据”按钮来发送；也可以将多个命令依次填入多字符串发送区，如果是十六进制的数据，还需要勾选右边的多选框，然后点击前面的“1”、“2”等按键就可以完成发送了，如上图所示。n为了能更直观的了解步进电机的实验效果，此实验提供了上位机的场景模拟实验。参考第1单元使用已安装的NEWLab软件打开配套资料中“03_软件安装包0

26、1_PC端实验包步进电机步进电机实验.nle”进行操作，其场景模拟实验界面如图10.9所示。图10.9 步进电机场景模拟界面战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育n 为了充分的表现步进电机的行进效果，将步进电机调零进行实验，下图10.10为步进电机的0状态。n 图10.10 步进电机0状态战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育n 当上位机的游标上滑到30的位置，步进电机的状态也随之改变到相应的位置，效果可见下图的10.12。图10.11 步进电机场景模拟界面图10.12 步进电机30状态战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育3、程序流程图n

27、 本实验要实现的效果是实现步进电机的启动、停止和调速控制，采用一二相励磁方式，主程序的流程图如下图所示。战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育4、代码分析n 代码结构n 本实验对应的例程如下图所示，其中app文件夹用于存放Main.c等，drv文件夹用于存放步进电机和定时器的驱动程序等，out文件夹用于存放工程编译时生成的中间文件和可执行程序等，project文件夹用于存放工程文件，public文件夹存放公用程序，si文件夹用于存放source insight工程文件。图10.14资源管理器中的例程代码战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育n 本实验对应的例

28、程在Keil中打开如下图所示，app组用于存放Main.c等，drv组用于存放步进电机和定时器的驱动程序等。n 图10.15在Keil中打开的例程代码n 本实验是步进电机控制有关的实验，我们只关注Main.c、步进电机的驱动程序StepMoto.c和定时器的驱动程序Timer.c这三个.c文件，其它程序文件可以不去了解其细节。战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育 代码分析主程序Main.c的代码/=/ 程序功能：可接收上位机命令, 让步进电机正反转设定的步数或停止/ 硬件平台: STC15W1K24S/ 软件平台: Keil uVision 4/=#include Glob

29、al.h#include Timer.h战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育#include UART.h#include StepMoto.h#include public.h/=/ 函数功能: 外部变量及常量的声明/=extern int8u G_ucMotoPn;extern int8u G_ucMotoTicks;战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育/=/ 函数功能: 本地变量及常量的定义/=#define MODEL_S 0 x19#define LEN 1#define MODEL 2#define CMD 3#define PLY 4/=战

30、略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育/ 函数功能: 主函数/=main() int8u len; int8u xdata ucRecBuf6, ucSendBuf6; int8u tick=10; Timer_Init(); /定时器初始化 UART_Init(); /串口初始化战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育 Moto_Init(); /步进电机初始化 printf(步进电机 v1.0! rn); Moto_SetTick(tick); /设置步进电机的速度 while(1) len = uartread(ucRecBuf, 6); /1.保存接收到

31、的串口数据战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育 if( len ) if( ucRecBufMODEL!=MODEL_S ) /模块号 continue; switch(ucRecBufCMD) /2.命令处理 case 0: /正转 case 1: /反转 G_ucMotoPn = ucRecBufCMD;战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育 G_uiMotoTicks = ucRecBuf4*7; Moto_Run(); break; case 2: /停止 Moto_Stop(); break; ucSendBuf0 = 0 xFE; /3.响应信

32、息战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育 ucSendBufLEN = 0 x04; ucSendBufMODEL = MODEL_S; ucSendBufCMD = ucRecBufCMD; ucSendBufPLY = 0 x00; send_datapag(ucSendBuf); 战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育n 主程序Main.c注释说明n 在Main.c中最上面是整个程序的说明，在其它.c中最上面是这个文件对外提供的接口说明。n 在Main.c中右边是语句的注释，要求整齐划一。n 主程序Main.c命名说明n 同样要考虑变量命名、常量命名、

33、管脚命名、函数命名等。n 主程序Main.c头文件说明n 在Main.c中调用了Moto_Init()、Moto_Run()、Moto_Stop()和Moto_SetTick()等多个函数，这些都位于步进电机的驱动程序StepMoto.c中，其声明位于StepMoto.h中。战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育n B、步进电机的驱动程序StepMoto.c的代码/=/ 程序功能: 步进电机初始化/ 步进电机运行/ 步进电机停止/ 设置步进电机速度/ 步进电机定时运行/ 程序接口: void Moto_Init(void);战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联

34、教育/ void Moto_Run(void);/ void Moto_Stop(void);/ void Moto_SetTick(int8u ucTick);/ void Moto_RunInTimer(void);/ 编写时间: 2015-08-04/=#include Global.h战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育/=/ 函数功能: 步电进电机的接口信号(逻辑管脚与物理管脚的对应表)/=#define MOTO_DATA P1sbit MOTO_SLEEP = P20;/=/ 函数功能: 本地变量及常量的定义战略性信息产业教育服务提供商 联世界 育未来创新物联教育/=int8u g_ucTick = 1; /速度int8u G_ucMotoPn = 0; /0正转, 1反转int8u G_uiMotoTicks = 0; /需要转动的节拍数#define A (10) /步进电机线圈顺序#define nA (11)#define B (12)战略性信息产业教育服务提供商