步进电机的概念和分类 基于单片机的步进电机试验

17.1 步进电机概念

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电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。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，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”，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。

17.2 步进电机分类

步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机（Variable Reluctance，VR）、永磁式步进电机Permanent Magnet,PM）、混合式步进电机（Hybrid Stepping,HS）。
1.反应式：
定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。
2.永磁式
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°），价格较便宜。
3.混合式
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。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

4相步进电机内部结构如上图所示，A，B，C，D四相称为定子，内部1，2，3，4，5，6为永磁铁，称为转子。以转子逆时针旋转为例介绍电机的工作原理。

假设初始状态如上图所示，B闭合，B相绕阻导通，产生磁性将对定子齿轮产生强有力的吸引，使得B对6吸引，B’对3进行吸引，形成如上图所示的初始状态。而此时转子齿轮1将与定子齿轮A形成一个15°的夹角，2与D’之间形成一个30°的夹角。紧接着我们断开B，闭合A相，A对1产生最大的吸引力，A’对4产生最大的吸引力。最终，A与1对齐，A’与4对齐。相当于转子逆时针转动了15°。此时，2与D’之间的夹角由30°变成了15°。紧接着断开A，闭合D，2与D’对齐，5与D对齐，转子将逆时针再旋转15°。接着断开D，闭合C，转子逆时针旋转15°。因此可以总结为：经过B-A-D-C转子旋转了45°。这个过程称为四节拍。旋转一圈360°需要360°/45°=8个四节拍。因此，可以计算出一个节拍旋转的角度为：360°/(8*4)=11.25°。上述工作模式称为单四拍模式。

下面在上述的基础之上进行一下改进，假设在两个节拍之间插入一个新的节拍，例如在B断开，A闭合之间插入一个AB同时闭合的节拍，即B-BA-A。此时B对6与A对1具有相同的吸引力，最终将导致6和1之间的中心线将与B和A之间的中心线对齐，相当于转子转了5.625°。在每个节拍之间插入了一个节拍，即旋转45°由原来的4拍变成了8拍，B-AB-A-AD-D-DC-C-CB。因此，旋转一周360°需要360°/45°*8=64个节拍，每个节拍旋转5.625°。上述模式称为八拍模式，与四拍模式相比，由于增加了拍数使得电机扭矩更大，驱动力更强了，旋转精度提高了一倍。时序如下表所示：

驱动电机需要一定的驱动电流，一般有两种比较简单的驱动电路。一种为使用三极管驱动，一种为采用专用的驱动芯片，我们这里采用的是第二种方法。如上图所示，采用ULN2003A来驱动动直流电机，LED7-LED4为输入端，连接到单片机的I/O口P1.7-P1.4，OUT_A-OUT_D为输出端连接到电机。输入端为高电平时，输出端为高电平，反之亦然。按照上表的时间顺序来驱动电机。那么这里有一个问题大家可能会问，每个节拍的持续时间是多少呢？理论上将节拍持续时间越小电机的转动速度越快。

该电机的参数表中有一个叫起动频率的参数，≥550 P.P.S，表示，在每秒550个脉冲的情况下，电机可以正常启动。相当于每个脉冲，即每个节拍的持续时间大于等于1/550 = 1.8ms的情况下，电机可以正常转动。按照上述学到的相关内容我们接下来就可以使直流电机转起来了。

17.3 步进电机试验

这里我们利用定时器来实现电机转动的功能，设置一个2ms的定时，每2ms执行一个节拍。根据上面的介绍64个节拍转动一周，一次，转动一周需要2ms*64=128ms，那么可以得到1s可以转7.8周。编写代码如下：

#include< reg52.h >

#define uchar unsigned char
#define  uint unsigned int

uchar code MotorCode[8]={0xBF,0x3F,0x7F,0x6F,0xEF,0xCF,0xDF,0x9F};//电机节拍

#define FOSC 11059200 //单片机晶振频率
#define T_2ms (65536 - FOSC/12*2/1000)  //定时器初始值计算

sbit DU = P2^7;//数码管段选、位选引脚定义
sbit WE = P2^6;	

void main()
{
	P0 = 0;//关闭所有数码管
	WE = 1;
	WE = 0;

	TMOD = 0x01;	 //定时器工作模式配置
	TL0  = T_2ms;	//装载初始值
	TH0  = T_2ms > >8;
	TR0  = 1;		 //启动定时器
	ET0  = 1;		 //允许定时器中断
	EA   = 1;		 //开总中断	
	
	while(1);
}

 //定时器0中断子程序,定时2ms
void timer0() interrupt 1
{
	static uchar index=0;

	TL0 = T_2ms;//重装初始值
	TH0 = T_2ms > >8;	

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

将程序下载到单片机中，连接好电机。电机转起来了，但是好像有点不对劲，得8s左右才能转一圈，和我们预想的不一致。我们回过头来看电机参数表中有一个减速比1：64，速度减为原来的1/64。把这个考虑进去就和我们的现象吻合了。

下面我们写一个程序，让电机转动指定的角度，前面我们讲过转动一圈需要64个节拍，而减速比为1：64，因此，电机实际转动一圈需要64*64=4096个节拍。所以转动angle度所需的节拍数beats = (angle *4096)/360。根据这个公式编写程序如下：

#include< reg52.h >

#define uchar unsigned char
#define  uint unsigned int

uchar code MotorCode[8]={0xBF,0x3F,0x7F,0x6F,0xEF,0xCF,0xDF,0x9F};//电机节拍

#define FOSC 11059200 //单片机晶振频率
#define T_2ms (65536 - FOSC/12*2/1000)  //定时器初始值计算

sbit DU = P2^7;//数码管段选、位选引脚定义
sbit WE = P2^6;	

unsigned long angle = 180;
unsigned beats = 0;

void main()
{
	P0 = 0;//关闭所有数码管
	WE = 1;
	WE = 0;
	 
	beats = (angle * 4096) /360; //计算节拍数

	TMOD = 0x01;	 //定时器工作模式配置
	TL0  = T_2ms;	//装载初始值
	TH0  = T_2ms > >8;
	TR0  = 1;		 //启动定时器
	ET0  = 1;		 //允许定时器中断
	EA   = 1;		 //开总中断	
	
	while(1);
}
 //定时器0中断子程序,定时2ms
void timer0() interrupt 1
{
	static uchar index=0;

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

17.4 小结

本章详细介绍了步进电机的工作原理及简单应用。