004_步进电机实验

企业开发 2023-07-01 19:42:55 阅读次数: 0
        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元件。本章主要从步进电 机的结构、工作原理、电机参数分别介绍，最后通过实验来实现步进电机运动的 简单控制。本章所要实现的功能是：通过 ULN2003 驱动模块控制 28BYJ48 步进电 机运行方向及速度，当按下 KEY1 键可调节电机旋转方向；当按下 KEY2 键，电机 加速；当按下 KEY3 键，电机减速。

步进电机简介

        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元件。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性 关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点。使得在速度、 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛的应 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。因此用好步进电机也并 非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等多专业知识。下图即为混合式步 进电机组成图。

步进电机工作原理

        通常步进电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢 量磁场。磁场会带动转子旋转一定的角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转步距角。每 输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲 数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以 可以控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。 具体看下图：

步进电机极性区分

        步进电机又分为单极性的步进电机和双极性的步进电机；具体简易图如下图 所示：

        其中左侧为单极性步进电机，右侧为双极性的步进电机，从上图中不难看出 区别是什么。单双极性是指一个步进电机里面有几种电流的流向，左侧的五线四 相步进电机就是单极性的步进电机，图中的红色箭头为电流的走向，四根线的电流走向汇总到公共线，所以称之为单极性电机；但是右侧则不同，电机中有两个 电流的回路，两个电流的回路自然就是双极性，所以称之为双极性电机。
单极性绕组
        单极性步进电机使用的是单极性绕组。其一个电极上有两个绕组，这种联接 方式为当一个绕组通电时，产生一个北极磁场；另一个绕组通电，则产生一个南 极磁场。因为从驱动器到线圈的电流不会反向，所以可称其为单极绕组。
双极性绕组
        双极性步进电机使用的是双极性绕组。每相用一个绕组，通过将绕组中电流 反向，电磁极性被反向。典型的两相双极驱动的输出步骤在电气原理图和下图中 的步进顺序中进一步阐述。按图所示，转换只利用绕组简单地改变电流的方向， 就能改变该组的极性。

        永磁步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子，只要将线圈通电根 据电磁铁的原理就会产生磁场，分为南北极，见上图所示；通过改变步进电机定 子的磁场，转子就会因磁场的变化而发生转动，同理，依次改变通电的顺序就可 以使得电机转动起来。

双极性步进电机驱动原理

        下图是一个双极性的步进电机整步，步进顺序。在第一步中：将 A 相通电， 根据电磁铁原理，产生磁性，并且因异性相吸，所以磁场将转子固定在第一步的 位置；第二步：当 A 相关闭，B 相通电时，转子会旋转 90°；第三步：B 相关 闭、A 相通电，但极性与第 1 步相反，这促使转子再次旋转 90°。在第四步中： A 相关闭、B 相通电，极性与第 2 步相反。重复该顺序促使转子按 90°的步距 角顺时针旋转。

        上图中显示的步进顺序是单相激励步进，也可以理解为每次通电产生磁性的 相只有一个，要么 A 相，要么 B 相；但是更常用的是双相激励，但是在转换时， 一次只能换相一次，具体详见下图：

        上图是两相同时通电的旋转顺序，与单相激励不同的是，单相通电后被固定在了与定子正对着的绕组极性，但是双相同时激励时转子却被固定在两个绕阻的 极性中间；此时通电顺序就变成了 AB 相同时通电即可。
        在双相激励的过程中，也可以在换相位时加一个关闭相位的状态而产生走半 步的现象，这将步进电机的整个步距角一分为二，例如，一个 90°的步进电机 将每半步移动 45°，具体见下图。

 

        1. A 相通电，B 相不通电
        2. A、B 相全部通电，且电流相同，产生相同磁性
        3. B 相通电，A 断电
        4. B 相通电，A 相通电，且电流相等，产生相同磁性
        5. A 相通电，B 断电
        6. A、B 相全部通电，且电流相同，产生相同磁性
        7. B 相通电，A 断电
        8. B 相通电，A 相通电，且电流相等，产生相同磁性
        其中 1~4 步与 5~8 步的电流方向相反（电流相反，电磁的极性就相反）这 样就产生了顺时针旋转，同理逆时针是将通电顺序反过来即可。

单极性步进电机驱动原理

        单极性与双极性步进电机驱动类似，都可以分为整步与半步的驱动方式，不 同的是，双极性的步进电机可以通过改变电流的方向来改变每相的磁场方向，但 是单极性的就不可以了，它有一个公共端，这就直接决定了，电流方向。具体旋 转顺序详见下图：

 
        上图是单极性步进电机整步旋转的过程，其中，在图示中分为 5 根线，分 别为 A、B、C、D 和公共端（ +），公共端需要一直通电，剩下 ABCD 相中只要 有一个相通电，即可形成回路产生磁场，图中的通电顺序为 A->B->C->D，即可
        完成上图中的顺时针旋转，如果想要逆时针旋转只需要将其倒序即可。 以上是单相通电产生的整步旋转，两相通电也可以产生，两个相邻的相通电， 这样相邻的两个相就都产生了回路，也就产生了磁场，图中的通电顺序为 AB->BC->CD->DA，同理逆时针旋转的顺序为逆序。具体看下图：

         上面两张图清晰的描述了单极性步进电机的通电顺序与旋转的过程，综合这两张图就是单极性步进电机半步的通电顺序，具体看下图：

        上图兼容了前两张图的所有特点，也可以说前两张图是这张图的子集，图中 的通电顺序为：A->AB->B->BC->C->CD->D->DA 转子每次只走半步 45 度，所以 这也被称为半步驱动，与整步相比半步的旋转方式旋转起来更加的顺滑。

细分驱动原理

        对于细分驱动的原理，不分单双极性步进电机，下图以单极性为例：
        在上图中均为双相激励；其中图（ a）为 A 相电流很大，B 相的电流极其微 弱，接近 0；图 (C) 为 A 相和 B 相的电流相同，电流决定磁场，所以说 A 相 和 B 相的磁场也是相同的，(a) 和（
c）可以是极限特殊的情况，再看图（ b） 和图（ d）这两个是由于 A 相和 B 相的电流不同产生位置情况；由此可以得出 改变定子的电流比例就可以使得转子在任意角度停住。细分的原理就是：通过改 变定子的电流比例，改变转子在一个整步中的不同位置，可以将一个整步分成多
个小步来运行。
        在上图中就是一个整步分成了 4 步来跑，从（ a）~（ d）是 A 相的电流逐 渐减小，B 相电流逐渐增大的过程，如果驱动器的细分能力很强，可以将其分成 32 细分、64 细分等；这不仅提高了步进电机旋转的顺畅度而且提高了每步的精 度。细分驱动具有转动顺畅、精度高、转矩大的特点，但控制复杂，一般需要专 用芯片来实现，例如东芝公司的 TB67S10xA 系列步进电机细分驱动芯片，最多可 以把 1 个整步分为 32 个小步。

步进电机技术指标

静态技术指标

        • 相数：产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数，也可以理解为步进电机 中线圈的组数，其中两相步进电机步距角为 1.8°，三相的步进电机步距角为1.5°，相数越多的步进电机，其步距角就越小。
        • 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 AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
        • 步距角：一个脉冲信号所对应的电机转动的角度，可以简单理解为一个脉冲信号驱动的角度，电机上都有写，一般 42 步进电机的步距角为 1.8°
        • 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。
        • 静转矩：电机在额定静态电压作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

动态技术指标

        • 步距角精度：步进电机转动一个步距角度的理论值与实际值的误差。用百 分比表示：误差/步距角 *100%。
        • 失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。也可以叫做丢步，一般都是因负载太大或者是频率过快。
        • 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，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
        • 最大空载起动频率：在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
        • 最大空载的运行频率：电机不带负载的最高转速频率。
        • 运行转矩特性：电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态 电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。
        • 电机正反转控制：通过改变通电顺序而改变电机的正反转。

28BYJ-48 步进电机简介

        28BYJ48 步进电机自带减速器，为四相无线步进电机，直径为 28mm，实物如 下所示：

         28BYJ48 电机内部结构等效图如下所示：

         28BYJ48 步进电机旋转驱动方式如下表：

        28BYJ48 步进电机主要参数如下所示：

        在上图中 28BYJ48 步进电机主要参数中可以看到有一个减速比：1:64，步进 角为 5.625/64 度，如果需要转动一圈，那么需要 360/5.625*64=4096 个脉冲信 号。
        减速比这个和之前介绍的直流减速电机有点类似，所以 28BYJ48 步进电机实 际上是：减速齿轮+步进电机组成，28BYJ48 步进电机减速齿轮实物图如下所示：

        减速齿轮计算方法如下所示：

硬件设计

        本实验使用到硬件资源如下：
        （1）步进电机驱动模块
        （2）28BYJ-48 步进电机
        该电路在前面直流电机实验中已介绍，此处不再重复。

软件设计

        本章所要实现的功能是：通过 ULN2003 驱动模块控制 28BYJ48 步进电机运行 方向及速度，当按下 KEY1 键可调节电机旋转方向；当按下 KEY2 键，电机加速； 当按下 KEY3 键，电机减速。

        代码如下：

#include "reg52.h"
typedef unsigned int u16; //对系统默认数据类型进行重定义
typedef unsigned char u8;
//定义 ULN2003 控制步进电机管脚
sbit IN1_A=P1^0;
sbit IN2_B=P1^1;
sbit IN3_C=P1^2;
sbit IN4_D=P1^3;
//定义独立按键控制脚
sbit KEY1=P3^1;
sbit KEY2=P3^0;
sbit KEY3=P3^2;
sbit KEY4=P3^3;
//使用宏定义独立按键按下的键值
#define KEY1_PRESS 1
#define KEY2_PRESS 2
#define KEY3_PRESS 3
#define KEY4_PRESS 4
#define KEY_UNPRESS 0
// 定义步进电机速度，值越小，速度越快
// 最小不能小于 1
#define STEPMOTOR_MAXSPEED 1
#define STEPMOTOR_MINSPEED 5
/********************************************************************
***********
* 函 数 名 : delay_10us
* 函数功能 : 延时函数，ten_us=1 时，大约延时 10us
* 输 入 : ten_us
* 输 出 : 无
*********************************************************************
**********/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
	while(ten_us--);
}
/********************************************************************
***********
* 函 数 名 : delay_ms
* 函数功能 : ms 延时函数，ms=1 时，大约延时 1ms
* 输 入 : ten_us
* 输 出 : 无
*********************************************************************
**********/
void delay_ms(u16 ms)
{
	u16 i,j;
	for(i=ms;i>0;i--)
		for(j=110;j>0;j--);
}
/********************************************************************
***********
* 函 数 名 : step_motor_28BYJ48_send_pulse
* 函数功能 : 输出一个数据给 ULN2003 从而实现向步进电机发送一个脉冲
* 输 入 : step：指定步进序号，可选值 0~7
dir：方向选择,1：顺时针,0：逆时针
* 输 出 : 无
*********************************************************************
**********/
void step_motor_28BYJ48_send_pulse(u8 step,u8 dir)
{
	u8 temp=step;
	if(dir==0) //如果为逆时针旋转
		temp=7-step;//调换节拍信号
	switch(temp)//8 个节拍控制：A->AB->B->BC->C->CD->D->DA
	{
		case 0: IN1_A=1;IN2_B=0;IN3_C=0;IN4_D=0;break;
		case 1: IN1_A=1;IN2_B=1;IN3_C=0;IN4_D=0;break;
		case 2: IN1_A=0;IN2_B=1;IN3_C=0;IN4_D=0;break;
		case 3: IN1_A=0;IN2_B=1;IN3_C=1;IN4_D=0;break;
		case 4: IN1_A=0;IN2_B=0;IN3_C=1;IN4_D=0;break;
		case 5: IN1_A=0;IN2_B=0;IN3_C=1;IN4_D=1;break;
		case 6: IN1_A=0;IN2_B=0;IN3_C=0;IN4_D=1;break;
		case 7: IN1_A=1;IN2_B=0;IN3_C=0;IN4_D=1;break;
	}
}
/********************************************************************
***********
* 函 数 名 : key_scan
* 函数功能 : 检测独立按键是否按下，按下则返回对应键值
* 输 入 : mode=0：单次扫描按键
mode=1：连续扫描按键
* 输 出 : KEY1_PRESS：K1 按下
KEY2_PRESS：K2 按下
KEY3_PRESS：K3 按下
KEY4_PRESS：K4 按下
KEY_UNPRESS：未有按键按下
*********************************************************************
**********/
u8 key_scan(u8 mode)
{
	static u8 key=1;
	if(mode)
		key=1;//连续扫描按键
	if(key==1&&(KEY1==0||KEY2==0||KEY3==0||KEY4==0))//任意按键按下
	{
		delay_10us(1000);//消抖
		key=0;
		if(KEY1==0)
			return KEY1_PRESS;
		else if(KEY2==0)
			return KEY2_PRESS;
		else if(KEY3==0)
			return KEY3_PRESS;
		else if(KEY4==0)
			return KEY4_PRESS;
	}
	else if(KEY1==1&&KEY2==1&&KEY3==1&&KEY4==1) //无按键按下
	{
		key=1;
	}
	return KEY_UNPRESS;		
}

/********************************************************************
***********
* 函 数 名 : main
* 函数功能 : 主函数
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*********************************************************************
**********/
void main()
{
	u8 key=0;
	u8 dir=0;//默认逆时针方向
	u8 speed=STEPMOTOR_MAXSPEED;//默认最大速度旋转
	u8 step=0;
	while(1)
	{
		key=key_scan(0);
	if(key==KEY1_PRESS)//换向
	{
		dir=!dir;
	}
	else if(key==KEY2_PRESS)//加速
	{
		if(speed>STEPMOTOR_MAXSPEED)
		speed-=1;
	}
	else if(key==KEY3_PRESS)//减速
	{
		if(speed<STEPMOTOR_MINSPEED)
		speed+=1;
	}
	step_motor_28BYJ48_send_pulse(step++,dir);
	if(step==8)
		step=0;
	delay_ms(speed);
	}
}

        step_motor_28BYJ48_send_pulse 函数用于输出一个数据给 ULN2003，从而实现向步进电机发送一个脉冲信号。它有两个形参，第一个为 step，指定步进序号，可选值为 0-7，代表步进电机控制信号的 8 个节拍。第二个为 dir，指定电机的旋转方向，可选 1:顺时针，0:逆时针。这里指的顺时针逆时针是两个不同方向。

        函数先判断 dir 参数值，如果为 0，则为逆时针旋转，将 step 值变为 8 的互 补数，其实就是将 8 个节拍反向输出。
        主函数实现的功能很简单，首先定义一些变量，进入循环，检测是否有按键 按下，当 KEY1 按下，切换步进电机方向；当 KEY2 按下，使电机加速；当 KEY3 按下，使电机减速。
        程序中所用 STEPMOTOR_MAXSPEED 和 STEPMOTOR_MINSPEED 在开头已定义，表 示步进电机最大运行速度和最低运行速度，当然可以根据实际现象适当调整这两 个值。

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转载自blog.csdn.net/weixin_42581177/article/details/127893865
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