任務１步進電動機的正反轉控制任務２步進電動機的調速知識點◎步進電動機的結構和工作原理；◎步進電動機的控制原理；◎常見的步進電動機驅動電路。技能點◎能識別步進電動機驅動器及常見驅動硬件電路；◎能利用單片機控制步進電動機的正反轉。任務１步進電動機的正反轉控制本任務以四相步進電動機為例，設計一個基于單片機的簡易步進電動機控制器，在其控制和管理下實現(xiàn)以下功能：1.控制步進電動機的運行與停止；2.控制步進電動機的正轉和反轉。任務提出常用的步進電動機有三相、四相、五相等，每一相都需要高電壓、大電流才能正常工作。在實踐中，可以選擇相應的步進電動機驅動器作為步進電動機的驅動電路。任務分析在本任務中，選擇ULN2003作為電動機的功率驅動器件。單片機選擇AT89S51芯片，為了實現(xiàn)控制和操作，還需要對步進電動機工作進行控制的按鍵電路、輸出控制步進電動機的功率驅動電路和步進電動機以及必要的工作指示電路，故整個單片機控制步進電動機的硬件系統(tǒng)結構圖如圖所示。步進電動機控制器的系統(tǒng)結構圖一、步進電動機結構和工作原理步進電動機是一種可以自由旋轉的電磁鐵，工作原理是依靠氣隙磁導的變化來產(chǎn)生電磁轉矩。步進電動機主要由定子和轉子構成。定子的主要結構是繞組，按繞組數(shù)量可分為兩相、三相、四相、五相步進電動機，其分別有兩個、三個、四個、五個繞組，其他以此類推。繞組按一定的通電順序工作著，這個通電順序被稱為步進電動機的“相序”。相關知識轉子的主要結構是磁性轉軸，當定子中的繞組在相序信號作用下，有規(guī)律地通電、斷電工作時，轉子周圍就會有一個按此規(guī)律變化的電磁場，因此一個按規(guī)律變化的電磁力就會作用在轉子上，使轉子發(fā)生轉動。如圖所示為四相電動機單四拍逆時針轉動四拍的示意圖。步進電動機轉動相序示意圖a）A—A′通電

b）B—B′通電

c）C—C′通電

d）D—D′通電二、單片機步進電動機的控制原理步進電動機的轉動是通過改變其繞組的通電次序來控制的，二相、三相、四相、五相電動機都有各自不同的相序。其中，四相電動機的工作模式有單四拍、雙四拍和四相八拍。將電動機的四個繞組依次稱為A相、B相、C相和D相，四相步進電動機電源通電時序與波形如圖所示。步進電動機工作時序波形圖a）單四拍

b）雙四拍

c）四相八拍1.單相四拍方式(按單相繞組施加電流脈沖)—A—B—C—D—正轉；—A—D—C—B—反轉。2.雙相四拍方式(按雙相繞組施加電流脈沖)—AB—BC—CD—DA—正轉；—AD—DC—CB—BA—反轉。3.四相八拍方式(單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖)—A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—正轉；—A—AD—D—DC—C—CB—B—BA—反轉。步進電動機的位置控制需要兩個參數(shù)。第一個參數(shù)是步進電動機控制的執(zhí)行機構當前的位置參數(shù)，稱為絕對位置。絕對位置是有極限的，其極限是執(zhí)行機構運動的范圍，超過了這個極限就應報警。第二個參數(shù)是從當前位置移動到目標位置的距離，可以用折算的方式將這個距離折算成步進電動機的步數(shù)。三、常見的步進電動機驅動電路步進電動機繞組的接線方式有兩類，一類是繞組中電流有固定方向，如圖a所示，共ABCD四組繞組，電流從ABCD四個接線端流出，可采用OC（集電極開路）或OD（漏極開路）電路來驅動。另一類如圖b所示，AC為一組繞組，BD為一組繞組，繞組中電流雙向流動，在ABCD四個接線端都有流入和流出的情況，常采用H橋驅動，這種接法繞組電阻較大，需要的驅動電壓大，繞組電流較小。H橋驅動電路與直流電動機的驅動電路是一致的，常見的集成電路有L298、L6203等型號，也可以用大功率管制作的分立元件H橋。兩相六線步進電動機線圈接法一、硬件設計本任務主要實現(xiàn)單片機控制步進電動機正反轉，同時顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，故整個系統(tǒng)硬件電路由單片機最小系統(tǒng)、功能按鍵、電動機驅動電路和狀態(tài)指示電路組成。在本任務中選擇AT89S51單片機芯片作為系統(tǒng)控制芯片，系統(tǒng)晶振頻率為12MHz。任務實施步進電動機正反轉控制系統(tǒng)電路原理圖二、軟件設計本任務中單片機僅控制步進電動機實現(xiàn)正轉或反轉。步進電動機的正轉和反轉是由步進電動機中各相電流的驅動順序決定的。如上圖所示，步進電動機的正轉或反轉是由單片機端口的輸出電平的順序決定的。在程序中，往往采用數(shù)組將相序數(shù)據(jù)保存起來，通過對數(shù)組按順序或按逆序讀取并輸出，實現(xiàn)步進電動機的正轉或反轉控制。三、Proteus仿真1.打開ProteusISIS軟件，按照硬件原理圖繪制Proteus仿真電路，并仔細檢查電路，保證線路連接無誤。2.在Keil軟件開發(fā)環(huán)境下，創(chuàng)建項目，編輯源程序，編譯生成HEX文件，并裝載到Proteus虛擬仿真硬件電路的AT89C51芯片中。3.運行ProteusISIS軟件，仔細觀察運行結果，如果有不符合設計要求的情況，調整源程序并重復步驟1、2直至完全符合本項目提出的各項設計要求。步進電動機正轉運行的仿真效果圖任務２步進電動機的調速知識點◎步進電動機的調速原理；◎步進電動機的控制方法。技能點◎能利用單片機控制步進電動機的正反轉；◎能利用單片機實現(xiàn)步進電動機的加速、減速控制。本任務以四相步進電動機為例，設計一個基于單片機的簡易步進電動機控制器，在其控制和管理下實現(xiàn)以下功能：1.步進電動機的正反轉控制；2.步進電動機的單步、連續(xù)運行；3.運行速度可調；4.加減速時電動機運行穩(wěn)定。任務提出在本任務中，選擇ULN2003作為電動機的功率驅動器件。步進電動機的工作方式主要有正轉、反轉、變速、定時啟動等。本任務設計的控制程序，只需將相應的參數(shù)略加修改，即可用于其他三相、四相、五相等步進電動機的控制中，其編程思想完全相同。因此，這些控制程序的設計和開發(fā)，具有較高的實用價值及廣泛的適用性。任務分析一、步進電動機的調速原理步進電動機由于其內部磁極的控制，當繞組中流過的電流為某一狀態(tài)時，電動機就能夠轉動到對應的位置并保持該位置，所以根據(jù)這種情況，把繞組中電流的狀態(tài)與電動機旋轉方向和轉角聯(lián)系起來，就構成了其相序運行關系。如果電動機按照相序順序通電，電動機就會正轉，否則電動機反轉。當然，如果一次只改變一個相序，就是所謂的單步運行。相關知識如果給步進電動機繞組通電一個相序，它就轉一步，再改變一個繞組通電相序，它會再轉一步。兩個相序的間隔時間越短，步進電動機就轉動得越快。因此，相序改變的頻率決定了步進電動機的轉速。調整步進電動機繞組通電相序的頻率，就可以對步進電動機進行調速。在實際的控制中，由于電動機轉子和被步進電動機控制機構的慣性，電動機啟動時，需要提供較大的轉矩，如果步進電動機運行頻率超過極限啟動頻率，步進電動機將出現(xiàn)失步現(xiàn)象。同樣，在步進電動機的控制機構高速運行到終點突然停下來時，由于慣性作用，可能有過沖現(xiàn)象，即電動機的控制相序脈沖沒有改變，動作機構和電動機繼續(xù)運行。步進電動機的啟動需要有一個逐步加速的過程，或者說電動機的相序改變時間要逐步減小，直到最快轉速為止。同樣，在減速過程中，也要求電動機的轉速逐步降低，以保證電動機和所驅動設備運行平穩(wěn)。當然，在加速和減速之間，電動機將按照其正常驅動轉速運行。對步進電動機的速度調整，就是保證在不失步和不過沖的前提下，用最短的時間移動到指定的位置。為了滿足加減速要求，步進電動機運行通常按照加/減速曲線進行。最簡單的是勻加速和勻減速曲線，其加減速曲線都是直線，因此容易編程實現(xiàn)。按直線加速時，加速度是不變的，因此要求轉矩也是不變的。步進電動機的運行還可以根據(jù)距離的長短分如下三種情況進行處理。1.短距離由于距離較短，來不及升到最高速，步進電動機以接近啟動頻率運行，運行過程沒有加減速。2.較長距離在這樣的距離里，步進電動機只有加減速過程，而沒有恒速過程。3.長距離在這樣的距離里，步進電動機不僅有加減速過程，還有恒速過程。二、單片機步進電動機的調速方法單片機在用定時器法調速時，用改變定時常數(shù)的方法來改變輸出的步進脈沖頻率，達到改變轉速的目的。對于MCS-51系列單片機，其定時器屬于加1定時器。因此在步進電動機加速時，定時常數(shù)應增加；在步進電動機減速時，定時常數(shù)應減小。如果采用非線性加減速曲線，要用離散法將加減速曲線離散化。將離散所得的轉速序列所對應的定時常數(shù)序列做成表格，存儲在程序存儲器中，在程序運行中使用查表的方式重裝定時常數(shù)。這樣做比用計算法節(jié)省時間，提高了系統(tǒng)的響應速度。一、硬件設計本任務主要實現(xiàn)單片機控制步進電動機正反轉、調節(jié)電動機速度，同時要顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，故整個系統(tǒng)硬件電路由單片機最小系統(tǒng)、功能按鍵電路、電動機驅動電路和狀態(tài)指示電路組成。選擇AT89S51單片機芯片為系統(tǒng)控制芯片，系統(tǒng)晶振頻率為12MHz。任務實施根據(jù)任務要求，系統(tǒng)中要顯示“正轉”“反轉”“單步/停止”“連續(xù)”狀態(tài)。另外，還要求對電動機連續(xù)運行速度進行調節(jié)，本系統(tǒng)中僅設置“慢速”“中速”和“快速”三個不同的電動機運行速度。因此，本系統(tǒng)共使用7只LED分別指示各個運行狀態(tài)，使用P0口控制這7只LED。系統(tǒng)按鍵和指示燈的連接及功能說明見表。統(tǒng)按鍵和狀態(tài)指示說明步進電動機控制系統(tǒng)電路原理圖二、軟件設計根據(jù)任務分析，單片機應用系統(tǒng)是一個典型的鍵控系統(tǒng)，所有被控對象都是電平驅動，且都有一個專用端口鎖存。整個軟件系統(tǒng)的編寫比較簡單，具體來說，在主程序中檢測按鍵，在每次按下鍵時對系統(tǒng)功能進行修改，同時修改系統(tǒng)狀態(tài)顯示。另外，作為步進電動機的驅動，采用定時提供相序脈沖，在中斷服務中，判斷相關的標志變量的值，決定相序的輸出。整個軟件的流程圖，如圖所示。步進電動機控制系統(tǒng)程序框圖a）主程序流程圖

b）定時器0中斷服務程序流程圖為了實現(xiàn)各種狀態(tài)的標識和處理，設置全局變量來表示系統(tǒng)中的狀態(tài)，并對變量的值對應的狀