步進電機控制主講教師：呂世林《汽車單片機應用技術》汽車智能技術專業(yè)教學資源庫1、認識步進電機的分類及主要參數(shù)；2、步進電機的控制原理及工作方式；3、步進電機的驅(qū)動電路方法。知識目標1、能根據(jù)項目要求，進行編程算法設計；2、能設計出步進電機與單片機連接的硬件電路；3、能完成步進電機的程序設計。能力目標學習目標任務初步訓練利用單片機產(chǎn)生時序脈沖控制步進電機的轉(zhuǎn)動。強化訓練實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動速度的控制。學習任務任務相關知識1、步進電動機的種類5、步進電機動態(tài)指標及術語2、步進電動機的結(jié)構(gòu)3、步進電動機的工作原理4、步進電機的靜態(tài)指標術語任務相關知識（1）步進電動機的種類步進電機在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應用。它可以把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等。按勵磁方式分類，步進電動機可分為反應式、永磁式和感應子式。其中反應式步進電動機用得比較普遍，結(jié)構(gòu)也較簡單。反應式步進電動機又稱為磁阻式步進電動機。常用步進電機圖任務相關知識（2）步進電動機的結(jié)構(gòu)步進電動機主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成，下圖為一臺三相反應式步進電動機的典型結(jié)構(gòu)圖。U2U1W2W1V1V2定子上每個磁極上有許多小齒，轉(zhuǎn)子圓周有很多小齒。根據(jù)工作要求，定子磁極上小齒的齒距和轉(zhuǎn)子上小齒的齒距必須相等，而且轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定的限制。步進電動機的典型結(jié)構(gòu)圖任務相關知識（3）步進電動機的工作原理一拍：從一次通電到另一次通電。步距角：每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。磁通的一個性質(zhì)：盡量把自己收縮到最短，使之所經(jīng)過的路徑磁阻最小。

1）反應式步進電動機的工作原理是利用凸極轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動的。電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：

定轉(zhuǎn)子的展開圖任務相關知識旋轉(zhuǎn)：如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て。這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。力矩：電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力F與（dФ/dθ）成正比。磁通量Ф=Br·S，其中Br為磁密，S為導磁面積。F與L·D·Br成正比，L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑，Br=N·I/R，N·I為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)），R為磁阻。力矩=力×半徑，力矩與（電機有效體積×安匝數(shù)×磁密）成正比（只考慮線性狀態(tài)）。因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。任務相關知識2）感應子式步進電機特點：感應子式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應式電機則不能如此。分類：感應子式步進電機以相數(shù)可分為二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG為感應子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標準），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標準。任務相關知識（4）步進電機的靜態(tài)指標術語相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。任務相關知識（5）步進電機動態(tài)指標及術語1）步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5%之內(nèi)，八拍運行時應在15%以內(nèi)。

2）失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。

3）失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。

4）最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。5）最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。6）運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。初步訓練初步訓練利用單片機產(chǎn)生時序脈沖控制步進電機的轉(zhuǎn)動，同時結(jié)合外部開關實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。任務分析：步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘呔€位移的控制元件，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響。步進電機必須由雙環(huán)行脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。步進電機的主要特性：1．步進電機必須加驅(qū)動才可以轉(zhuǎn)動，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機就停止。2．步進電機有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。3．改變脈沖的順序，可以改變轉(zhuǎn)動的方向。根據(jù)以上分析，畫出步進電機驅(qū)動電路圖。初步訓練單片機驅(qū)動控制步進電機驅(qū)動電路圖初步訓練操作步驟1、連線：使用連接線，把P1.4->A，P1.5->B，P1.6->C，P1.7->D，P1.0接數(shù)據(jù)開關，EA->+5V；2、運行KeilC51軟件，新建一個工程文件（如BJDJ），新建一個工程文件BJDJ.ASM；3、輸入并編輯BJDJ.ASM文件，并且編譯生成HEX文件；4、用編程器將生成的HEX文件燒寫到單片機中，或用仿真器來執(zhí)行程序，將程序下載到仿真器中，具體方法參考仿真器的使用一節(jié)；5、運行實驗程序，觀察實驗現(xiàn)象；6、完成實訓操作，關閉電源，拆除接線，整理歸位；7、完成任務工單中相關題目。初步訓練參考程序；步進電機控制；p1.4-p1.7控制a,b,c,d四個相位開關；KEY--P1.0 1:正轉(zhuǎn)

；0:反轉(zhuǎn)ORG0000H LJMPMAIN ORG0030HMAIN:JNBP1.0,START；正轉(zhuǎn)程序ZZ: MOVP1,#40h ;C LCALLDELAY MOVP1,#10H ;A LCALLDELAY MOVP1,#80H ;D LCALLDELAY MOVP1,#20H ;B LCALLDELAY JBP1.0,ZZ；反轉(zhuǎn)程序START:MOVP1,#10h ;A LCALLDELAY MOVP1,#40H ;C LCALLDELAY MOVP1,#20H ;B LCALLDELAY MOVP1,#80H ;D LCALLDELAY SJMPMAINDELAY:MOVR1,#40HLOOP2:MOVR2,#55hLOOP1: DJNZR2,LOOP1 DJNZR1,LOOP2 RETEND強化訓練強化訓練任務分析采用ULN2003達林頓管電機驅(qū)動芯片，ULN2003芯片是高耐壓、大電流達林頓陣列，由7組達林頓晶體管陣列和相應的電阻網(wǎng)絡以及鉗位二極管網(wǎng)絡構(gòu)成，具有同時驅(qū)動7組負載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力，以便于驅(qū)動各種類型的負載。功率驅(qū)動電路是功率電子設備輸出電路的一個重要組成部分。ULN2003芯片高壓大電流達林頓晶體管陣列產(chǎn)品屬于可控大功率器件。對步進電機控制方便靈活。單片機的P1.0-P1.6連接ULN2003的輸入引腳，P3.4-P3.7連接四個獨立按鍵，一個啟動鍵，一個停止鍵，一個速度調(diào)節(jié)鍵，一個正反轉(zhuǎn)切換鍵。速度等級采用LED指示燈指示。原理圖如圖所示實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動速度的控制。采用STC89C52作為控制單元，通過鍵盤實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動速度的控制，并且將步進電機的轉(zhuǎn)動用四個LED燈指示。。強化訓練單片機主控電路原理圖步進電機驅(qū)動電路原理圖強化訓練步進電機控制系統(tǒng)的軟件需要同時完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制步進電機轉(zhuǎn)動、控制數(shù)碼管動態(tài)顯示等任務，這就必須通過中斷技術來實現(xiàn)。主程序可采用查詢方式掃描鍵盤端口，檢測按鍵動作是否發(fā)生，若有按鍵動作則處理鍵盤，根據(jù)按鍵值修改相應參數(shù)值，實現(xiàn)鍵盤的實時處理功能。定時器0中斷服務程序控制步進電機的轉(zhuǎn)動：根據(jù)當前顯示的速度進行鍵盤手動改變T0定時時間常數(shù)，設置TH0和TL0的值，達到對轉(zhuǎn)速精確控制的目的；根據(jù)轉(zhuǎn)動方向控制位的值，控制脈沖信號循環(huán)移動的方向，達到對轉(zhuǎn)動方向控制的目的。說明如下：