步进电机及其控制讲义

步进电机及其控制
【实验目的】
熟悉步进电机的结构和驱动方式
掌握用AT89S52来控制步进电机的方法
进一步熟悉EDA实验平台
【实验器材】
EDA实验箱、PC机、DB25-ISP下载线、USB转换线、
USB-BLASTER编程器等
软件：Quatus II 、Keil uVision2、ISPlay等
【实验原理】
步进电机(stepping motor)是一种以脉冲控制的转动设备，由于是以脉冲驱动，很适合以数字或微型计算机来控制，做一又把它当成是一种数字设备。

1、步进电机的结构：
步进电机与一般电机结构类似，除了托架、外壳之外，就是转子和定子，比较特殊的是其转子与定子上有许多细小的齿，如图1所示。

转子为永久磁铁，线圈绕在定子上。

根据项圈的配置，步进电机可以分为2相、4相、5相等，如图2所示。

比较常用的是2相的步进电机。

其中包括两组具有中间抽头的线圈，A、com1、A为一组，B、com2、B为另一组。

两相5线式步进电机就是将其中的com1和com2连接。

图1：步进电机的基本结构图2：步进电机的种类
2、步进电机步进角度的计算
顾名思义，步进电机就是一步步走的电机，其转子与定子的齿，决定了其每布的间距。

如图3所示。

图3：步进电机的齿间距
若转子上有N 个齿，则其齿间距θ为：
N
360︒
==转子齿间距θ
而步进角度δ为：
P
22θ
δ=⨯=
相数转子齿间距
以常用的2相式50齿步进电机为例，
θ=360°/50=7.2°
δ=7.2°/(2×2)=1.8°
3、步进电机的驱动:
步进电机的驱动是靠定子线圈激磁后，将邻近转子上相异磁极吸引过来实现的。

因此，线圈排列的顺序，以及激磁信号的顺序就很重要。

以2相式步进电机为例，其驱动信号有1相驱动、2相驱动和1-2相驱动三种。

图4：步进电机的驱动方式：1相驱动、2相驱动和1-2相驱动。

（1）、1相驱动：
任何一个时间，只有一组线圈被激磁，其他线圈在休息，因此产生的力矩较小，但这种激磁方式最简单，信号依次为：
1000-0100-0010-0001-1000……（正转）
0001-0010-0100-1000-0001……（反转）
有四种不同的信号呈现周期性的变化。

在AT89S52中产生这种信号，以正转为例，可以先输出“0001”，，经过一小段时间延迟后，让步进电机有足够的时间建立磁场及转动，再输出“0100”，延时…依次循环输出这四种信号即可。

（2）、2相驱动：
任何一个时间，有两组线圈同时被激磁，因此，产生的力矩比1相驱动要大。

其信号依次为：1100-0110-0011-1001-1100……（正转）
1100-1001-0011-0110-1100……（反转）
信号输出方式与1相驱动类似。

（3）、1-2相驱动：
1-2相驱动的方式又称为“半步驱动”，每个驱动信号只驱动半步。

其驱动信号依次为：1001-1000-1100-0100-0110-0010-0011-0001……（正转）
1001-0001-0011-0010-0110-0100-1100-1000……（反转）
共有8种信号成周期性的变化,仔细观察可以发现其中的信号是将1相驱动和2相驱动的信号混合而成的。

具体应用时根据不同型号的步进电机采用不同的驱动方式，本EDA实验箱中的步进电机采用1相驱动的方式进行驱动。

4、转速控制
控制步进电机的运行速度，实际上是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期，即在加速的过程中，使脉冲的输出频率增加；在减速过程中，使脉冲的输出频率减小。

脉冲信号的频率可以用软件延时来确定。

5、步进电机的驱动电路
AT89S52的输出电流很难驱动步进电机，必须另外设计驱动电路才行，在此我们将采用ULN2003(如图5)驱动步进电机。

一颗ULN2003系列IC包含7个开集极式输出的反相器，而在每个输出端都有一个连接到公共端（VCC）的二极管，作为放电保护电路，每组反相器的内部电路如图6.
图5:ULN2003
图6:内部电路
【实验内容】
原理图:
1、根据EDA步进电机步进角度，计算出该步进电机的齿间距和齿数，填入表1；
齿数齿间距步进角度
15°
2、步进电机的步进和特定角度旋转
（1）将“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\步进电机实验底层驱动”路径下“LCD1602.sof”文件烧入FPGA中。

具体步骤如下：
a)用USB转换线将 USB BLASTER 与PC机相连，USB BLASTER的另一端连接到FPGA
核心板右下角J12口。

如果连接正常，USB BLASTER绿灯点亮。

b)双击“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\步进电机实验底层驱动”路径下
“LCD1602.qpf”文件,启动Quartus II；
c)单击菜单栏中 Tools\Programmer ,打开FPGA程序下载窗口；
d)单击界面右上角“Hardware Setup”，在“Currently selected Hardware”下拉列
表中选择“USB-Blaster[USB-0]”，激活USB-Blaster，单击“close”关闭；
e)单击“Add File”，路径选择“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\步进电机实验
底层驱动”,选中文件“LCD1602.sof”，勾选Program/Configure；
f)给EDA主板供电，单击“start”，将底板驱动程序烧录到FPGA中。

g)烧录后不要断电，断电后程序会丢失，需要重新烧录。

（2）利用“程序一.c”代码，创建keil工程，生成“程序一.hex”文件
具体步骤如下：
a)单击“开始\程序”,启动Keil uVision2；
b)单击“Project\New Project”,创建新工程；
c)新工程保存路径为“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\程序一”，工程名设为“工
程一”，单击“保存”；
d)在弹出的“器件选择窗口”中，
选择“Atmel\AT89S52”，单击“确定”；
e)右键单击窗口右边列表栏中“Source Group 1”，选择“Add File to Group
‘Source Group 1’”；
f)选中“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\程序一”路径下“程序一.c”,单击
“Add”，然后单击“close”；
g)双击“程序一.c”，打开该文件。

h)单击窗口左上角“Build Target”按键，编译程序一；
i)单击窗口左上角图标，选中“output”面板，选中“Creative HEX…”,
单击“确定”。

j)再次单击窗口左上角“Build Target”按键，将生成“程序一.Hex”文件；
k)在路径“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\程序一”下，已经生成“程序一.Hex”
文件。

（3）将程序一.hex 烧入单片机
具体步骤如下：
a)用DB25-ISP下载线连接单片机ISP程序下载口（EDA主板右下角J15口）和PC机
并口，EDA主板右下角S8拨码开关全部拨向ON；
b)在桌面双击图标，启动ISPlay；
c)单击“检测器件”，听到“嘀嘀嘀”，表示器件检测成功；
d)单击“文件”，选择“桌面\EDA实验-51部分-步进电机实验\程序一”路径下“程序
一.hex”,单击“打开”；
e)单击“AUTORUN！”，完成程序的下载；下载完成会听到“嘀嘀嘀”的响声。

完成表2：
3、设计性实验
步进电机正、反、加速、减速转动控制
通过按键控制步进电机的正转、反转、加速、减速、停止和转动等动作。

【实验要求】
1.根据实验内容，填写表1、表2。

2.分析程序，按要求将程序代码记录在报告上，并将程序编译运行烧录到单
片机内，记录运行结果。

3.记录实验后的收获和体会。

思考题：
1相驱动信号为0001-0010-0100-1000-0001……（正转），而程序中驱动信号为motorshun[8]={0xF2,0xF1,0xF4,0xF8,0xF2,0xF1,0xF4,0xF8}，为什么顺序不对应？
2写入程序后，步进电机没有反映，系统不工作，有哪些可能的原因？。