正反转可控的步进电机

环境

软件

• uVision V4.02
• ISIS Professional 7.8

芯片

• AT89C51
• ULN2803

实现效果

通过按钮控制电机顺时针或逆时针旋转

相关代码及资源

https://github.com/duganlx/DSP

操作小记

步进电机介绍

原理

步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离

特点

• 来一个脉冲，转一个步距角
• 控制脉冲频率，可控制电机转速
• 改变脉冲顺序，改变转动方向
• 角位移量或线位移量与电脉冲数成正比

种类

通常按励磁方式分为三大类：

• 反应式：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广
• 永磁式：转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大
• 感应子式(混合式)： 开小齿，混合反应式与永磁式优点：转矩大、动态性能好、步距角小

我们以反应式为例来说明

结构

步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成。定、转子铁心由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构，定、转子磁极上均有小齿，定、转子的齿数相等。其中定子有六个磁极,定子定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组，每两个相对的磁极为一相，组成一相控制绕组,转子上没有绕组。转子上相邻两齿间的夹角称为齿距角
注意：步进电机通的是直流电脉冲

工作方式

步进电机的工作方式可分为三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等

三相单三拍

• 三相绕组联接方式：Y 型
• 三相绕组中的通电顺序为
  • A相 --> B相 --> C相 --> A相
  • A相 --> C相 --> B相 --> A相
• 工作方式
  
  结合上图，A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、定子的齿对齐停止转动。即 A相通电使转子1、3齿和AA‘对齐
  
  B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30^o
  
  C相通电再转30^o
  这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍
• 特点
  • 每来一个电脉冲，转子转过 30^o。此角称为步距角
  • 转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向

三相单双六拍

• 通电顺序为：A -> AB -> B -> BC -> C -> CA -> A共六拍
• 工作过程如下：
  
  A相通电，转子1、3齿和A相对齐
  
  A、B相同时通电
  BB’ 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动
  AA’ 磁场继续对1、3齿有拉力
  所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA’ 通电，转子转了15°
  
  B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15°
  总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15°

三相双三拍

• 通电顺序：AB -> BC -> CA -> AB共三拍
• 工作过程如下：
  
  以此类推，每通一个电脉冲，转子转过30°

以上三种工作方式，三相双三排和三相单双六排较三相单三拍稳定，因此较常采用

步距角

步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角

转速

每分钟转过的圆周数，即转速为：

步距角一定时，通电状态的切换频率越高，即脉冲频率越高时，步进电动机的转速越高。脉冲频率一定时，步距角越大、即转子旋转一周所需的脉冲数越少时，步进电动机的转速越高

矩阵特性

步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率之间的关系称为矩频特性

驱动

步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成

代码编写

引入库文件

#include
#include
#include
#include
#include

宏定义

#define INT8U unsigned char
#define INT16U unsigned int

全局变量

sbit FFW_KEY=P3^0;
sbit REV_KEY=P3^1;
sbit STOP_KEY=P3^2;

//0000_0001 A->AB->B->BC->C->CD->D->AD
INT8U code FFW_ARR[]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0C,0x08,0x09}; 
//0000_1001 AD->D->CD->C->BC->B->AB->A
INT8U code REV_ARR[]={0x09,0x08,0x0C,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};

说明

延时函数

/**
*延时
*
*@param x 延时时间
*@return
*/
void delay_ms(INT16U x)
{
	INT8U t=120;
	while(x--)
		while(t--);
}

顺时针旋转函数

/**
*顺时针旋转
*
*@param n 旋转圈数
*@return
*/
void STEP_FFW(INT8U n)
{
	INT8U i,j;
	
	for(i=0; i<5*n; i++)
	{
		for(j=0; j<8; j++) //8*9=72
		{
			P1=FFW_ARR[j];
			delay_ms(60);
			
			if(STOP_KEY==0) 
				return;
		}
	}
}

逆时针旋转函数

/**
*逆时间旋转
*
*@param n 旋转圈数
*@return
*/
void STEP_REV(INT8U n)
{
	INT8U i,j;
	
	for(i=0; i<5*n; i++)
	{
		for(j=0; j<8; j++)
		{
			P1=REV_ARR[j];
			delay_ms(60);
			
			if(STOP_KEY==0) 
				return;
		}
	}
}

主函数

void main()
{
	INT8U n = 1;
	
	while(1)
	{
		if(FFW_KEY==0)
		{
			P0=0xFE; // 1111_1110
			STEP_FFW(n);
		}
		else if(REV_KEY==0)
		{
			P0=0xFD; // 1111_1101
			STEP_REV(n);
		}
		else
		{
			P0=0xFB; // 1111_1011
		}
	}
}

说明