[嵌入式]单片机学习 10-步进电机

步进电机

本次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。学习本章可以参考前面的实验章节内容。

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。

? 右手螺旋定则，如A电流是在螺线管中是从左往右流的，所以电流产生的磁场上面是N极

? 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低电平，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 ? 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。比如发送三个脉冲，只接收到两个。
? 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

VCC连接步进电机的公共端，out分别连接A，B，C，D四个极。

软件编程

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#include"reg52.h"

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

//按教程的参数表来分配
sbit IN1_D=P1^0;//橙
sbit IN1_C=P1^1;//黄
sbit IN1_B=P1^2;//粉
sbit IN1_A=P1^3;//蓝

sbit KEY1=P3^0;//这是A5-A7的对应分配.而A2-A4中的P31指定连接KEY1，P30指定连接KEY2
sbit KEY2=P3^1;
sbit KEY3=P3^2;
sbit KEY4=P3^3;

#define KEY1_PRESS 1
#define KEY2_PRESS 2
#define KEY3_PRESS 3
#define KEY4_PRESS 4
#define KEY_UNPRESS 0

#define STEPMOTOR_MAXSPEED 1
#define STEPMOTOR_MINSPEED 5
void delay_1ms(u16 ms)
{
	u16 i,j;
	for(i=ms;i>0;i--)
		for(j=110;j>0;j--);//注意分号
}
void delay_10us(u16 ten_us)
{
		while(ten_us--);
}

u8 key_scan(u8 mode)
{
	static u8 key=1;
	
	if(mode)key=1;//mode为假，单次扫描；mode为真，多次扫描
	if(key==1&&(KEY1==0||KEY2==0||KEY3==0||KEY4==0))
	{
				delay_10us(10000);//消抖处理10ms
				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)//按键松开
		{
			key=1;
		}	
		return KEY_UNPRESS;//返回0
}	

void step_motor_28BYJ48_send_pulse(u8 step,u8 dir)//step为步数,dir为方向
{	
	u8 temp=step;
	if(dir==0)//如果为0就反方向转动
		temp=step-7;
	 switch(temp)
	 {
			case 1: IN1_A=1;IN1_B=0;IN1_C=1;IN1_D=0;break;
			case 2: IN1_A=1;IN1_B=1;IN1_C=0;IN1_D=0;break;
			case 3: IN1_A=1;IN1_B=1;IN1_C=0;IN1_D=1;break;
			case 4: IN1_A=1;IN1_B=0;IN1_C=0;IN1_D=1;break;
			case 5: IN1_A=1;IN1_B=0;IN1_C=1;IN1_D=1;break;
			case 6: IN1_A=0;IN1_B=0;IN1_C=1;IN1_D=1;break;
			case 7: IN1_A=0;IN1_B=1;IN1_C=1;IN1_D=1;break;
			case 8: IN1_A=0;IN1_B=1;IN1_C=1;IN1_D=0;break;
	 }
}
void main()
{
		u8 key=0;//保存变量返回值
		u8 dir=0;
		u8 step=0;
		u8 speed=STEPMOTOR_MAXSPEED;
		while(1)
		{
		key=key_scan(0);
		if(key==KEY1_PRESS)
			dir=!dir;
		else if(key==KEY2_PRESS)//加速
		{
			if(speed>STEPMOTOR_MAXSPEED)
				speed--;
		}
		else if(key==KEY2_PRESS)//减速
		{
			if(speed<STEPMOTOR_MINSPEED)
				speed++;
		}
		step_motor_28BYJ48_send_pulse(++step,dir);
		if(step==8)step=1;
		delay_1ms(speed);
	}
}