任务检测
项目九 单片机控制步进电机
项目描述
据资料统计，如今有90%的动力源来自电动机，我国生产的电能大约有60%用于电动机。电动机与人们的生活密切相关。步进电机作为机电一体化的关键产品之一，是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的控制电机，广泛应用于机器人、数控车床、打印机等工业控制系统中。本项目主要学习通过单片机实现对步进电机的基本控制，主要分为两个任务：任务一控制步进电机的基本运行；任务二控制升降机。通过以上任务的学习，让学生理解通过单片机控制步进电机的基本方法，为从事现代物联网智能家居系统维护及电气控制等方面的工作打下基础。
任务一 控制步进电机的基本运行
任务目标
◎ 理解四相六线步进电机的工作过程；
◎ 会编写步进电机的基本运行程序；
◎ 会绘制步进电机的控制电路图；
◎ 会调试仿真步进电机的基本运行程序及电路。
任务描述
单片机控制四相六线步进电机，先正转5圈，再反转5圈，然后停止。电路原理图如图9-1-1所示。
图9-1-1 电路原理图
知识链接
一、步进电机的分类
步进电机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式3类。电磁式步进电机按结构可分为反应式、永磁式和混合式三大类；其按相数则可分为单相、两相和多相3种。目前使用最广泛的是反应式和混合式步进电机。步进电机如图9-1-2所示。
图9-1-2 步进电机
●反应式步进电机（Variable Reluctance，VR）：其转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。
●永磁式步进电机（Permanent Magnet，PM）：其转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以步距角一般比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小（相比反应式），但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。
●混合式步进电机（Hybrid，HB）：综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子励磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料的工作点，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。
二、步进电机的结构及工作原理
步进电机由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一个矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一个角度，使得转子的一对磁极与定子沿着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每到来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。
根据电磁感应定律可知，激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，如图9-1-3所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场垂直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。
图9-1-3 电磁感应原理
步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。步进电机分为二相、三相、四相、五相等类型，常用的以二相、四相为主。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍3种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。四相单四拍为A-B-C-D-A步距角为1.8°；四相双四拍为AB-BC-CD-DA-AB步距角为1.8°；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB步距角为0.9°。
四相步进电机示意图如图9-1-4所示，开始时，开关 SB 接通电源，SA、SC、SD断开，B 相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿和 D、A 相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、B、C、D 方向转动。
图9-1-4 四相步进电机示意图
四相单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图4-1-5所示。
图9-1-5 工作时序图
三、7路反向器ULN2003A
ULN2003A是一个7路反向器，如图9-1-6所示。当输入端为高电平时，ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时，ULN2003A输出端为高电平。由于ULN2003A是集电极开路输出，为了让这个二极管起到续流作用，必须将COM引脚（9）接在负载的供电电源上，只有这样才能够形成续流回路。其广泛应用于步进电机驱动、显示驱动、继电器驱动等电路中。
图9-1-6 7路反向器ULN2003A
任务实施
一、任务分析
本任务中步进电机选用的是六线四相步进电机，为了提高精度，采用四相八拍工作方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，步角为0.9°，步进电机转一圈需要400个脉冲。若步进电机按正序换相通电时，实现正转；如果按反序通电换相A-AD-D-DC-C-BC-B-BA-A时，步进电机反转。步进电机正反转编码见表9-1-1。（A、B、C、D通过ULN2003A连接单片机P2端口的低4位，高4位取“0”）
表9-1-1 步进电机正反转编码
续表
二、程序设计
程序执行流程图如图9-1-7所示。步进电机反转n圈时，只需调用反转的数组“P2 =REV［j］；”即可。
参考程序：
图9-1-7 程序流程图
三、电路仿真
1.编写程序
打开Keli软件，新建“step”工程文件，新建“step.c”文件，编写程序并生成hex文件。编写完成的部分程序如图9-1-8所示。
图9-1-8 编写程序
2.绘制电路
打开Proteus软件，创建“步进电机”文件，放置元器件，所需元件见表9-1-2。绘制完成的电路图如图9-1-9所示。
表9-1-2 元件清单
图9-1-9 绘制电路图
3.电路仿真
双击单片机，加载hex文件，单击“仿真”按钮，进行电路程序仿真，仿真结果如图9-1-10所示。
图9-1-10 仿真结果
仿真视频
仿真结果显示：步进电机正转5圈，然后反转5圈后停止。
学习评价与总结
一、学习评估
二、学习总结
（1）你的收获有哪些？
（2）你还有哪些知识没有掌握好？
任务拓展
单片机控制四相六线步进电机正转3圈，再反转3圈，然后停止（工作方式采用四相双四拍）。电路图如图9-1-1所示。
提示：四相双四拍工作方式为：AB-BC-CD-DA-AB（正转）；BA-AD-DC-CB-BA（反转）。
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一、填空题
1.从广义上讲，步进电机的类型分为_________、_________和_________三大类型。
2.八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的__________ ，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
3.步进电机的基本控制包括__________控制和__________控制。
4.电磁式步进电机可分为__________、__________和__________三大类。
5.反应式步进电机有__________式和__________式两种类型。
6.步进电机由_________和_________组成，可以对_________和_________进行高精度控制。
7.四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为__________、__________、八拍3种工作方式。
8.单四拍与双四拍的步距角_________，但单四拍的转动力矩小。
9.四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB步距角为_________度。
10. ULN2003A是一个7路__________。
二、判断题
1.四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB步距角为1.8°。 （ ）
2.双四拍工作方式为：AB-BC-CD-DA-AB（正转）；BA-AD-DC-CB-BA（反转）。（ ）
3.步进电机按相数分则可分为单相、两相和多相3种。 （ ）
4.单四拍与双四拍的步距角不相等。 （ ）
5.八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半。 （ ）
三、综合题
分别写出步进电机四相单四拍、四相双四拍、四相八拍工作方式的编码。
任务二 制作升降机
任务目标
◎ 理解步进电机正反转控制的程序流程图；
◎ 会绘制步进电机正反转控制电路图；
◎ 会编写步进电机正反转控制程序；
◎ 会调试仿真步进电机正反转控制程序电路。
任务描述
利用步进电机制作一个升降机，按键控制升、降及停止过程。电路原理图如图9-2-1所示。其功能如下：
当K1按下时，步进电机正转、升降机上升，相应的指示灯D1亮；
当K2按下时，步进电机反转、升降机下降，相应的指示灯D2亮；
当K3按下时，步进电机停止，升降机停止，相应的指示灯D3亮。
图9-2-1 升降机电路原理图
任务实施
一、任务分析
根据图9-2-1分析可知，按键K1、K2、K3分别控制步进电机的正转、反转及停止。步进电机的运行状态由发光二极管D1、D2和D3指示。本任务为四相六线步进电机，采用四相八拍的工作方式。其正反转数组编码为：
uchar code FFW［8］={0x01，0x03，0x02，0x06，0x04，0x0c，0x08，0x09}；//步进电机正转
uchar code REV［8］={0x09，0x08，0x0c，0x04，0x06，0x02，0x03，0x01}；//步进电机反转
二、程序设计
程序执行流程如图9-2-2所示。
图9-2-2 程序流程图
参考程序：
三、电路仿真
1.编写程序
打开Keil软件，新建“stepzf”工程文件，新建“stepzf.c”文件，编写程序并生成hex文件。编写完成的部分程序如图9-2-3所示。
图9-2-3 编写程序
2.绘制电路
打开Proteus软件，创建“步进电机正反转控制”文件，放置元器件，所需元件见表9-2-1。绘制完成的电路图如图9-2-4所示。
表9-2-1 元件清单
图9-2-4 编制电路图
3.电路仿真
双击单片机，加载hex文件，单击“仿真”按钮进行仿真，仿真结果如图9-2-5所示。
仿真结果显示：初始状态步进电机处于停止状态，停止指示灯亮，按下K1时，步进电机开始正转，正转指示灯亮；按下K3时，步进电机停止，再按下K2时，步进电机开始反转，反转指示灯亮。
仿真视频
图9-2-5 仿真结果
学习评价与总结
一、学习评估
二、学习总结
（1）你的收获有哪些？
（2）你还有哪些知识没有掌握好？
任务拓展
提示：步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制。在步进电机控制系统中，如果信号变化太快，步进电机由于惯性跟不上电信号的变化，这时就会产生丢步和堵转现象。所以，步进电机在启动时，必须有加速过程，在停止时，必须有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个减速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机加减速过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短加减速的时间，并可防止失步和过冲现象。
在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为启动频率；“停止频率”是指系统控制信号突然中断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，才能有效地对电机进行加减速控制。
用单片机实现步进电机的加减速控制，实际上就是控制脉冲的频率。加速时，使脉冲频率增高，减速时则相反。如果使用定时中断来控制电机的速度，加减速控制就不断改变定时器的初值。
电路图如图9-2-1所示，当K1按下时，步进电机加速运转，加速指示灯D1亮；当K2按下时，步进电机减速运转，减速指示灯D2亮；当K3按下时，步进电机停止运转，停止指示灯D3亮。根据以上功能进行程序设计，并完成程序仿真调试。
任务检测
综合题
单片机控制四相步进电机，当K1按下时，步进电机正转，4位数码管显示：- - 0 0；当K2按下时，步进电机反转，4位数码管显示：- - 0 1；当K3按下时，步进电机停止，4位数码管显示：- - - -。根据功能设计程序，并完成程序仿真和调试，电路图如图9-2-6所示。
图9-2-6 电路图
