PIC單片機(jī)之步進(jìn)電機(jī)的工作原理及使用方法

大家好， 通過前一期的學(xué)習(xí)， 我們已經(jīng)對ICD2 仿真燒寫器和增強(qiáng)型PIC 實(shí)驗(yàn)板的使用方法及學(xué)習(xí)方式有所了解與熟悉，學(xué)會(huì)了如何用單片機(jī)來控制發(fā)光管、繼電器、蜂鳴器、按鍵、數(shù)碼管、RS232 串口等資源，體會(huì)到了學(xué)習(xí)板的易用性與易學(xué)性，看了前幾期實(shí)例，當(dāng)你實(shí)驗(yàn)成功后一定很興奮，很有成就感吧！現(xiàn)在我們就趁熱打鐵，再向上跨一步，一起來學(xué)習(xí)一下步進(jìn)電機(jī)的工作原理及使用方法，這是我們用單片機(jī)來控制機(jī)械進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的開始。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（步距角）。通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，可以達(dá)到準(zhǔn)確定位；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，達(dá)到調(diào)速的目的；可以通過改變各相的通電順序，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)

1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖嚴(yán)格成正比，因此，它沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。

2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。

3、速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得較大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速裝置而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。

那我們該如何來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)呢？直流電機(jī)我們只要在電機(jī)兩極加上電壓，電機(jī)馬上轉(zhuǎn)動(dòng)，但步進(jìn)電機(jī)并非這樣，它是數(shù)字控制方式，它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合單片機(jī)的控制。

一般一個(gè)完整的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)包括控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)三部分。框圖如圖1 所示：

圖1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

現(xiàn)在，我們以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，介紹其基本原理與應(yīng)用方法。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5 度。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁極的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。常用小型步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物如圖2 所示，該步進(jìn)電機(jī)可以直接與我們的增強(qiáng)型PIC 實(shí)驗(yàn)板相連，完成步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)。

圖2 步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖

步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式。

步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式一般分為1 相勵(lì)磁、2 相勵(lì)磁、1-2 相勵(lì)磁。

1 相勵(lì)磁時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按方式循環(huán)通電，每次只對一相通電，磁場旋轉(zhuǎn)一周需要換相4 次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。其通電方式最為簡單，轉(zhuǎn)矩最小。勵(lì)磁方式見表1。

表1 1相勵(lì)磁方式

2 相勵(lì)磁時(shí)，每次對兩相同時(shí)通電，磁場旋轉(zhuǎn)一周需要換相4 次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。在雙三拍工作方式中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋?img src="http://file.elecfans.com/web1/M00/BC/A1/pIYBAF68nrWAHReWAAAK2aJQw6M308.jpg" />；反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋?/p>

。雙三拍工作方式的優(yōu)點(diǎn)是：

可產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，不易產(chǎn)生失步。勵(lì)磁方式見表2。

表2 2相勵(lì)磁方式

1-2 相勵(lì)磁是1 相勵(lì)磁和2 相勵(lì)磁交替使用的方法。磁場旋轉(zhuǎn)一周需要換相8 次，轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，屬于半步的方式，也就是說1-2 相勵(lì)磁時(shí)的步距角比前兩種方式的步距角小一半，所以步進(jìn)精度提高了一倍。1-2 相勵(lì)磁方式見表3。

表3 1-2相勵(lì)磁方式

步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路有單極性直流驅(qū)動(dòng)和H 橋驅(qū)動(dòng)兩種，本例的小型步進(jìn)電機(jī)，采用最簡單的單極性直流驅(qū)動(dòng)電路，目的在于驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)的使用，在正式工業(yè)控制一般較之復(fù)雜。簡單驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)的單極性直流驅(qū)動(dòng)電路

在實(shí)際應(yīng)用中一般驅(qū)動(dòng)路數(shù)不止一路，用圖3的分立電路體積大，各路參數(shù)一致性難以保障。最好用現(xiàn)成的集成電路作為多路驅(qū)動(dòng)。常用的小型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以用ULN2003 或ULN2803。我們的實(shí)驗(yàn)板上用的是ULN2003。ULN2003 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。

ULN2003A 由7 組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成本例實(shí)際只用其中4組。ULN2003 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示，達(dá)林頓晶體管等效電路圖如圖5 所示。

圖4 ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖5 達(dá)林頓晶體管等效電路圖

ULN2003A 型高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路的典型應(yīng)用電路框圖如圖6 所示。鉗位二極管用于保護(hù)線圈通斷時(shí)的反電動(dòng)勢擊穿集成電路，可以看出，應(yīng)用ULN2003 后電路比分立元件簡潔得多。

通過前文的原理介紹，我們已經(jīng)對步進(jìn)電機(jī)的特性以及工作原理有了大致地了解，但當(dāng)我們拿到一個(gè)步進(jìn)電機(jī)時(shí)要正確地應(yīng)用它還是一時(shí)不知如何下手，比如我們現(xiàn)在要控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、高速運(yùn)轉(zhuǎn)、低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需要怎么辦呢？要控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，已不是像直流電機(jī)這么簡單，在電機(jī)兩端加上正反相電源就可以了，而是通過輸出不同規(guī)律的“正反轉(zhuǎn)”時(shí)序脈沖來實(shí)現(xiàn)控制。現(xiàn)在，我們來一起看一下如何進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，通過一個(gè)實(shí)例，相信會(huì)給大家?guī)硪粋€(gè)感性的認(rèn)識。

首先，我們來看一下增強(qiáng)型PIC 實(shí)驗(yàn)板上的步進(jìn)電機(jī)控制電路，因?yàn)槲覀冃枰獙④浖?a target="_blank">硬件相結(jié)合進(jìn)行考慮如何來編程。步進(jìn)電機(jī)控制部分的電路原理圖如圖7 所示。PIC 單片機(jī)的RD0~RD3 為電機(jī)脈沖輸出引腳，通過ULN2003 集成芯片來驅(qū)動(dòng)小型步進(jìn)電機(jī)，我們只要將步進(jìn)電機(jī)的插頭，直接插在板子J3 插座處即可。跳線J4 為我們?yōu)閷?shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)智能供電跳線，這樣實(shí)驗(yàn)板可以適用于不同工作電壓的步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)跳線跳到VCC 這端，則給步進(jìn)電機(jī)提供VCC +5V 的電源，我們現(xiàn)在做實(shí)驗(yàn)使用的步進(jìn)電機(jī)工作電壓是5V 的，所以我們跳線設(shè)置到VCC 這一端即可，如果用戶使用自己的步進(jìn)電機(jī)電壓不是5V 的，那可以將跳線跳到VIN 這一端，即用戶外部接入電源提供給步進(jìn)電機(jī)工作電壓。

對于單片機(jī)軟件的編程，我們使用MPLab IDE軟件來進(jìn)行C 語言編程，它是我們的編程環(huán)境，同時(shí)我們可以通過使用ICD2 仿真燒寫器和增強(qiáng)型PIC實(shí)驗(yàn)板連接進(jìn)行程序的仿真調(diào)試和燒寫步驟，具體的操作步驟，我們已經(jīng)在前幾期做了詳細(xì)的說明和介紹，在此就不再重復(fù)說明，讀者朋友可以參閱以前的文章或直接登陸我們的網(wǎng)站查看資料。現(xiàn)在我們可以輸入程序代碼進(jìn)行調(diào)試了，我們在MPLabIDE 軟件中新建工程，加入源程序代碼，同時(shí)進(jìn)行芯片型號的選擇和配置位的設(shè)置，我們實(shí)驗(yàn)所用的芯片型號為PIC16F877A。編寫的程序代碼如下：

/* 步進(jìn)電機(jī)演示程序 */

#include

#define key RB0

void delay（void）

{

int k;

for（k=0;k<2000;k++）；

}

void main（）

{

TRISD=0x00; // 設(shè)置RD 為輸出口

TRISB=0xFE;

// 設(shè)置RB0 為輸出口，RB1~RB7 為輸入口

PORTD=0x00; // 初始化RD 輸出低電平

key=1; // 設(shè)置按鍵為輸入狀態(tài)

while（1） // 主循環(huán)

{

if（key==1） // 如果沒有鍵按下則電機(jī)正轉(zhuǎn)

{

PORTD=0xFC; //1100

delay（）；

PORTD=0xF6; //0110

delay（）；

PORTD=0xF3; //0011

delay（）；

PORTD=0xF9; //1001

delay（）；

}

else // 如果有鍵按下則電機(jī)反轉(zhuǎn)

{

PORTD=0xFC; //1100

delay（）；

PORTD=0xF9; //1001

delay（）；

PORTD=0xF3; //0011

delay（）；

PORTD=0xF6; //0110

delay（）；

}

}

}

編好程序后，讀者朋友可以將編譯好的HEX通過ICD2 仿真燒寫器燒入單片機(jī)芯片，然后插上步進(jìn)電機(jī)，上電運(yùn)行，如圖8 所示。這時(shí)我們可以看到步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)開始正轉(zhuǎn)起來，如果我們這時(shí)按下K2 按鍵，則步進(jìn)電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，如果釋放了K2按鍵，那么步進(jìn)電機(jī)仍然繼續(xù)正轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。

圖8 步進(jìn)電機(jī)與增強(qiáng)型PIC實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行連接

前面，我們輸入了這么長一段程序后，作為初學(xué)者的讀者一定對有些語句會(huì)有點(diǎn)疑問，下面我們就來一起結(jié)果實(shí)際，看一下一些關(guān)鍵程序語句的作用。

#include 語句用來加載PIC 庫文件，#define key RB0 這條語句將RB0 宏定義為key，void delay （） 是延時(shí)函數(shù)，步進(jìn)電機(jī)在輸出正反轉(zhuǎn)時(shí)序時(shí)進(jìn)行延時(shí)，如要調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，我們只要調(diào)速這個(gè)延時(shí)函數(shù)的延時(shí)值即可。TRISD、TRISB 相關(guān)的語句用來設(shè)置RD、RB 口的輸入、輸出狀態(tài)，在此我們設(shè)置RD 為輸出口，用來給步進(jìn)電機(jī)輸出時(shí)序使用，RB 口中的RB0 設(shè)置為輸入口，因?yàn)樵摽谑俏覀儗?shí)驗(yàn)板上的按鍵，按鍵是輸入設(shè)備。然后賦值key=1，即把RB0 初值設(shè)置為1，當(dāng)沒有按鍵按下時(shí)，RB0 的值為1，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，RB0 的值為0， while（1） 是死循環(huán)語句，即周而復(fù)始地執(zhí)行{ } 內(nèi)的語句體，我們在死循環(huán)體內(nèi)不停地判斷key 這個(gè)變量，如果按鍵有沒有被按下，key 為1，同時(shí)我們在單片機(jī)RD 口輸出步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)的時(shí)序表，分別輸出 1100 、0110、 0011、 1001 這些信號，每串信號之間用delay 函數(shù)進(jìn)行延時(shí)，該延時(shí)值不能太快，否則步進(jìn)電機(jī)會(huì)無法響應(yīng)，具體設(shè)置多少合適，讀者朋友可以通過ICD2 在線調(diào)試時(shí)，修改延時(shí)值來進(jìn)行實(shí)際測試，觀察步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的速度控制；同理，如果按鍵被按下時(shí)，key 為0，同時(shí)我們在單片機(jī)RD 口輸出步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)序表，分別輸出 1100 、1001、0011、 0110 這些信號，可以發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

看到這里，相信你現(xiàn)在已經(jīng)可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行基本控制了，步進(jìn)電機(jī)的原理與使用我們講到這里，接下來幾期，我們將繼續(xù)一起學(xué)習(xí)增強(qiáng)型PIC實(shí)驗(yàn)板的其它各部分資源的原理與使用，使你對單片機(jī)應(yīng)用的各方面知識都有所入門與提高。