PIC-步进电机.doc

轻松学PIC之步进电机篇 大家好， 通过前一期的学习， 我们已经对ICD2 仿真烧写器和增强型PIC 实验板的使用方法及学习方式有所了解与熟悉，学会了如何用单片机来控制发光管、继电器、蜂鸣器、按键、数码管、RS232 串口等资源，体会到了学习板的易用性与易学性，看了前几期实例，当你实验成功后一定很兴奋，很有成就感吧！现在我们就趁热打铁，再向上跨一步，一起来学习一下步进电机的工作原理及使用方法，这是我们用单片机来控制机械进行运动的开始。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机就按设定的方向转动一个固定的角度（步距角）。通过控制脉冲个数来控制角位移量，可以达到准确定位；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，达到调速的目的；可以通过改变各相的通电顺序，控制步进电动机的转动方向。 步进电机的特点 1、步进电动机的角位移与输入脉冲严格成正比，因此，它没有累计误差，具有良好的跟随性。 2、步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 3、速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得较大转矩，因此，一般可以不用减速装置而直接驱动负载。 4、步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。 那我们该如何来控制步进电机转动呢？直流电机我们只要在电机两极加上电压，电机马上转动，但步进电机并非这样，它是数字控制方式，它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度，因此非常适合单片机的控制。 一般一个完整的步进电机控制系统包括控制器、驱动器、电机三部分。框图如图1 所示： 图1 步进电机控制系统 现在，我们以反应式步进电机为例，介绍其基本原理与应用方法。反应式步进电机可实现大转矩输出，步进角一般为1.5 度。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁极的变化产生转矩。常用小型步进电机的实物如图2 所示，该步进电机可以直接与我们的增强型PIC 实验板相连，完成步进电机控制实验。 图2 步进电机实物图 步进电机的励磁方式。 步进电机的励磁方式一般分为1 相励磁、2 相励磁、1-2 相励磁。 1 相励磁时，步进电动机按方式循环通电，每次只对一相通电，磁场旋转一周需要换相4 次，转子转动一个齿距角。其通电方式最为简单，转矩最小。励磁方式见表1。 表1 1相励磁方式 2 相励磁时，每次对两相同时通电，磁场旋转一周需要换相4 次，转子转动一个齿距角。在双三拍工作方式中，步进电动机正转的通电顺序为：；反转的通电顺序为： 。双三拍工作方式的优点是： 可产生较大的转矩，不易产生失步。励磁方式见表2。 表2 2相励磁方式 1-2 相励磁是1 相励磁和2 相励磁交替使用的方法。磁场旋转一周需要换相8 次，转子才转过一个步距角，属于半步的方式，也就是说1-2 相励磁时的步距角比前两种方式的步距角小一半，所以步进精度提高了一倍。1-2 相励磁方式见表3。 表3 1-2相励磁方式 　　步进电机应用驱动电路 　　步进电机的驱动电路有单极性直流驱动和H 桥驱动两种，本例的小型步进电机，采用最简单的单极性直流驱动电路，目的在于验证步进电机的使用，在正式工业控制一般较之复杂。简单驱动电路如图3所示。 图3 步进电机的单极性直流驱动电路 　　在实际应用中一般驱动路数不止一路，用图3的分立电路体积大，各路参数一致性难以保障。最好用现成的集成电路作为多路驱动。常用的小型步进电机驱动电路可以用ULN2003 或ULN2803。我们的实验板上用的是ULN2003。ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。 　　ULN2003A 由7 组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成本例实际只用其中4组。ULN2003 内部结构如图4 所示，达林顿晶体管等效电路图如图5 所示。 图4 ULN2003内部结构图 图5 达林顿晶体管等效电路图 　ULN2003A 型高压大电流达林顿晶体管阵列电路的典型应用电路框图如图6 所示。钳位二极管用于保护线圈通断时的反电动势击穿集成电路，可以看出，应用ULN2003 后电路比分立元件简洁得多。 　　通过前文的原理介绍，我们已经对步进电机的特性以及工作原理有了大致地了解，但当我们拿到一个步进电机时要正确地应用它还是一时不知如何下手，比如我们现在要控制电机正转、反转、高速运转、低速运转时，需要怎么办呢？要控制步进电机进行正反转，已不是像直流电机这么简单，在电机两端加上正反相电源就可以了，而是通过输出不同规律的“正反转”时序脉冲来实现控制。现在，我们来一起看一下如