人若无名 便可潜心练剑.|
收藏闪存小组博问

hazy1k

园龄：7个月粉丝：14关注：0

📂STC8051
🔖51单片机
2024-08-20 09:45阅读: 50评论: 0推荐: 0

第14章 步进电机实验

第十四章 步进电机实验

1. 导入

前面章节， 我们介绍了直流电机的控制， 本章将向大家介绍步进电机， 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。 本章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。

2. 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。

屏幕截图 2024 06 07 101845

和其他芯片一样，我们只要会用就行，至于什么结构，将来专业课会介绍步进电机_百度百科 (baidu.com)

3. 步进电机工作原理

过于专业，我们不讨论，想要了解可以参考一下：

步进电机基本原理及驱动方式详解_步进电机驱动器细分原理-CSDN博客

图解: 步进电机原理与驱动方式 - 知乎 (zhihu.com)

4相5线步进电机驱动原理_四相五线步进电机工作原理-CSDN博客

4. 步进电机技术指标

4.1 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） 。

  • 静转距：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。

4.2 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。

  • 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。

  • 运行转距特性：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。

更多可以参考：步进电机参数解读（主要技术参数）_旋转步进电机 - 鸣志官网 (moons.com.cn)

步进电机型号，尺寸，参数表（CK3）－中国步进电机网 (zgbjdj.com)

5. 28BYJ-48步进电机简介

我们做实验用到的步进电机为：28BYJ-48 步进电机，该步进电机自带减速器，为四相无线步进电机，直径为28mm，实物图及内部结构如下：

屏幕截图 2024 06 07 103809

28BYJ48 步进电机旋转驱动方式如下表：

屏幕截图 2024 06 07 103913

28BYJ48 步进电机主要参数如下所示：

屏幕截图 2024 06 07 104204

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：

屏幕截图 2024 06 07 104308

6. 硬件设计

本实验使用到硬件资源如下：

  • 步进电机驱动模块

  • 28BYJ-48 步进电机

该电路在前面直流电机实验中已介绍， 此处不再重复。

7. 软件设计

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

#include <REGX52.H>

//定义ULN2003控制步进电机管脚
sbit IN1_A = P1^0;
sbit IN2_B = P1^1;
sbit IN3_C = P1^2;
sbit IN4_D = P1^3;

//定义独立按键控制脚
sbit KEY1 = P3^1;
sbit KEY2 = P3^0;
sbit KEY3 = P3^2;
sbit KEY4 = P3^3;

//使用宏定义独立按键按下的键值
#define KEY1_PRESS    1
#define KEY2_PRESS    2
#define KEY3_PRESS    3
#define KEY4_PRESS    4
#define KEY_UNPRESS   0

// 定义步进电机速度，值越小，速度越快（1~5）
#define STEPMOTOR_MAXSPEED    1  
#define STEPMOTOR_MINSPEED    5      

void delay_10us(unsigned int ten_us)
{
    while(ten_us--);    
}

void delay_ms(unsigned int ms)
{
    unsigned int i,j;
    for(i=ms;i>0;i--)
        for(j=110;j>0;j--);
}

// 发送脉冲函数
void motor_28BYJ48_send(unsigned char step, unsigned char dir)
{
    unsigned char temp = step; // 定义临时变量为步进序号

    if(dir == 0) // 如果为逆时针旋转
    {
        temp = 7 - step; // 调换节拍信号
    }

    switch(temp) // 8个节拍控制：A->AB->B->BC->C->CD->D->DA
    {
        case 0: 
            IN1_A=1;IN2_B=0;IN3_C=0;IN4_D=0;
            break;
        case 1: 
            IN1_A=1;IN2_B=1;IN3_C=0;IN4_D=0;
            break;
        case 2: 
            IN1_A=0;IN2_B=1;IN3_C=0;IN4_D=0;
            break;
        case 3: 
            IN1_A=0;IN2_B=1;IN3_C=1;IN4_D=0;
            break;
        case 4: 
            IN1_A=0;IN2_B=0;IN3_C=1;IN4_D=0;
            break;
        case 5: 
            IN1_A=0;IN2_B=0;IN3_C=1;IN4_D=1;
            break;
        case 6: 
            IN1_A=0;IN2_B=0;IN3_C=0;IN4_D=1;
            break;
        case 7: 
            IN1_A=1;IN2_B=0;IN3_C=0;IN4_D=1;
            break;
        default: 
            IN1_A=0;IN2_B=0;IN3_C=0;IN4_D=0;
            break; // 停止相序    
    }            
}

// 按键扫描函数
unsigned char key_scan(int mode)
{
    static int key = 1; // 静态变量

    if(mode)key = 1; // 连续扫描按键
    if(key == 1 && (KEY1 == 0 || KEY2 == 0 || KEY3 == 0|| KEY4 == 0)) // 代表任意按键按下
    {
        delay_10us(1000); // 消抖
        key = 0;
        if(KEY1 == 0) // 代表按键1按下
            return KEY1_PRESS;
        else if(KEY2 == 0) // 代表按键1按下
            return KEY2_PRESS;
        else if(KEY3 == 0) // 代表按键3按下
            return KEY3_PRESS;
        else if(KEY4 == 0) // 代表按键4按下
            return KEY4_PRESS;    
    }
    else if(KEY1 == 1 && KEY2 == 1 && KEY3 == 1 && KEY4 == 1) // 代表无按键按下
    {
        key = 1;            
    }
    return KEY_UNPRESS;        
}

void main()
{    
    int key = 0;
    int dir = 0; // 默认逆时针方向
    int speed = STEPMOTOR_MAXSPEED; // 默认最大速度旋转
    int step = 0;

    while(1)
    {            
        key = key_scan(0);
        if(key == KEY1_PRESS) // 换向
        {
            dir = !dir; // 方向反转    
        }
        else if(key == KEY2_PRESS) // 加速
        {
            if(speed>STEPMOTOR_MAXSPEED) // 如果速度不为最大速度，加速
                speed -= 1;            
        }
        else if(key == KEY3_PRESS)//减速
        {
            if(speed < STEPMOTOR_MINSPEED) // 如果速度不为最小速度，减速
                speed +=1;            
        }
        motor_28BYJ48_send(step++, dir);
        if(step == 8)
        {
            step = 0;    
        }    
        delay_ms(speed);                        
    }        
}

8. 小结

关于步进电机我们其实不必了解那么细致，我们只需要会驱动它工作就行咯，下面详细解释一下代码，相信你就能学会了：

8.1 脉冲函数

  1. 参数说明
  • step: 表示步进电机的步进序号，取值范围是0到7。每个步进序号对应步进电机转动的一种状态。
  • dir: 表示步进电机的转动方向，通常用 0 和 1 表示不同的方向。
  1. 步进电机控制
  • 函数使用了一个 switch 语句根据 step 的值设置四个控制引脚 IN1_A、IN2_B、IN3_C、IN4_D 的状态，以控制步进电机 ULN2003 驱动模块的输入信号。每个 case 分支对应于步进电机的一个步进状态，具体如下：
    • step = 0 到 step = 7 分别设置不同的引脚状态，通过改变这些状态，可以控制步进电机的每一步转动。
    • default 分支用于在超出范围时设置所有引脚为低电平，以确保安全。
  1. 延时控制
  • 使用 for 循环和 delay_10us 函数来控制每个步进状态的时间长度。具体的延时时间由 STEPMOTOR_MAXSPEED 和 STEPMOTOR_MINSPEED 宏定义决定，这些宏定义在主程序中设置步进电机的最大速度和最小速度。

这个函数的核心功能是根据输入的步进序号和方向，通过控制四个引脚的电平状态，向步进电机发送脉冲信号，从而实现步进电机的精确控制。

8.2 按键扫描函数

参数:

  • mode: 整型参数，用于指示是否进行连续扫描。如果 mode 非零，则进行连续扫描；否则只进行一次按键检测。

静态变量:

  • static int key = 1;: 使用静态变量 key 来记录当前的按键状态，初始值为 1。静态变量的作用是保留其数值，在函数调用之间保持持久性。

按键检测流程:

  1. 连续扫描模式处理: 如果 mode 参数为真（非零），则重置 key 变量为 1，表示将进行连续的按键扫描。

  2. 按键检测:

  • 如果 key 等于 1，并且任意一个按键（KEY1、KEY2、KEY3、KEY4）被按下（输入为低电平），则执行以下操作：
    • 调用 delay_10us(1000); 函数进行按键消抖（即延时一段时间以确保稳定的按键状态）。
    • 将 key 设为 0，表示已经检测到按键按下。
    • 根据每个按键的状态，分别返回预定义的按键值：
      • 如果 KEY1 为低电平，则返回 KEY1_PRESS。
      • 如果 KEY2 为低电平，则返回 KEY2_PRESS。
      • 如果 KEY3 为低电平，则返回 KEY3_PRESS。
      • 如果 KEY4 为低电平，则返回 KEY4_PRESS。
  1. 无按键按下时处理: 如果所有按键（KEY1、KEY2、KEY3、KEY4）均为高电平（未按下状态），则执行以下操作：
  • 将 key 设为 1，表示所有按键均未按下。
  1. 返回值: 如果在上述检测中未发现按键按下，则返回 KEY_UNPRESS 表示无按键按下状态。

该函数实现了对硬件上四个按键（KEY1 到 KEY4）的状态监测，并在检测到按键按下时返回相应的按键按下状态，同时通过延时消抖处理按键的机械弹跳问题。

8.3 主函数

while(1)
{
    key = key_scan(0); // 调用按键扫描函数，返回当前按键状态给 key 变量

    if(key == KEY1_PRESS) // 如果检测到 KEY1 按下
    {
        dir = !dir; // 切换方向，通过对 dir 变量取反实现
    }
    else if(key == KEY2_PRESS) // 如果检测到 KEY2 按下
    {
        // 加速操作
        // 若速度已经最大，此时加速会导致速度减1
        if(speed > STEPMOTOR_MAXSPEED)
            speed -= 1;
    }
    else if(key == KEY3_PRESS) // 如果检测到 KEY3 按下
    {
        // 减速操作
        // 若速度已经最小，此时减速会导致速度加1
        if(speed < STEPMOTOR_MINSPEED)
            speed += 1;
    }

    // 控制步进电机的运动
    motor_28BYJ48_send(step++, dir); // 发送步进信号，同时 step 自增，控制电机步进位置
    if(step == 8)
    {
        step = 0; // 当步进到最后一步（8步）时，重置 step 为 0，形成循环步进
    }

    delay_ms(speed); // 根据当前速度延时，控制电机运行速度
}

2024.6.27 第一次修订

2024.7.20 第二次修订

2024.8.20 第三次修订，后期不再维护

本文作者：hazy1k

本文链接：https://www.cnblogs.com/hazy1k/p/18368788

版权声明：本作品采用知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎 2.5 中国大陆许可协议进行许可。

posted @   hazy1k  阅读(50)  评论(0)  编辑  收藏  举报
点击右上角即可分享
微信分享提示
AI IDE Trae
评论
收藏
关注
推荐
深色
回顶
收起