第一篇：基于DSP的步進電機控制器的設計

《DSP原理及應用》 課程設計指導書

學 院 ：機械工程學院 系 所 ：測控技術與儀器系 班 級 ： 姓 名 ： 學 號 ： 指導老師：

江蘇大學測控技術與儀器系

2016-01-18 應用于包裝機的步進電機控制器的設計

（江蘇大學機械工程學院儀器科學與工程系，江蘇，鎮江，212013）

摘要

本文介紹了以典型電機微控制器TMS320LF2407芯片為控制核心的步進電機控制系統，闡述了如何利用TMS320LF2407實現電機轉向、速度控制，并給出了相應系統控制策略。簡述了步進電機的驅動控制和DSP的PWM脈寬調制原理，詳細闡述了DSP實現步進電機的加減速控制問題。

步進電機是一種通過電脈沖信號控制相繞組電流實現定角轉動的機電元件，與其他類型電機相比具有易于開環精確控制、無積累誤差等優點，廣泛運用于數控機床、機器人、自動化儀表等領域。DSP芯片的出現，開創了步進電機控制的新局面。用DSP控制的步進電機不僅減小了控制系統的體積、簡化了電路，同時進一步提高了電機控制的精度和控制系統的智能化，從而逐步實現控制系統的嵌入式。基于DSP的步進電機控制技術在九十年代時期得到了較大發展，主要應用在工業、航天、機器人、精密測量等領域。數控機床、跟蹤衛星用電經緯儀在采用了步進電機技術后，大大提高了控制與測量精度，這樣就使步進電機伺服系統的應用前景更加廣闊。鑒于此，本文提出了基于DSP的步進電機控制系統的設計方案。包括其硬件設計和軟件設計。在軟件設計中給出了主要控制程序，達到對步進電機轉向、轉速的控制，如正轉、反轉、加速、減速等。使用DSP最明顯的優點在于提高了系統的可靠性，并降低了整個系統的成本。實驗證明，此驅動系統簡化了電路，提高了系統控制性能。

關鍵詞：步進電機；DSP;控制系統；TMS320LF2407；

目錄

第一章 緒論..................................................................................................................1 1.1引言..................................................................................................................1 1.2數字信號處理器DSP發展和現狀..................................................................2 1.3 課題背景及意義.............................................................................................3 第二章 總體方案設計..................................................................................................5 2.1 設計方案.........................................................................................................5 2.2 TMS320LF2407 DSP芯片介紹........................................................................5 2.2.1 TMS320LF2407 的性能特點...................................................................5 2.2.2 A/D轉換原理........................................................................................7 2.2.3 TMS320LF2407 內部A/D轉換模塊概述...............................................7 2.2.4 事件管理器.............................................................................................8 2.2.5 通用定時器.............................................................................................8 2.2.6 全比較單元.............................................................................................9 2.2.7 捕獲單元和正交編碼脈沖電路...........................................................10 2.3 四相反應式步進電機.................................................................................10 2.3.1 步進電機的結構.................................................................................10 2.3.2 步進電機的工作原理...........................................................................11 2.4 四相反應式步進電機的數學模型...............................錯誤！未定義書簽。2.4.1 電路方程...............................................................錯誤！未定義書簽。2.4.2 機械方程...............................................................錯誤！未定義書簽。2.5 驅動芯片結構與特點...................................................................................12 第三章 詳細設計........................................................................................................13 3.1 系統硬件設計...............................................................................................13 3.2系統軟件設計................................................................................................13 3.2.1 DSP開發軟件CCS介紹........................................................................13 3.2.2 程序控制流程.......................................................................................14 3.2.3 電機初始化程序...................................................................................15 3.2.4 電機控制程序.....................................................................................16 3.3 程序調試.....................................................................................................17 第四章 心得體會........................................................................................................19 參考文獻......................................................................................................................20 附錄..............................................................................................................................21

第一章 緒論

1.1引言

隨著人們生活水平不斷提高，對各種方便食品的需求也隨之大增，這近一步拉動了我國食品包裝業的快速發展。包裝機是發展比較快的包裝機械之一，擁有著廣闊的發展前景。在制袋、充填、封口為一體的包裝機中，要求包裝用塑料薄膜定位定長供給，采用步進電機與拉帶滾輪直接連接拉帶，不僅結構得到了簡化，而且調節極為方便，只要通過控制面板上的按鈕就可以實現，這樣既節省了調節時間，又節約了包裝材料。

步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機。它的位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數成正比。每來一個脈沖電壓，轉子就旋轉一個步距角。根據電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換，從而使電機旋轉。步進電機具有步進數可控、運行平穩、價格便宜的優點，在加速器控制系統中的應用很廣。

傳統的步進電機一般可分為永磁式步進電動機(PM Step Motor)，反應式步進電動機(VR Step Motor)和混合式步進電動機(Hybrid Step Motor)三種。

在數字化電機控制系統產生之前，要想獲得高性能的步進電機驅動要么是采用昂貴、難維護的直流電機配便宜的控制裝置，要么就是使用便宜的交流電機配昂貴、復雜的控制裝置。基于DSP的數字化電機控制的出現改變了這一狀況，由于DSP強大的運算能力，它可以實時地實現一些先進的控制算法，獲得高性能的電機驅動控制。

數字化電機控制的優點正是由于數字化的信號和信號處理所帶來的，和模擬控制相比，它具有互聯方便，穩定性好，便于大規模集成，可以構成復雜的系統，容易修改，便于測試、調試和大規模生產等優點。數字化電機控制技術包括兩個組成部分，現代電機控制理論和數字信號處理，其中數字信號處理又包括數字信號處理技術和數字信號處理器技術。數字化電機控制的發展和這幾個方面的進展是密不可分的。

現代電機控制理論以矢量控制理論為代表，還有近年來得到快速發展的直接轉矩控制理論等，這些高性能的控制方案需要進行大量的實時運算，用模擬器件的硬件方案來實現相當困難，難以實用化。只是在具有強大運算能力的控制器如 DSP等價格下降，性能提高之后，數字化的高性能控制方案才開始大量步入實用領域。

1.2數字信號處理器DSP發展和現狀

DSP是Digital Signal Processor的縮寫，DSP在70年代末、80年代初產生后起初并不顯眼，主要應用于一些特定的數字信號處理密集的領域如軍事的聲納和雷達、監測和監聽設備，以及氣象衛星、地震監測器等。雖受到個人計算機發展光輝的遮掩，它一直在幕后悄悄發展著。80年代后期開發出較通用產品后，逐步進入各個領域。近年來，隨著通訊領域的紅火，個人計算機的普及以及家用電器的發展，DSP更是從幕后走到了臺前，各種應用如手機、MODEM、硬盤、聲卡、顯卡、DVD.VCD、可視電話、數字電視、數字相機、導彈、高保真音響、洗衣機、空調、語音識別、游戲等等數不勝數，大到上天入地，小到我們每個人的身邊，現在是哪兒都有它的蹤跡了。

如果說CPU是PC時代的技術核心，則說DSP是后PC時代的技術核心毫不為過。由于具有超強的數字信號處理能力和合理的性價比，二十幾年時間，DSP的發展日益迅猛，應用日益廣泛。現在，DSP已經成為計算機網絡、無線通訊、信息家電、電子產品、圖形處理、視頻會議、數字音頻廣播等領域的核心。業內人士預言：DSP將是未來發展最快的電子器件，是電子產品更新換代的決定性因素。

DSP芯片能夠高速發展，一方面得益于集成電路的發展，另一方面也得益于巨大的市場。目前，DSP芯片的價格越來越低，性能價格比日益提高，具有巨大的市場潛力。據世界半導體貿易統計組織（WSTS）發布的統計和預測報告顯示：1996～2005年，全球DSP市場一直保持穩步增長，2005年增長率為35％；另據CCID統計：2005年中國DSP增長率超過40%，銷售量達到13億塊。

據市場調查公司ICE統計，1998年DSP市場達33.4億美元，其中通信占48%，計算機/MODEM占30%，硬盤12%，消費類產品5%，軍用航空航天5%，典型應用產品和市場包括：電視會議、文件成像、可視電話、數字蜂窩電話、數字設備、電機調速等，一些家用電器如空調、洗衣機、電冰箱等為了節能和靜音也開始采用DSP控制。

DSP按數據格式分可分為定點DSP和浮點DSP兩種，也可按用途分為通用型 DSP和專用型DSP，近年來德州儀器(TI)和美國模擬器件公司(Analog Device,簡稱AD)都推出了專門針對電機控制領域的專用型DSP系列，TI是TMS320-2XX系列，AD則是ADMC系列，這些芯片都是定點DSP，具有普通定點DSP的運算能力和單片機般的外圍設備，使得它們成為用于數字化電機控制的最佳選擇。當前，DSP芯片還在快速發展中，它的處理速度正隨著時間的前進而不斷提高，從1982年的5MIPS(每秒百萬指令)到1997年的100MIPS，再到現在的2000MIPS(多DSP單一化)，預計2007年將達到320000MIPS。DSP的價格則正走著一條相反的道路，據DSP最大的生產廠家TI公司的歷史價格統計，12年來每MIPS的價格己從200美元降到了一個美元，價格的下降導致應用領域的擴大，而應用的擴大也引起價格的下降，形成了一種良性的循環。

技術的高速發展引發了信息產業革命，以計算機技術、通信技術為核心的信息技術正在以前所未有的速度改變著人們的生活和工作方式。數字信號處理是信息技術中的一個核心問題。實現數字信號處理的核心器件是數字信號處理器(以后簡稱為DSP)。

數字化電機控制包括電機模型的數字化和信號處理的數字化，而DSP的運算速度則是這樣的實時一控制所必須的。為實現上述步進電機控制和交流電機控制融合的想法，由于其中有較多實時數學運算的要求，因此考慮使用德州儀器(TI)C2000系列DSP中的TMS320LF2407來實現。

1.3 課題背景及意義

用DSP控制的步進電機不僅減小了控制系統的體積、簡化了電路，同時進一步提高了電機控制的精度和控制系統的智能化，從而逐步實現控制系統的嵌入式。基于DSP的步進電機控制技術在九十年代時期得到了較大發展，主要應用在工業、航天、機器人、精密測量等領域。數控機床、跟蹤衛星用電經緯儀在采用了步進電機技術后，大大提高了控制與測量精度，這樣就使步進電機伺服系統的應用前景更加廣闊。

DSP控制器的技術水平主要體現在三個層面：硬件方案、核心控制算法以及應用軟件功能。國內步進電機控制器所采用的硬件平臺和國外產品相比并沒有太大差距，有的甚至更加先進。DSP用于電機控制有很多好處：

(1)可執行高級運算，減少力矩紋波，從而實現低振動、長壽命；(2)高級運算使諧波減小，很容易滿足國家要求，同時降低濾波器成本；(3)提供無傳感器運算，省去位置和速度傳感器：

(4)實時產生平滑的、近乎完美的參考模型，獲得良好的控制性能；(5)控制逆變器，產生高精度PWM輸出；(6)提供單片機控制系統。

本課題的研究內容是使用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407控制步進電機，實現步進電機的驅動，構成控制系統。

第二章 總體方案設計

2.1 設計方案

本次設計是步進電機控制器系統，整個控制系統分為四個部分：DSP中央控制器TMS320LF2407、外接電位器、步進電機及其驅動。

在本次設計中采用的電機是微型四相反應式步進電動機，其接受數字控制信號（電脈沖信號），并轉換為與之相對應的角位移。基于對低碳節能的考慮，在這里設計成一個單四拍信號來進行步進電動機的控制，通電順序為A-B-C-D-A，步距角為15°。驅動芯片采用的是ULN2003芯片，控制流程如下：首先由DSP的A/D轉換模塊將電位器輸出的模擬信號轉換為數字信號，然后將該數字信號輸入到DSP中以設定脈沖信號的間隔時間以便控制電機的轉速，接著將由DSP的四個I/O口提供脈沖信號給驅動芯片，脈沖信號經過驅動芯片的處理后用來驅動步進電機的四個相，從而達到控制電機運轉的目的。

在本次步進電機的控制系統中，由于步進電動機本身所擁有的精確定位特點我們采用開環控制系統。系統總體結構圖如下所示：

電位器A/DTMS320LF2407 DSP驅動芯片步進電機

圖2-1 系統總體結構圖

2.2 TMS320LF2407 DSP芯片介紹

2.2.1 TMS320LF2407 的性能特點

TMS320LF2407芯片是Texas Instruments公司生產的16位定點數字信號處理器TMS320C2000家族中的一種，是TMS320X240X系列DSP控制器中功能最強、片上設施最完備的一個型號。與其他TMS320C2000系列芯片相比具有以下特點：

1、采用高性能靜態CMOS技術，使供電電壓降為3.3V，減小了控制器功耗；40MIPS的最高指令執行速度使得指令周期為33ns(30MHz)，從而提高了控制器的實時控制能力。

2、基于TMS320C2xxDSP的CPU內核，保證了TMS320LF2407代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。

3、片內有高達32K字FLASH程序存儲器，高達1.5K字數據/程序RAM，544字雙口RAM(DARAM)和2K字單口RAM(SARAM)。

4、兩個事件管理模塊EVA和EVB，每個模塊包括：兩個16位通用定時器；8個16位脈寬調制(PWM)通道。它們能夠實現： PWM的對稱和非對稱波形；可編程PWM死區控制以防止上下橋臂同時輸出觸發脈沖；3個捕獲單元；片內光電編碼器接口電路；16通道10位A/D轉換器。事件管理器模塊適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機和功率逆變器。

5、可擴展外部存儲器總共192K字空間：64K字程序存儲空間；64K字數據存儲空間；64K字I/O尋址空間。

6、看門狗定時器模塊(WDT)：可用來監控系統軟件和硬件的操作，它可以按照用戶設定的時間間隔產生中斷。如果軟件執行進入一個不正確的循環或者CPU運行出現異常時，該模塊可以實現系統復位，使系統進入預定狀態。

7、控制器局域網絡(CAN)2.0模塊：CAN模塊給用戶提供了設計分布式或網絡化運動控制系統接口。

8、串行通信接口(SCI)模塊：用于實現DSP與其他異步外設之間的串行通信，其接收器和發送器都是雙緩沖的。9、16位串行外設(SPI)接口模塊：用于DSP與外設或其他控制器進行串行通信，典型應用包括與數模轉換器、LED顯示驅動等器件的通信。

此外，TMS320LF2407包含高達40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳和基于鎖相環的時鐘發生器。之所以稱TMS320LF2407為電機控制專用芯片，主要原因在于該芯片內置有功能強大的事件管理器、PWM脈沖發生器和兩路10位模數轉換模塊。有了事件管理器強大的實時處理功能和PWM控制波形發生器以及兩路同時采樣、保持、轉換的高速A/D，TMS320LF2407幾乎可以實現任何電機控制。

2.2.2 A/D轉換原理

A/D轉化電路亦稱“模擬數字轉換器”，簡稱“模數轉換器”。將模擬量或連續變化的量進行量化（離散化），轉換為相應的數字量的電路。

隨著數字技術，特別是信息技術的飛速發展與普及，在現代控制。通信及檢測等領域，為了提高系統的性能指標，對信號的處理廣泛采用了數字計算機技術。由于系統的實際對象往往都是一些模擬量(如溫度。壓力。位移。圖像等),要使計算機或數字儀表能識別。處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉換成數字信號；而經計算機分析。處理后輸出的數字量也往往需要將其轉換為相應模擬信號才能為執行機構所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號與數字信號之間起橋梁作用的電路-模數和數模轉換器。

A/D轉換器的功能是把模擬量變換成數字量。由于實現這種轉換的工作原理和采用工藝技術不同，因此生產出種類繁多的A/D轉換芯片。A/D轉換器按分辨率分為4位、6位、8位、10位、14位、16位和bcd碼的31/2位、51/2位等。按照轉換速度可分為超高速(轉換時間≤330ns)、次超高速(330~3.3μs)、高速(轉換時間3.3~333μs)、低速(轉換時間＞330μs)等。A/D轉換器按照轉換原理可分為直接a/d轉換器和間接a/d轉換器。所謂直接A/D轉換器，是把模擬信號直接轉換成數字信號，如逐次逼近型，并聯比較型等。其中逐次逼近型a/d轉換器，易于用集成工藝實現，且能達到較高的分辨率和速度，故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者多；間接A/D轉換器是先把模擬量轉換成中間量，然后再轉換成數字量，如電壓/時間轉換型(積分型)；電壓/頻率轉換型，電壓/脈寬轉換型等。其中積分型a/d轉換器電路簡單，抗干擾能力強，切能作到高分辨率，但轉換速度較慢。有些轉換器還將多路開關、基準電壓源、時鐘電路、譯碼器和轉換電路集成在一個芯片內，已超出了單純A/D轉換功能，使用十分方便。

2.2.3 TMS320LF2407 內部A/D轉換模塊概述

TMS320LF2407的A/D轉換模塊（ADC）具有以下特性：

1、帶內置采樣和保持（S/H）的10位ADC。

2、多達16個模擬輸入通道（ADCIN0-ADCIN15）。

3、自動排序的能力。一次可執行最多16個通道的“自動轉換”，而每次要轉換的通道都可以通過編程來選擇。

4、兩個獨立的最多可選擇8個模擬轉換通道的排序器（SEQ1和SEQ2）可以獨立工作在雙排序器模式，或者級聯之后工作在一個最多可選擇16個模擬轉換通道的排序器模式。

5、在給定的排序方式下，4個排序控制器（CHSELSEQN）決定了模擬通道轉換的順序。

6、可單獨訪問的16個結果轉換器（RESULT0-RESULT15）用來儲存轉換結果。

7、可有多個觸發源啟動A/D轉換： 軟件：軟件立即啟動（用SOC和SEQN）；

EVA/B：事件管理器（在EVA/B中有多個事件源可以啟動A/D）； 外部：ADC SOC引腳；

8、靈活的中斷控制，允許在每一個或每隔一個序列的結束時產生中斷請求。

9、排序器可工作在啟動/停止模式，允許多個按時間排序的觸發源同步轉換。

10、EVA和EVB可各自獨立地觸發SEQ1和SEQ2（僅用于雙排序器模式）。

11、采樣和保持獲取時間窗口有單獨的預定標控制。

12、內置校驗模式。

13、內置自測試模式。

2.2.4 事件管理器

在實際應用中，使用TMS320LF2407來構成運動控制系統的關鍵是該芯片具有一個事件管理器(Event Manager)專用外設模塊。事件管理器是一個專門用于電動機控制的外設模塊，主要由通用定時單元、比較單元、捕獲單元、正交編碼脈沖電路QEP和外部輸入組成。

2.2.5 通用定時器

TMS320LF2407的每個事件管理模塊有兩個可編程通用定時器(GP)。每個GP定時器x(EVA，x=1，2；對EVB，x=3，4)包括：

一個16位定時器增/減計數的計數器TxCNT，可讀寫。一個16位定時器比較寄存器(映射雙緩沖寄存器)TxCMPR，可讀寫。一個16位定時器周期寄存器(映射雙緩沖寄存器)TxPR，可讀寫。一個16位定時器控制寄存器TxCON可讀寫。可選擇的內部或外部輸入時鐘。

用于內部或外部時鐘輸入的可編程預定標器(Prescaler)。

控制和中斷邏輯用于四個可屏蔽的中斷：下溢、溢出、定時器比較和周期中斷。

可選方向的輸入引腳TMRDIR(當選擇雙向計數方式時，可以用來選擇向上或向下計數)。

在實際應用中，這些定時器能夠產生系統所需要的計數信號、離散控制系統的采樣周期、QEP電路、捕獲單元和比較單元的時基等。為了適應不同應用的需要，每個通用定時器都有6種可選的計數模式，分別是：停止/保持模式；單增計數模式；連續增計數模式；定向增/減計數模式；連續增/減計數模式；單增/減計數模式。

每個GP定時器都有一個比較寄存器和一個比較PWM輸出引腳，通用定時器可以工作在比較操作模式或比較PWM輸出模式。當工作在比較操作模式時，定時器的計數器值總是和相關的比較寄存器中的值相比較，當兩者相等時就發生比較匹配事件。當工作在比較PWM模式時，其輸出引腳的信號受通用定時器控制寄存器的定義、定時器所處的計數模式以及定時器的計數方向的影響。

2.2.6 全比較單元

事件管理器EVA模塊中有三個全比較單元CMPx(x=1，2，3)；事件管理器EVB模塊中同樣有三個全比較單元CMPx(x=4，5，6)。每個比較單元都可以工作在比較模式或PWM模式下，可以通過COMCON中的位決定每個比較單元的工作模式。

當比較模式被選中并且全比較操作被使能時，定時器的計數器就會不斷地與全比較單元的比較寄存器中的值進行比較。當發生比較匹配時，全比較單元的輸出引腳會根據ACTR中的定義產生合適的電平跳變，同時比較中斷標志被置位。如果同組中沒有其他更高優先級的中斷掛起，該中斷標志將向DSP內核發出中斷請求。當工作在PWM模式下，全比較的操作類似于通用定時器的比較操作。2.2.7 捕獲單元和正交編碼脈沖電路

捕獲單元在TMS320LF2407的捕獲引腳上出現跳變時被觸發，事件管理器總共有6個捕獲單元。當捕獲引腳CAPx(對EVA，x=1，2，3：對EVB x=4，5，6)上檢測到所選的跳變時，所選的GP定時器的計數值被捕獲并存儲在兩級FIFO棧中。

每個EV模塊都有一個正交編碼脈沖電路。該電路被使能后，可以在編碼和計數引腳CAP I /QEP I和CAP2/QEP2(對于EVA模塊)或CAP3lQEP3和CAP4/QEP4(對于EVB模塊)上輸入正交編碼脈沖。正交編碼脈沖電路可用于連接光電編碼器以獲得旋轉機械的位置和速率信息。此電路在處理電機測速光電編碼器的輸出信號時很有用，可以大大簡化電機測速的軟硬件開銷，提高控制系統的測速精度與可靠性。如果使能了正交編碼脈沖電路，則相應引腳上的捕獲功能將被禁止。

2.3 四相反應式步進電機

2.3.1 步進電機的結構

四相步進電機的基本機構如圖2-2。四相步進電機在結構上分為轉子和定子兩部分。定子一般由硅鋼片疊成，定子上所繞的線圈稱為勵磁線圈。對于如圖2.1所示的繞線方式，A、A’引線形成一相，B、B’引線形成一相,C、C’引線形成一相D、D’引線形成一相。當給某相線圈通電時將形成8個磁極。這樣，對于四相八級步進電機共有A、A’，B、B’，C、C’和D、C’四個繞組、8個磁極。每個定子磁極內表面都分布著小齒，它們大小相同，間距相同。

轉子是由軟磁材料制作成的。其外表面也均勻分布著小齒，這些小齒與定子磁極上的小齒相同，形狀相似。

由于小齒的齒距相同，所以不管是定子還是轉子，它們的齒距角都可以由下式

?Z?2?/Z（2.1）

來計算。式中，Z為轉子的齒數。

圖2-2 四相步進電機步進示意圖

2.3.2 步進電機的工作原理

在步進電機的結構中必定有錯齒和對齒的存在如圖2-3所示。我們把定子小齒和轉子小齒對齊的狀態稱為對齒；把定子小齒與轉子小齒不對齊的狀態稱為錯齒。錯齒的存在是步進電機能夠旋轉的前提條件。如果給處于錯齒狀態的相線圈通電，轉子在電磁力的作用下，如果磁極相異，則轉子向完全對齒方向轉動，如果磁極性相同，則轉子向完全錯齒方向轉動。假設將電機的轉子置于線圈所產生的磁場中，便會受到磁場的作用而產生與磁場方向一致的力，轉子便開始轉動，直到轉子的磁場和線圈的磁場方向一致為止。步進電機的轉動就是基于這一原理實現的。

定子小齒

轉子小齒

（a）對齒（b）錯齒

圖2-3 定子齒與轉子齒的磁導現象

按如下四個步驟循環通電： A’A相通電，電流方向為A’—A； B’B相通電，電流方向為B’—B； C’C相通電，電流方向為C’—C； D’D相通電，屯流力向為D’—D。

可以分析出，在每一次通電過程中，步進電機的轉子均相對上次通電時的平衡位置順時針旋轉了一個位移角。對繞組通電一次的操作稱為一拍，根據上面給出的算式每給電機一個脈沖，步進電機將轉過15度，既轉過一圈則需要，360/15=24個脈沖。

2.5 驅動芯片結構與特點

本次設計采用的驅動芯片是ULN2003。它是高耐壓、大電流達林頓陳列。由七個硅NPN達林頓管組成。該電路的特點如下：

ULN2003的每一對達林頓都串聯一個2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連。可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。ULN2003工作電壓高．工作電流大．灌電流可達500mA，并且能夠在關斷時承受50v的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。

圖2-4 ULN2003內部結構圖 第三章 詳細設計

3.1 系統硬件設計

系統硬件設計詳細信息請查閱成員朱永良報告。

3.2系統軟件設計

3.2.1 DSP開發軟件CCS介紹

CCS（Code Composer Studio）軟件是德州儀器公司專為TMS320系列DSP開發的一個開發軟件。

CCS在Windows環境下工作，類似于VC++集成開發環境，它采用圖形接口界面，提供有編輯工具和工程管理工具，將代碼產生工具，如匯編器、鏈接器、C/C++編譯器、建庫工具整合為一個統一的開發平臺。CCS支持匯編語言、C/C++語言編程。能對DSP進行指令級的仿真和可視化實時數據分析，極大地方便了DSP系統地軟硬件開發。但多數情況下，考慮到軟件的移植性問題，一般采用C語言編程。下圖所示為CCS平臺的組成。

圖3-1 CCS平臺組成 CCS集成的源代碼編輯環境，使程序的修改更為方便；CCS集成的代碼生成工具，使開發設計人員不必鍵入大量的命令及參數；CCS集成的調試工具，使程序調試一目了然，大量的觀察窗口使程序調試得心應手。更重要的是CCS增強了實時、嵌入信號的開發過程，開發人員可在不中斷程序運行的情況下檢查算法的對錯，實現對硬件的實時跟蹤調試，大大縮短了程序的開發時間。3.2.2 程序控制流程

如下圖所示為主程序流程圖：

開始系統初始化I/O口模式設置所有LED初始化LCD初始化調用電機子程序

圖3-2 主程序流程圖

程序運行開始后，首先進行系統初始化，初始化內容包括：將DSP的IOPE0到IOPE7管腳設置為I/O模式、將中斷模式位清零使所有未屏蔽的中斷使能、將IOPE0到IOPE7管腳設置為低電平既使開發板上的燈全部熄滅、定時器1初始化設置定時周期和計數模式等。

3.2.3 電機初始化程序 main(){

SystemInit();

//系統初始化

MCRC=MCRC & 0xFF00;

//IOPE0-7設為IO口模式

PEDATDIR=0xFF00;

asm(“ CLRC INTM ”);

LcdInit();

Timer1Init();

while(1)

{

KeyLed();

} }

void SystemInit()

{

asm(“ SETC INTM ”);

asm(“ CLRC SXM ”);

asm(“ CLRC CNF ”);asm(“ CLRC OVM ”);

SCSR1=0x83FE;

時鐘CLKOUT=40M */

WDCR=0x006F;

KickDog();

IFR=0xFFFF;

IMR=0x0002;

}

//所有LED=0，/*LCD初始化*/

//定時器初始化

//系統初始化程序

/* 關閉總中斷 */

禁止符號位擴展 */

/* B0塊映射為 on-chip DARAM*/ /* 累加器結果正常溢出*/

/* 系統時鐘CLKOUT=20*2=40M */ /* 打開ADC,EVA,EVB,CAN和SCI的時鐘,系統

/* 禁止看門狗,看門狗時鐘64分頻 */

/* 初始化看門狗 */

/* 清除中斷標志 */

/* 打開中斷2*/

/*

3.2.4 電機控制程序

調用電機控制程序numled=0,numled++提取AD模塊采樣結果（AD>0）numled等于AD？numled++是IOPE1輸出高電平;LED1亮 numled等于2*AD？numled++是IOPE2輸出高電平;LED2亮 numled等于3*AD？numled++numled++是IOPE3輸出高電平;LED3亮 numled等于4*AD？numled++是是IOPE4輸出高電平;LED4亮 numled等于5*AD？圖3-3 電機控制流程圖

void KeyLed(){

if(numled==AD)

//修改參數AD可以控制步進電機轉速

{

PEDATDIR=PEDATDIR & 0xFF00;

//IOPE1,2,3,4=0;LED全滅

PEDATDIR=PEDATDIR | 0x0002;

//IOPE=1;LED1亮

}

if(numled==2*AD)

{

PEDATDIR=PEDATDIR & 0xFF00;

//IOPE1,2,3,4=0;LED全滅

PEDATDIR=PEDATDIR | 0x0004;

//IOPE2=1;LED2亮

} if(numled==3*AD)

{

PEDATDIR=PEDATDIR & 0xFF00;

//IOPE1,2,3,4=0;LED全滅

PEDATDIR=PEDATDIR | 0x0008;

//IOPE3=1;LED3亮

} if(numled==4*AD)

{

PEDATDIR=PEDATDIR & 0xFF00;

//IOPE1,2,3,4=0;LED全滅

PEDATDIR=PEDATDIR | 0x0010;

//IOPE3=1;LED4亮

}

if(numled>=4*AD)

{

Que();

WriteMenu1(6,b);

numled=1;

}

}

程序初始化后，DSP的AD轉換模塊將電位器輸入的電壓模擬信號轉換為數字信號,并存在結果寄存器RESULT0（設計采用的通道為AD0通道）中，我們通過賦值的方式將寄存器里的值賦給數組，然后用求平均數的方式來進行濾波，最后將平均值賦值整數值AD。根據上面的程序可以看出AD的大小決定了脈沖之間的間隔，也就是說通過調節AD的值可以控制電機的轉速。

3.3 程序調試

在PC機系統安裝好編譯軟件CCS3.3后，在計算機桌面上將出現兩個快捷方式圖標，一個是Setup CCStudio v3.3，另一個是CCStudio v3.3。Setup CCStudio v3.3是用來對該編譯器的運行環境進行配置；CCStudio v3.3為程序仿真調試集成環境軟件。CCS集成開發環境不能直接將匯編源代碼或C語言源代碼文件Build生成DSP可執行代碼。必須使用項目（Project）來管理整個設計和調試過程。項目保存為*.pjt文件。新建完項目并把C源程序文件（.C）、匯編源程序文件(.ASM)、目標文件(.OBJ)、庫文件(.LIB)、命令文件(.CMD)等都加入后，便可以開始調試程序。其中的頭文件將通過在程序中用include來添加。在調試過程中也遇到了一些問題，例如電機無法正常運轉，后來在同學的幫助下終于找到了問題的所在，最終解決了問題。

第四章 心得體會

這次為期一周的DSP課程設計，我不僅僅學到了DSP設計方面的知識，更使我懂得一個儀器的設計過程。在設計過程中雖然遇到了一些問題，但經過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。

在這次難得的課程設計過程中我鍛煉了自己的思考能力和動手能力。通過題目選擇和設計電路的過程中，加強了我思考問題的完整性和實際生活聯系的可行性。在方案設計選擇和芯片的選擇上，培養了我們綜合應用的能力,對集成開發環境CCS的使用也有了更深的了解，對DSP芯片的應用也有了更深刻的體會。還鍛煉我們個人的查閱技術資料的能力，動手能力，發現問題，解決問題的能力。并且我們熟練掌握了有關器件的性能及測試方法。

再次感謝老師的輔導以及同學的幫助，是他們讓我有了一個更好的認識，無論是學習還是生活，生活是實在的，要踏實走路。課程設計時間雖然很短，但我學習了很多的東西，使我眼界打開，感受頗深。

在今后社會的發展和學習實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發現問題所在，然后一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠不可能得到社會及他人對你的認可!19

參考文獻

[1]王玲，王曉明．電動機的DSP控制-TI公司DSP應用．北京：北京航空航天大學出版社，2004 [2]劉和平，鄧力．DSP原理及電機控制應用．北京：北京航空航天大學出版社，2006 [3]王曉丹．基于單片機的步進電機細分驅動系統的研究：[碩士學位論文]．長沙：中南大學控制科學與工程，2008 [4]孫忠獻．電機技術與應用．福州：福建科學技術出版社，2004 [5]李愛芹．基于DSP的三相混合式步進電機細分驅動系統研究：[碩士學位論文]．杭州：浙江工業大學控制理論與控制工程，2006 [6]孫忠獻．電機技術與應用．福州：福建科學技術出版社，2004 [7]章烈剽．基于單片機的高進度步進電機控制研究：[碩士學位論文]．武漢：武漢理工大學控制理論與控制工程，2007 [8]劉愛萍．基于C8051F005單片機的兩相混合式直線步進電機驅動系統的設計：[碩士學位論文]．呼和浩特：內蒙古農業大學農業電氣與自動化，2007 [9]湯涌．基于電機參數的同步電機模型．電網技術，2007 [10]楊渝欽．控制電機．天津：機械工業出版社，2008 20

附錄

/*Main.c*/

/*步進電機控制系統程序*/ #include “hd44780.h” #include “global.c” void SystemInit();void Timer1Init();void LcdInit(void);void WriteCom(Uint16 com);void WriteMenu1(Uint16 num,Uint16 *pBuffer);void KickDog();

void KeyLed();void Lv();void Que();Uint16 a[6],b[6];unsigned int numled=0;unsigned int i=0,j=0,t0=0,k=0,D=0;unsigned int RESULT_0=0,AD=0;unsigned int AD0[18],AD_0,AD_FLAG=0;float AD_E=0.0;main(){

SystemInit();

//系統初始化

MCRC=MCRC & 0xFF00;

//IOPE0-7設為IO口模式

PEDATDIR=0xFF00;

//所有LED=0，asm(“ CLRC INTM ”);

LcdInit();

/*LCD初始化*/

Timer1Init();

//定時器初始化

while(1)21

{

KeyLed();

}

}

void SystemInit(){

asm(“ SETC INTM ”);

asm(“ CLRC SXM ”);asm(“ CLRC CNF ”);asm(“ CLRC OVM ”);

SCSR1=0x83FE;

CLKOUT=40M */

WDCR=0x006F;

KickDog();

IFR=0xFFFF;

IMR=0x0002;

}

void Timer1Init()

{

EVAIMRA=0x0080;

EVAIFRA=0xFFFF;

GPTCONA=0x0000;T1PR=2500;

/* 關閉總中斷 */

/* 禁止符號位擴展 */

/* B0塊映射為 on-chip DARAM*/ /* 累加器結果正常溢出*/

/* 系統時鐘CLKOUT=20*2=40M */

/* 打開ADC,EVA,EVB,CAN和SCI的時鐘,系統時鐘

/* 禁止看門狗,看門狗時鐘64分頻 */

/* 初始化看門狗 */

/* 清除中斷標志 */ /* 打開中斷2*/

// 定時器1周期中斷使能

// 清除中斷標志

// 定時器1初值,定時0.4us*2500=1ms

}

T1CNT=0;T1CON=0x144E;

//增模式, TPS系數40M/16=2.5M,T1使能

void KeyLed(){

while(1)

{

if(AD_FLAG==1)

{

AD_FLAG=0;

for(i=0;i<18;i++)

{

AD_Simple();

AD0[i]=RESULT_0;

}

Lv();

}

}

if(numled==AD)

// 修改這些參數可以控制步進電機轉速

{

PEDATDIR=PEDATDIR & 0xFF00;

//IOPE1,2,3,4=0;LED全滅

PEDATDIR=PEDATDIR | 0x0002;

//IOPE=1;LED1亮

}

if(numled==2*AD)

{

} if(numled==3*AD)

{ PEDATDIR=PEDATDIR & 0xFF00;

//IOPE1,2,3,4=0;LED全滅

PEDATDIR=PEDATDIR | 0x0004;

//IOPE2=1;LED2亮

} PEDATDIR=PEDATDIR & 0xFF00;

//IOPE1,2,3,4=0;LED全滅

PEDATDIR=PEDATDIR | 0x0008;

//IOPE3=1;LED3亮

if(numled==4*AD)

{

PEDATDIR=PEDATDIR & 0xFF00;

//IOPE1,2,3,4=0;LED全滅

PEDATDIR=PEDATDIR | 0x0010;

//IOPE3=1;LED4亮

}

if(numled>=4*AD)

{

Que();

WriteMenu1(6,b);

numled=1;

}

}

void Que(){

int v=2500/AD;

a[2]=v/1000;

//千位 a[3]=(v-a[2]*1000)/100;

//百位 a[4]=(v-a[2]*1000-a[3]*100)/10;

//十位 a[5]=(v-a[2]*1000-a[3]*100)%10;

//個

for(i=0;i<=6;i++)

{

b[i]=a[i]+0x30;

};}

void AD_Simple(){

ADCTRL1=0x4000;

asm(“ NOP ”);

/* ADC模塊復位 */

ADCTRL1=0x0020;

/* 自由運行,啟動/停止模式,雙排序器工作模式 */

MAXCONV=0x0000;

CHSELSEQ1=0x0000;

//第0通道

ADCTRL2=0x4000;

//復位使排序器指針指向CONV00

ADCTRL2=0x2000;

/* 啟動ADC轉換 */

/*等待轉換完成 */

while((ADCTRL2&0x1000)==0x1000);

asm(“ NOP ”);

RESULT_0=RESULT0>>6;

}

void Lv(){

unsigned int MaxAD0=0;

unsigned int MinAD0=AD0[0];

unsigned int tempAD0=0;

for(j=0;j<18;j++)

{

if(AD0[j]>MaxAD0)

MaxAD0=AD0[j];

else if(AD0[j]

MinAD0=AD0[j];

}

for(j=0;j<18;j++)

{

tempAD0=tempAD0+AD0[j];

}

AD_0=(tempAD0-MaxAD0-MinAD0)/16;

AD_E=AD_0*100/1023+10;}

void interrupt

c_int2()

/*定時器1中斷服務程序*/ { T1CNT=0;numled++;AD=(int)AD_E;

if(PIVR!=0x27){

asm(“ CLRC INTM ”);return;

}

t 0++;if((AD_FLAG==0)&((t0%1000)==0))

//定時AD采樣

}

void KickDog(){

}

#include “global.c” WDKEY=0x5555;WDKEY=0xAAAA;

/*踢除看門狗 */ {

AD_FLAG=1;} EVAIFRA=0x80;asm(“ CLRC INTM ”);

#include

“hd44780.h” PADATDIR = PADATDIR | 0xFF08 PADATDIR = PADATDIR & 0xFFF7 PADATDIR = PADATDIR | 0xFF10 PADATDIR = PADATDIR & 0xFFEF

PADATDIR = PADATDIR | 0xFF20

PADATDIR = PADATDIR & 0xFFDF #define

SetRS #define

ClrRS #define

SetRW #define

ClrRW #define

SetE #define

ClrE

void LCDPIN(void){

} void LCDPOUT(void){

}

PEDATDIR = PEDATDIR | 0x0080;PBDATDIR = PBDATDIR & 0x00FF;PEDATDIR = PEDATDIR & 0xFF7F;PBDATDIR = PBDATDIR | 0xFF00;void delay(Uint16 number){

}

//============================================ void Busy(void){

Uint16 Temp = 0x0080;LCDPIN();delay(200);ClrRS;Uint16 j;for(j = 0;j < number;j++);

} SetRW;while(Temp){

} SetE;delay(50);Temp = PBDATDIR;Temp = Temp & 0x0080;ClrE;delay(50);//========================================== void WriteCom(Uint16 com){

}

void WriteMenu1(Uint16 num,Uint16 *pBuffer)Busy();delay(100);LCDPOUT();delay(200);ClrRS;ClrRW;delay(50);com = 0xFF00 | com;PBDATDIR = com;SetE;delay(50);ClrE;

{

} //================== void LcdInit(void){

WriteCom(0x30);WriteCom(0x30);WriteCom(0x30);delay(1000);WriteCom(0x01);delay(1000);WriteCom(0x02);delay(1000);WriteCom(0x06);Uint16 i,t;WriteCom(0x80);SetRS;ClrRW;delay(50);for(i=num;i!=0;i--){

} t = *pBuffer;t = 0xFF00 | t;PBDATDIR = t;SetE;delay(50);ClrE;

pBuffer++;29

} delay(1000);WriteCom(0x0c);delay(1000);WriteCom(0x38);

//==================== // No more

第二篇：步進電機實驗報告

步進電機調速實驗報告

班級：

xｘ

姓名：

xx

學號:

xｘx

指導老師: :

ｘx

步進電機調速實驗報告

一、實驗目得及要求: 1、熟悉步進電機得工作原理 2、熟悉 51 系列單片機得工作原理及調試方法 3、設計基于 51 系列單片機控制得步進電機調速原理圖(要求實現電機得速度反饋測量,測量方式:數字測量)４、實現 51 系列單片機對步進電機得速度控制（步進電機由實驗中心提供,具體型號 ４2BYG)由按鈕控制步進電機得啟動與停止;實現加速、勻速、與減速控制.速度設定由鍵盤設定，步進電機得反饋速度由 LED 數碼管顯示。

二、實驗原理：

1、一般電動機都就是連續旋轉,而步進電動卻就是一步一步轉動得,故叫步進電動機。步進電機就是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移,即給一個脈沖信號,步進電機就轉動一個角度,因此非常適合于單片機控制。步進電動機得轉子為多極分布，定子上嵌有多相星形連接得控制繞組，由專門電源輸入電脈沖信號,每輸入一個脈沖信號，步進電動機得轉子就前進一步。由于輸入得就是脈沖信號,輸出得角位移就是斷續得，所以又稱為脈沖電動機.隨著數字控制系統得發展,步進電動機得應用將逐漸擴大。

進電動機需配置一個專用得電源供電,電源得作用就是讓電動機得控制繞組按照特定得順序通電,即受輸入得電脈沖控制而動作，這個專用電源稱為驅動電源.步進電動機及其驅動電源就是一個互相聯系得整體，步進電動機得運行性能就是由電動機與驅動電源兩者配合所形成得綜合效果。

2、對驅動電源得基本要求

（1)驅動電源得相數、通電方式與電壓、電流都要滿足步進電動機得需要;（2）要滿足步進電動機得起動頻率與運行頻率得要求;(3)能最大限度地抑制步進電動機得振蕩;(4）工作可靠,抗干擾能力強;(5）成本低、效率高、安裝與維護方便。

3、驅動電源得組成 步進電動機得驅動電源基本上由脈沖發生器、脈沖分配器與脈沖放大器(也稱功率放大器)三部分組成, 三、實驗源程序：

／＊**＊＊＊*＊＊*＊***＊

wrｉter：shｏppinｇ、w

＊**＊***＊***＊＊*＊*＊*／ #incｌude 〈reg５2、h〉 #defｉne uint uｎｓigned ｉnt ＃ｄｅfine ｕchar uｎsiｇned chａr uchａｒ cｏde FＦW[］= {

0 ９0x0,８０x0,c0ｘ0,40x0，60x0,20ｘ0,30ｘ０,10x?｝;uchar coｄe REV[]= ｛

0 10x0,30x０,2０x０,6０x0,4０x0，c０x0，80x0,90ｘ?};ｓbｉt Ｋ１ = P3^0； sbｉｔ Ｋ2 = Ｐ3^1;sbit K3 = Ｐ3^2;ｖｏid ＤｅlaｙＭＳ(uint ｍs）

{

uchar i；

wｈiｌe（ms-—）

｛

;)＋+i；021〈i;0=i（ｒoｆ? ｝ } ｖｏid SETP_MＯTＯR_FFW(uchａr n){

ucｈａr i,j;

for(i＝0;ｉ〈5＊n;i＋+）

{?

for(j=0;j<８;ｊ++)

{? ?

if(K3 == ０)ｂｒeａk;

?? P1 = FFW［ｊ]；

；）５２（SMyaleD?? }?? } ｝ voiｄ SEＴP_MＯTOR_ＲEV(ucｈar ｎ)｛

uｃｈaｒ ｉ,j;

for（ｉ=０;i<5＊n；i++)

{）++j;8

?

;kaerb?)0 == 3K(fi?

Ｐ1 = RＥV[ｊ］;

? ＤｅlayMＳ(25）;

? ｝

｝ } ｖoid main（）

{uchar N = 3；)1（elｉhｗ? {if（K１ == ０)

｛;efx0 = 0P? ?? SＥTP_MOTＯR_FFW（N）;

? iｆ(Ｋ３ =＝ 0)ｂｒeａk;

}?? ? eｌｓe iｆ(K２ =＝ ０)

? {

Ｐ0 ＝ 0xfｄ；

?

；)Ｎ(VER_RＯTOＭ＿PTES?

；ｋaｅrb)0 == 3Ｋ（fi?? ｝?? ? ｅlｓe

{?? ?

;bfx0 ＝ 0Ｐ??;30ｘ0 = 1P?

｝

｝?}

四、實驗心得：

本次實驗讓我了解了步進電動機得工作原理,掌握了怎樣用單片機編程來控制步進電機得正反轉及調速。通過這次實驗,我更加深刻得認識到將單片機編程知識應用到實踐中得重要性。同時,在理論知識方面,我還有很多欠缺。在以后得學習中要注意實踐性,不能只滿足于理論知識。

第三篇：步進電機簡介

步進電機簡介

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。

步進電機分三種：永磁式（PM），反應式（VR）和混合式（HB）

永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；

反應式步進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發達國家80年代已被淘汰；

混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為

1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。

一.工作原理

（一）反應式步進電機

1、結構：

電機轉子均勻分布著很多小齒（1，2，3，4，5），電機定子有三個勵磁繞阻（A，B，C），A與齒1相對齊，B與齒2錯開1/3て，C與齒3錯開2/3て，A與齒5相對齊...。將定子和轉子展開如下

2、旋轉：

如A相通電，B、C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊；如B相通電，A、C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移2/3て；如C相通電，A、B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊；如A相通電，B、C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3て。這樣經過A、B、C、A分別通電，齒4移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A、B、C、A...通電，電機就向右旋轉；如按A、C、B、A……通電，電機就向左轉。由此可見：電機的位置和速度由導電脈沖數和頻率成一一對應關系，而方向由導電順序決定。

不過，出于對力矩、平穩、噪音及減少角度等方面考慮，往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導電狀態，這樣將原來每步1/3て改變為1/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變為1/12て，1/24て，這就是電機細分驅動的基本理論依據。但經過理論分析及大量的實驗證明：細分數如果超過10，電機帶負載后，就會產生跳步和失步現象。

不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移

1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制——這是步進電機旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。

3、力矩：

電機一旦通電，在定轉子間將產生磁場（磁通量Ф）。當轉子與定子錯開一定角度時，產生的吸引力 F=K*dФ/dθ成正比。其中磁通量Ф=Br*S（Br=N*I/R為磁密，S為導磁面積，N*I為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）R為磁阻），θ為錯齒量，K為系數。可見，F與L*D*Br成正比（L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑）。

力矩=F*D/2，因此，力矩與電機有效體積*安匝數*磁密成正比（設為線性狀態），即電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。

（二）感應子式步進電機（永磁式）

1、特點：

感應子式步進電機與傳統的反應式步進電機相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩、噪音低、低頻振動小。

感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行（必須采用雙極電壓驅動），而反應式電機則不能如此。

例如：四相，八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發現其條件為C=,D=。

一個二相電機的內部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯或并聯使用。

2、分類

感應子式步進電機以相數可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG為感應子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標準），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內標準。

3、步進電機的靜態指標術語

相數：產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數，常用m表示。

拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度（轉子齒數J*運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。每轉步數：電機每轉一轉所轉過的步數。

定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。

保持扭矩：電機繞組通電不轉動時的最大輸出扭矩值。

工作扭矩：電機繞組通電轉動時的最大輸出扭矩值。注意：保持扭距比工作扭矩大，選電機是要以工作扭矩為選擇依據。

靜轉矩：電機在額定靜態電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。

雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音。

4、步進電機動態指標及術語：

1、步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。

2、失步：電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步。

3、失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。

4、最大空載起動頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。

5、最大空載的運行頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。這個速度遠大于啟動頻率。

6、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。如下左圖所示：其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。

電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態力矩卻不然，電機的動態力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。如上右圖所示。其中，曲線3電流最大、或電壓最高；曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。

7、電機的共振點：步進電機均有固定的共振區域，二、四相感應子式步進電機的共振區一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然。為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統的噪音降低，一般工作點均應遠離共振區。

現在，步進電機的發展非常迅速，如德國百格拉公司的交流伺服電機運行性能的步進電機系統，其三相混合式步進電機采用交流伺服原理工作，運用特殊精密機械加工工藝，使步進電機定子和轉子之間間隙僅為50um，轉子和定子的直徑比提高到59%，大大提高了電機工作扭矩，特別是高速時的工作扭矩。由于定子和轉子上磁槽數遠多于五相和兩相混合式步進電機，使三相混合式步進電機可以按五相和兩相混合式步進電機的步數進行工作。電機的扭矩僅與轉速有關，而與電機每轉的步數無關，例如：2Nm電機在每轉500步和10000步，800轉/分時的扭矩都是1.75Nm。在低速時運行極其平穩，幾乎無共振區，高速時扭矩大，運行特性類同交流伺服電機。

二.步進電機選用

（一）力矩與功率計算

步進電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：

P= Ω·M

Ω=2π·n/60

P=2πnM/60

其中P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉速，M為力矩單位為牛頓·米。

P=2πfM/400(半步工作）

其中f為每秒脈沖數（簡稱PPS)

（二）步進電機的選擇

步進電機有步距角（涉及到相數）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。

1、步距角的選擇

電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度（三相電機）等。

2、靜力矩的選擇

步進電機的動態力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。

3、電流的選擇

靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓）

綜上所述選擇電機一般應遵循以下步驟：

三.應用中的注意點

1、步進電機應用于低速場合---每分鐘轉速不超過1000轉，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。

2、步進電機最好不使用整步狀態，整步狀態時振動大。

3、由于歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值，可根據驅動器選擇驅動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當然12伏的電壓除12V恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源，不過要考慮溫升。

4、轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。

5、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。

6、高精度時，應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數的驅動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統的價格較貴，生產廠家少，其被淘汰的說法是外行話。

7、電機不應在振動區內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。

8、電機在600PPS（0.9度）以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。

9、應遵循先選電機后選驅動的原則。最好采用同一生產廠家的控制器、驅動器和電機。

10、應注重可靠性而輕性能、重品質而輕價格。

機電產品網 供稿

第四篇：步進電機實驗報告

步進電機調速實驗報告

班級： xx 姓名： xx 學號： xxx 指導老師： xx

步進電機調速實驗報告

一、實驗目的及要求：

1、熟悉步進電機的工作原理

2、熟悉51系列單片機的工作原理及調試方法

3、設計基于51系列單片機控制的步進電機調速原理圖(要求實現電機的速度反饋測量，測量方式：數字測量)

4、實現51系列單片機對步進電機的速度控制(步進電機由實驗中心提供，具體型號 42BYG)由按鈕控制步進電機的啟動與停止；實現加速、勻速、和減速控制。速度設定由鍵盤設定，步進電機的反饋速度由LED數碼管顯示。

二、實驗原理：

1.一般電動機都是連續旋轉，而步進電動卻是一步一步轉動的，故叫步進電動機。步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電動機的轉子為多極分布，定子上嵌有多相星形連接的控制繞組，由專門電源輸入電脈沖信號，每輸入一個脈沖信號，步進電動機的轉子就前進一步。由于輸入的是脈沖信號，輸出的角位移是斷續的，所以又稱為脈沖電動機。隨著數字控制系統的發展，步進電動機的應用將逐漸擴大。

進電動機需配置一個專用的電源供電，電源的作用是讓電動機的控制繞組按照特定的順序通電，即受輸入的電脈沖控制而動作，這個專用電源稱為驅動電源。步進電動機及其驅動電源是一個互相聯系的整體，步進電動機的運行性能是由電動機和驅動電源兩者配合所形成的綜合效果。2.對驅動電源的基本要求

（1）驅動電源的相數、通電方式和電壓、電流都要滿足步進電動機的需要；（2）要滿足步進電動機的起動頻率和運行頻率的要求；（3）能最大限度地抑制步進電動機的振蕩；（4）工作可靠，抗干擾能力強；（5）成本低、效率高、安裝和維護方便。3.驅動電源的組成

步進電動機的驅動電源基本上由脈沖發生器、脈沖分配器和脈沖放大器（也稱功率放大器）三部分組成，三、實驗源程序：

/*************** writer:shopping.w ******************/ #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar code FFW[]= { 0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09 };uchar code REV[]= { 0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01 };sbit K1 = P3^0;sbit K2 = P3^1;sbit K3 = P3^2;void DelayMS(uint ms){ uchar i;

} void SETP_MOTOR_FFW(uchar n){ uchar i,j;while(ms--){ for(i=0;i<120;i++);} for(i=0;i<5*n;i++){

for(j=0;j<8;j++)

{

if(K3 == 0)break;

P1 = FFW[j];

DelayMS(25);

} } } void SETP_MOTOR_REV(uchar n){ uchar i,j;for(i=0;i<5*n;i++){

for(j=0;j<8;j++)

{

if(K3 == 0)break;

P1 = REV[j];

DelayMS(25);

} } } void main(){uchar N = 3;while(1){if(K1 == 0)

{P0 = 0xfe;

SETP_MOTOR_FFW(N);if(K3 == 0)break;

}

} } else if(K2 == 0){ P0 = 0xfd;

} else { P0 = 0xfb;} P1 = 0x03;SETP_MOTOR_REV(N);if(K3 == 0)break;4

四、實驗心得：

本次實驗讓我了解了步進電動機的工作原理，掌握了怎樣用單片機編程來控制步進電機的正反轉及調速。通過這次實驗，我更加深刻的認識到將單片機編程知識應用到實踐中的重要性。同時，在理論知識方面，我還有很多欠缺。在以后的學習中要注意實踐性，不能只滿足于理論知識。

第五篇：步進電機工作原理

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環控制。

1、步進電機是一種作為控制用的特種電機, 它的旋轉是以固定的角度(稱為“步距角”)一步一步運行的, 其特點是沒有積累誤差(精度為100%), 所以廣泛應用于各種開環控制。步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動, 這種裝置就是步進電機驅動器, 它是把控制系統發出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移, 或者說: 控制系統每發一個脈沖信號, 通過驅動器就使步進電機旋轉一步距角。所以步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。所以，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調速；控制步進脈沖的個數，可以對電機精確定位目的；

2、步進電機通過細分驅動器的驅動，其步距角變小了，如驅動器工作在10細分狀態時，其步距角只為‘電機固有步距角‘的十分之一，也就是說：‘當驅動器工作在不細分的整步狀態時，控制系統每發一個步進脈沖，電機轉動1.8°；而用細分驅動器工作在10細分狀態時，電機只轉動了0.18° ‘，這就是細分的基本概念。細分功能完全是由驅動器靠精確控制電機的相電流所產生，與電機無關。

3、驅動器細分有什么優點，為什么一定建議使用細分功能？

驅動器細分后的主要優點為：完全消除了電機的低頻振蕩。低頻振蕩是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑，如果您的步進電機有時要在共振區工作（如走圓弧），選擇細分驅動器是唯一的選擇。提高了電機的輸出轉矩。尤其是對三相反應式電機，其力矩比不細分時提高約30-40%。提高了電機的分辨率。由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，‘提高電機的分辨率‘是不言而喻的。