初稿科技學(xué)院2011屆陸修遠(yuǎn)

1、科技學(xué)院 2011 屆本科基于 Arduino 的步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師：學(xué)生學(xué)生學(xué)號(hào)：072004110479中國(guó)貴陽(yáng)2011 年 5 月目錄摘要Abstract第一章緒論11.1 題目說(shuō)明11.2Arduino 的基本情況及步進(jìn)電機(jī)發(fā)展情況21.2.1 Arduino 的基本情況21.2.2 步進(jìn)電機(jī)發(fā)展情況31.3課題的意義與目標(biāo)31.4的整體結(jié)構(gòu)安排4第二章系統(tǒng)架構(gòu)及說(shuō)明52.1步進(jìn)電機(jī)工作原理及特點(diǎn)52.1.1 步進(jìn)電機(jī)種類及工作原理52.1.2 步進(jìn)電機(jī)的頻率特性112.2Arduino 開發(fā)板的工作特性及特點(diǎn)142.2.1 Arduino 開發(fā)板的工作

2、特性142.2.2 Arduino特點(diǎn)142.3系統(tǒng)架構(gòu)142.3.1 步進(jìn)電機(jī)控制原理142.3.2 控制系統(tǒng)程序流程圖15第三章系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)173.1各個(gè)模塊的原理圖及接口細(xì)節(jié)173.1.1 L298 的原理圖173.2實(shí)驗(yàn)程序183.3連接實(shí)物圖22第四章 總結(jié)與展望分析23參考文獻(xiàn)24致謝25基于 Arduino 的步進(jìn)電機(jī)的控制設(shè)計(jì)摘要介紹了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展史及國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀和 Arduino 開發(fā)板的基本情況，并且闡述步進(jìn)電機(jī)的工作原理。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化

3、的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步進(jìn)角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差，使得在諸如數(shù)控機(jī)床、某些光學(xué)儀器、計(jì)算機(jī)的打印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器等，用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速一般是改變輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖的轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這樣就可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)改變脈沖的頻率，延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)控制步進(jìn)角來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。本設(shè)計(jì)闡述了一種步進(jìn)電機(jī)控制的設(shè)計(jì)方案，并繪制了原理圖，撰寫了程序源代碼。實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，并完成實(shí)物制作。這期間主要使用 Pro99繪制原理圖，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)試程序代碼的實(shí)

4、際功能，完成此設(shè)計(jì)。：步進(jìn)電機(jī)；Arduino 開發(fā)板；控制、Based on Arduino stepmotor control designAbstractthe history of stepper motor and domestic situation andThis prroduArduino development board, and sets forth the basic working principle of stepmotor. Stepmotor is convertedo electrical impulses signal of the angulardispl

5、acement or linear displacement open loop control components.he overload ofthe cases, motor speed, stopition only depend on the pulse signal frequency andpulse count, and not under the influence of load changes, i.e. give motor add a pulsesignal, motor is turned a stephorns. The existence of a sexual

6、 relationship, plusthe stepmotor only cyclical error and no accumulative error, such as CNCmachines, make some optical instrument, computrers, disk drives, etc, with thestepmotor to controles very simple. The step motor speed control isgenerally change input pulse stepper motor roe a fixed Angle, wh

7、ich can throughcontrolling the step motor a pulse to the next pulseerval to change pulse frequency,delay length to control stepAngle to change the motor speed, so as to realize thestepper motor speed. This design expounds a kind of stepmotor control designscheme and mapped the principle diagram, com

8、e the source code. Realize thestepmotor speed control, and complete the making of objects. During this periodthe main use Pro99 software rendering principle diagram, finally through computerdebugging code, the actual function complete this design.Keyword：Stepmotor,Arduino development board,Control第一

9、章緒論1.1題目說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)最早是在1920年由英國(guó)人所開發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，這對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過(guò)不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過(guò)程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電

10、脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的角位移或直線位移的開環(huán)控制元件?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的輸入脈沖數(shù)量、頻率及電機(jī)各相繞組的接通順序,就能得到各種需要的運(yùn)行特性。步進(jìn)電機(jī)在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步進(jìn)角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差，使得在諸如數(shù)控機(jī)床、某些光學(xué)儀器、計(jì)算機(jī)的、磁盤驅(qū)動(dòng)器等，用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。而采用步進(jìn)電機(jī)組成的控制系統(tǒng)還具有價(jià)格低廉、控制簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）

11、和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。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，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。鑒于傳統(tǒng)的脈沖系統(tǒng)移植性不好,本設(shè)計(jì)提出微機(jī)控制系統(tǒng)代替脈沖發(fā)生器和脈沖分配器,用的方法產(chǎn)生控制脈沖,通過(guò)編程可以任意設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)和控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。以簡(jiǎn)化控制電路,降低生產(chǎn)成本,

12、提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和靈活性。本文一種基于Arduino設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，利用Arduino的通用的輸入輸出接口，可以編程支配。不僅操作簡(jiǎn)單方便，而且容易實(shí)現(xiàn)。鑒于Arduino的特點(diǎn)，系統(tǒng)具有良好的通用性。1.21.2.1Arduino的基本情況及步進(jìn)電機(jī)發(fā)展情況Arduino的基本情況Arduino是一個(gè)開放的硬件，包括一個(gè)簡(jiǎn)單易用的I/O電路板，以及一個(gè)基于Eclipse的開發(fā)環(huán)境。Arduino是一塊基于開放源代碼的USB接口Simplei/o接口板（包括12通道數(shù)字GPIO，4通道輸出，6-8通道10bit ADC輸入通道），并且具有使用類似Java,C語(yǔ)言的IDE集成開發(fā)環(huán)境。

13、 Arduino可以被用來(lái)開發(fā)能夠獨(dú)立運(yùn)行，并具備一定互動(dòng)性的電子作品，也可以被用來(lái)開發(fā)與PC相連接的裝置，這些裝置甚至還能夠與運(yùn)行在PC 上的（ 如Flash ，Max/Msp，Director，Prosing等）。Arduino還具有以下優(yōu)點(diǎn)。低成本 和其它單片機(jī)相比，Arduino開發(fā)板相當(dāng)便宜。跨 Arduino可以運(yùn)行在Windows，Macosh OSX，和Linux操作系統(tǒng)。大部分其它的單片機(jī)系統(tǒng)都只能運(yùn)行在Windows上。簡(jiǎn)易的編程環(huán)境 初學(xué)者很容易就能學(xué)會(huì)使用Arduino編程環(huán)境，同時(shí)它又能為高級(jí)用戶提供足夠多的高級(jí)應(yīng)用。開源并可擴(kuò)展 Arduino是開源的，對(duì)于程序員可

14、以對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。Arduino編程語(yǔ)言可以通過(guò)C+庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)展。硬件開源并可擴(kuò)展 Arduino板基于 Atmel 的ATMEGA8 和ATMEGA168 單片機(jī)?；鵰ons協(xié)議。USB接口方面 不需外接電源，另外有9V DC輸入。應(yīng)用廣泛 利用Arduino，突破以往只能使用鼠標(biāo)，鍵盤，CCD等輸入的裝置的互動(dòng)內(nèi)容，可以更簡(jiǎn)單地達(dá)成單人或多人互動(dòng)。Arduino 的開發(fā)團(tuán)隊(duì)成員包括：Massizi，David Cuartielles，Tom Igoe，Gianluca Martino，David Mellis 和 Nicholas Zambetti。據(jù)說(shuō) Massizi 之前是意大利 Ivre

15、a 一家高科技設(shè)計(jì)學(xué)校的老師。他的學(xué)生們經(jīng)常抱怨找不到便宜好用的微控制器。2005 年冬天， Massizi 跟David Cuartielles了這個(gè)問(wèn)題。David Cuartielles 是一個(gè)西班牙籍工程師，當(dāng)時(shí)在這所學(xué)校做學(xué)者。兩人決定設(shè)計(jì)自己的電路板，并引入了Banzi 的學(xué)生 David Mellis 為電路板設(shè)計(jì)編程語(yǔ)言。兩天以后，David Mellis就寫出了程式碼。又過(guò)了三天，電路板就完工了。這塊電路板被命名為Arduino。幾乎任何人，即使不懂電腦編程，也能用 Arduino 做出很酷的東西，比如對(duì)傳感器作出回應(yīng)，閃爍燈光， 還能控制馬達(dá)。隨后 Banzi ，Cuart

16、ielles，和 Mellis 把設(shè)計(jì)圖放到了網(wǎng)上。保持設(shè)計(jì)的開放源碼理念，因?yàn)榉梢蚤_源，卻很難用在硬件上，他們決定采用共享創(chuàng)意許可。共享創(chuàng)意是為保護(hù)開放行為而出現(xiàn)的類似 GPL 的一種license）。在共享創(chuàng)意下，任何人都被允許生產(chǎn)電路板的品，還能重新設(shè)計(jì)，甚至銷售原設(shè)計(jì)的品。你不需要付版稅，甚至不用取得 Arduino 團(tuán)隊(duì)的許可。1.2.2步進(jìn)電機(jī)發(fā)展情況我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的研究與制造起始于上世紀(jì) 50 年代后期。從 50 年代后期到 60年代后期，主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置二使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段機(jī)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。70 年代初期，步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究有所

17、突破。除反映在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長(zhǎng)足進(jìn)步外，隊(duì)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)本身的設(shè)計(jì)研究發(fā)展到一個(gè)較高水平。70 年代中期至 80 年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電機(jī)不斷被開發(fā)。自 80 年代中期以來(lái)，由于對(duì)步進(jìn)電機(jī)精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品廣泛應(yīng)用。1.3課題的意義與目標(biāo)了解步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。掌握步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及其調(diào)試技術(shù)。本課題是以 Arduino 開發(fā)板為控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，為進(jìn)一步研究和優(yōu)化步進(jìn)電機(jī)控制方法提供基礎(chǔ)?；贏rduino 的步進(jìn)電機(jī)控制可以用Arduino 來(lái)為步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)，來(lái)精確地控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度

18、和速度。通過(guò)本課題的設(shè)計(jì)與制作，掌握Arduino 編程方法，鞏固所學(xué)的相關(guān)知識(shí)，增強(qiáng)實(shí)際操作能力，學(xué)習(xí)已有的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，另外希望通過(guò)這一系列的研究，尋找出一些與眾不同的設(shè)計(jì)思路，試著設(shè)計(jì)出一些具有自己思路的電子產(chǎn)品。培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，獨(dú)立地分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系緊密，并且是跨學(xué)科的電子系統(tǒng)應(yīng)用，對(duì)培養(yǎng)我以后的工程設(shè)計(jì)工作具有很強(qiáng)的參考意義。我希望通過(guò)此次設(shè)計(jì)能使工程設(shè)計(jì)水平邁向新的臺(tái)階，在實(shí)踐設(shè)計(jì)中復(fù)習(xí)好專業(yè)知識(shí)，并對(duì)電子相關(guān)的其他領(lǐng)域有一定的了解。隨著現(xiàn)代化工業(yè)進(jìn)程的發(fā)展，控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)通信在各領(lǐng)域的運(yùn)用也日益增加，其主導(dǎo)作用也逐漸體現(xiàn)，因此通過(guò)

19、本次設(shè)計(jì)與學(xué)方面可以鍛煉自己的動(dòng)手能力與學(xué)習(xí)能力，另一方面可以讓把握住現(xiàn)代信息社會(huì)脈搏，為以后工作和學(xué)習(xí)確立正確方向與目標(biāo)。1.4.的整體結(jié)構(gòu)安排第一章緒論首先闡述步進(jìn)電機(jī)和 Arduino 開發(fā)板的基本情況，然后介紹了它們各自的發(fā)展情況，最后給出了課題研究的目標(biāo)和意義。第二章系統(tǒng)架構(gòu)及說(shuō)明首先介紹了步進(jìn)電機(jī)的工作原理，并對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行描述，然后對(duì) Arduino 的開發(fā)板的工作特性及其使用的特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，最后闡述系統(tǒng)整體架構(gòu)。第三章各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)首先闡述程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制，然后著重說(shuō)明各個(gè)接口的詳細(xì)特點(diǎn)和 L298，最后介紹實(shí)施細(xì)節(jié)和調(diào)試工作。第四章總結(jié)與展望分析首先對(duì)整個(gè)進(jìn)行總結(jié)說(shuō)明，然后

20、給出實(shí)物連接圖，最后對(duì)課題進(jìn)行深入分析與展望。第二章系統(tǒng)架構(gòu)及說(shuō)明2.1步進(jìn)電機(jī)工作原理及特點(diǎn)2.1.1步進(jìn)電機(jī)種類及工作原理現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括永磁（PM）式步進(jìn)電機(jī)、可變磁阻（VR）式步進(jìn)電機(jī)、混合（HB）式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。步進(jìn)電機(jī)由三部分組成定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)座,橫向剖面示意圖如圖 1 所示，外圈上的A、A、B、B、C、C為定子,上有多相勵(lì)磁繞組,中間帶齒狀結(jié)構(gòu)的部分為轉(zhuǎn)子,主要工作的部分為定子和轉(zhuǎn)子。處在垂直線上。如果繼續(xù)給這兩個(gè)線圈輸入電流，則轉(zhuǎn)子會(huì)由于磁場(chǎng)的吸引作用而一直停在這個(gè)位置上。使轉(zhuǎn)軸從它停留的位置離開所需的力矩稱為保持轉(zhuǎn)矩。圖 2（b）是另外一種情況。線圈

21、B 和 B受到激勵(lì)，而 A 和 A則繼續(xù)保持受勵(lì)狀態(tài)。假設(shè)線圈 B 成為 S 極，而線圈 B成為 N 極，則轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45，并停留在兩級(jí)之間與位置 2 對(duì)齊成一線。如果所有四個(gè)線圈中的電流都是反向的，則轉(zhuǎn)子也會(huì)翻轉(zhuǎn) 180。圖 2.3盤形永磁式步進(jìn)電機(jī)可變磁阻（Variable Reluctance，簡(jiǎn)稱 VR）式步進(jìn)電機(jī)又稱為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),定轉(zhuǎn)子均采用齒狀結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成,一般為三相,定子上有多相勵(lì)磁繞組,利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?？蓪?shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,步進(jìn)角一般為1.5 度,但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家 80 年代己被淘汰；可變磁阻(VR)式步進(jìn)電機(jī)使用電磁體作為定子

22、極。它的轉(zhuǎn)子是盤狀的，外緣一周排列著齒和槽。軟鐵轉(zhuǎn)子是不會(huì)被磁化的。圖 4 中所示的是可變磁阻式步進(jìn)電機(jī)的操作原理。它使用了六組定子線圈，形成了六個(gè)極對(duì)。每對(duì)磁極的位置相互正對(duì)著，且由于二者的線圈是串聯(lián)的，所以它們會(huì)同時(shí)受到激勵(lì)。又因?yàn)榫€圈纏繞的方向相反，所以每對(duì)磁極中兩個(gè)極的極性都是不同的。電機(jī)中一共有十二個(gè)定子極，它們兩兩相隔 30均勻排列一周。轉(zhuǎn)子上有八個(gè)齒，且兩兩相隔 45排列。因此，定子和轉(zhuǎn)子的排列間隔相差 15。和C獲得激勵(lì)同時(shí)撤去線圈B 和B的激勵(lì)，則轉(zhuǎn)子會(huì)再次旋轉(zhuǎn)步進(jìn)15。按照A、B 和 C 的順次不斷激勵(lì)三組線圈對(duì)，轉(zhuǎn)子的步進(jìn)動(dòng)作會(huì)一直重復(fù)下去。每當(dāng)步進(jìn) 24 次，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)

23、 360。這種遞次過(guò)程進(jìn)展得越迅速，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)得越快。信號(hào)的該變量決定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的距離。另外改變線圈激勵(lì)的次序，能夠使轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用的是南北極交替的多齒轉(zhuǎn)子，八個(gè)線圈繞組，它們按照四極定子的交替次序進(jìn)行排列，如圖 5 所示。在轉(zhuǎn)子的一周一共有 50個(gè)加工齒，每一次脈沖讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 1 /4 齒的距離。由于需要四次步進(jìn)才能轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒的寬度，要完成一周就需要200 步。因此用360除以200 步可以算出每一步的步進(jìn)角（也成分辨率）：360/200=1.8?？勺兇抛枋讲竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不需要磁化，因此它們可以做得很小很輕。轉(zhuǎn)子體積小會(huì)降低它的慣性，使得電機(jī)能夠?qū)刂菩盘?hào)做出迅速

24、的響應(yīng)。圖 2.5高分辨率的可變磁阻步進(jìn)電機(jī)混合（Hybrid，簡(jiǎn)稱 HB）式步進(jìn)電機(jī)又稱為感應(yīng)式同步電機(jī)121314,它的轉(zhuǎn)子采用永磁體,是一種永磁式步進(jìn)電,而同時(shí)定轉(zhuǎn)子的鐵心均為齒狀結(jié)構(gòu),具有小的齒距角,故又同可變磁阻（VR）式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)相似,所以混合（HB）式步進(jìn)電機(jī)可以看作是可變磁阻（VR）式和永磁（PM）式兩種步進(jìn)電的組合,既具有可變磁阻（VR）式步進(jìn)電機(jī)分辨率高,每轉(zhuǎn)步數(shù)比較多的特點(diǎn),又具有永磁（PM）式步進(jìn)電機(jī)的效率高、繞組電感比較小的特點(diǎn),故稱為混合（HB）式步進(jìn)電機(jī)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 1.8 度而五相步進(jìn)角一般為0.72 度。目前,這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為

25、廣泛。下面，以兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，來(lái)說(shuō)明混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的定子一般有 8 個(gè)極或 4 個(gè)極，每極上均勻分布一定數(shù)量的小齒及控制繞組；控制繞組采用集中繞組，每相為兩對(duì)極，如圖 6 所示。按AB(-A)(-B)A的順序輪流通以正、負(fù)脈沖（也可在同一相的極上繞上兩套繞相相反的繞組，通以正脈沖）；轉(zhuǎn)子是由環(huán)型磁鐵和兩端鐵芯組成，中間為環(huán)形軸向磁化的永磁體，磁體兩端各套有一段開有齒槽的鐵芯，兩段鐵芯錯(cuò)開半個(gè)齒距，且轉(zhuǎn)子齒距與定子小齒的齒距相等。顯然，同一段轉(zhuǎn)子片上的所有齒都具有相同極性，而兩塊不同段的轉(zhuǎn)子片的極性相反。(3)失調(diào)角 失調(diào)角是指轉(zhuǎn)子偏離零位的角度。(4)精度

26、 步進(jìn)電機(jī)的精度有兩種表示方法，一種用步距誤差最大值來(lái)表示，另一種用步距累計(jì)誤差最大值來(lái)表示。最大步距誤差是指電旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)相鄰兩步之間的最大步距角和理想步距角的差值，用理想步距的百分?jǐn)?shù)表示。最大累計(jì)誤差是指任意位置開始經(jīng)過(guò)任意步之間，角位移誤差的最大值。(5)轉(zhuǎn)矩 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩是一個(gè)重要的指標(biāo)。它又包括定位轉(zhuǎn)矩、靜轉(zhuǎn)矩、動(dòng)轉(zhuǎn)矩。定位轉(zhuǎn)矩是指在繞組不通電時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的最大值。通常反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩為零，混合式步進(jìn)電機(jī)有一定的定位轉(zhuǎn)矩。靜轉(zhuǎn)矩是指不改變繞組通電狀態(tài)，即轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩。它是繞組電流及失調(diào)角的函數(shù)。對(duì)應(yīng)某一失調(diào)角時(shí)靜轉(zhuǎn)矩最大，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。動(dòng)轉(zhuǎn)矩是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)情況下的最大輸出

27、轉(zhuǎn)矩值，它與運(yùn)行頻率有關(guān)。在一定頻率下，最大靜轉(zhuǎn)矩越大，動(dòng)轉(zhuǎn)矩也越大。(6)響應(yīng)頻率 在某一頻率范圍內(nèi)步進(jìn)電機(jī)可以任意運(yùn)行而不會(huì)丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。通常用啟動(dòng)頻率 fs 來(lái)作為衡量的指標(biāo)，它是指在一定負(fù)載下直接啟動(dòng)而不失步的極限頻率，稱為極限啟動(dòng)頻率。(7)運(yùn)行頻率 指拖動(dòng)一定負(fù)載使頻率連續(xù)上升時(shí)，步進(jìn)電機(jī)能不失步運(yùn)行的極限頻率。通過(guò)分析，主要的技術(shù)指標(biāo)中最重要的是步進(jìn)率和步進(jìn)角。步進(jìn)率是電機(jī)在一秒鐘內(nèi)能夠完成的最大步進(jìn)數(shù)。而步進(jìn)角則代表電機(jī)步進(jìn)一次所轉(zhuǎn)過(guò)的弧度。步進(jìn)角由轉(zhuǎn)子齒的數(shù)量和定子極的個(gè)數(shù)決定。步進(jìn)角和步進(jìn)率共同決定了電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際速度?？梢酝ㄟ^(guò)下列公式進(jìn)行計(jì)算：頻率

28、過(guò)高，超過(guò)步進(jìn)電機(jī)的最大步進(jìn)速度，就會(huì)產(chǎn)生失步。一般步進(jìn)電機(jī)的通電頻率，即起動(dòng)頻率為 50步秒到2000步秒。步進(jìn)電機(jī)的頻率特性曲線，是步進(jìn)電機(jī)的工作頻率及其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩所作出的曲線，典型的步進(jìn)電機(jī)頻率特性曲線如圖2所示。步進(jìn)電機(jī)的頻率特性曲線和很多有關(guān)，這些包括步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子鐵心有效長(zhǎng)、.控制線路的電壓、齒數(shù)、齒形、齒槽比、步進(jìn)電機(jī)的磁路、繞組的繞線方式、定轉(zhuǎn)子間的氣隙、轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距所需的拍數(shù)等。在使用中會(huì)影響到步進(jìn)電機(jī)頻率特性而又能由用戶確定的有：控制拍數(shù)、控制線路的電壓、線路時(shí)間常數(shù)等。下面分析這幾種對(duì)步進(jìn)電機(jī)頻率特性的影響。（1）.工作方式對(duì)頻率特性的影響在步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中，它

29、的工作方式是以一個(gè)齒距所用的拍數(shù)來(lái)表示的。拍數(shù)本質(zhì)上也就是轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距所需的電源電壓換相次數(shù)，值得的是換相是指對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而電源電壓是單極性的固定的。一般而言反應(yīng)式電機(jī)拍數(shù)越多矩頻特性就越好。因此設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇多拍的控制方式。（2）.線路時(shí)間常數(shù)對(duì)頻率特性的影響步進(jìn)電機(jī)的每相繞組供電都是通過(guò)功率開關(guān)電路進(jìn)行的。步進(jìn)電機(jī)一相繞組的開關(guān)電路如圖7所示。其中L為步進(jìn)電機(jī)繞組電感；RL為繞組電阻；Rc為晶體管T的集電極電阻；D是續(xù)流二極管，它為繞組放電提供回路；晶體管T是大功率開關(guān)管。Rc也是個(gè)外接的功率電阻，它是一個(gè)消耗性負(fù)載，一一般為數(shù)歐姆。這時(shí)線路的時(shí)間常數(shù)圖2.7 步進(jìn)電機(jī)一線繞

30、組的開關(guān)回路開關(guān)回路時(shí)間常數(shù)2.2Arduino 開發(fā)板的工作特性及其特點(diǎn)2.2.1Arduino 開發(fā)板的工作特性Arduino 板是一個(gè)微控制器 具有各種輸入管腳和輸出管腳的小型計(jì)算器。使用這些管腳，就可以創(chuàng)建無(wú)數(shù)交互式設(shè)備，包括像閃光燈一樣簡(jiǎn)單的設(shè)備，以及通過(guò)各種輸入創(chuàng)建使用伺服系統(tǒng)和引擎的復(fù)雜行為的復(fù)雜設(shè)備。Arduino由兩部分組成：硬件（包括微控制器、電路板等）和（編程接口和語(yǔ)言）。的兩個(gè)部分都是開源的。如果需要，可以Arduino的圖表、需要的所有獨(dú)立、切割電路板并從頭開始制作一個(gè)電路板。有很多用于這一用途的各種項(xiàng)目（如 Freeduino）。圖表和 CAD 文件已經(jīng)在Creat

31、ive Commons Share-Alike下發(fā)布。用于編寫 Arduino 的也是開源的。它是用 Java 編程語(yǔ)言編寫的并且是在 GPL（有一些已經(jīng)在 LGPL下發(fā)布的 C/C+ 微控制器庫(kù)）下發(fā)布的。2.2.2Arduino特點(diǎn)Arduino 編程語(yǔ)言是以 setup()開頭，loop()作為主體的一個(gè)程序構(gòu)架。是這樣描述 setup()的：用來(lái)初始化變量，管腳模式，調(diào)用庫(kù)函數(shù)等等，此函數(shù)只運(yùn)行一次。loop()函數(shù)是一個(gè)循環(huán)函數(shù)，函數(shù)內(nèi)的語(yǔ)句周而復(fù)始的循環(huán)執(zhí)行，類似c 語(yǔ)言中的“while(1);”。2.3系統(tǒng)架構(gòu)2.3.1步進(jìn)電機(jī)的控制原理步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)變?yōu)橄鄳?yīng)的直流位

32、移的數(shù)字/模擬變換器。每當(dāng)電機(jī)繞組接收一個(gè)脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的角度（步距）。步進(jìn)電機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比。在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因而只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相序，即可獲得所需要的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖 8 所示。圖 2.8步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)負(fù)載步進(jìn)電機(jī)L298Arduin o脈沖發(fā)生器是一個(gè)脈沖頻率由幾到幾十可連續(xù)變化的信號(hào)發(fā)生器，它為脈沖分配器提供脈沖序列。采用Arduino作為脈沖發(fā)生器來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，則可以發(fā)出有規(guī)律的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)脈沖放大器后，為步進(jìn)電機(jī)提供了一種可行的通電方式。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)從脈沖輸入線上得到一個(gè)脈沖，便沿時(shí)序脈沖所

33、確定的方向走一步。這里的脈沖發(fā)生器、分配器又稱為脈沖驅(qū)動(dòng)器電源。2.3.2控制系統(tǒng)程序流程圖圖 2.3系統(tǒng)流程圖程序開始，設(shè)置控制步數(shù)與定時(shí)器初始值為1秒。如果正轉(zhuǎn)，去正轉(zhuǎn)起始地址，如果不是正轉(zhuǎn)，去反轉(zhuǎn)起始地址，這是開中斷并允許，接著起動(dòng)定時(shí)，然后中斷等待。第三章系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)3.1各個(gè)模塊的原理圖及接口細(xì)節(jié)3.1.1 L298的原理圖動(dòng)( Dual Full-Bridge Driver ) ，包含 4 信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種L298 有Mutiwatt15 和erSO20 兩種封裝 MW.15 的1、15 和erSO 的2、19用法一樣，SEN1、SEN2 分別為兩個(gè) H 橋的電流反饋腳，不

34、用時(shí)可以直接接地。（MW.15）2、3=(erSO)4、5,1Y1、1Y2 輸出端，與 A1 與 1Y1）同邏輯4=6，VS 驅(qū)動(dòng)電壓，最小值須比輸入的低電平電壓高 2.5v 。5、7=7、9，1A1、1A2 輸入端，TTL 電平兼容 。6、11=8、14，1EN、2EN 使能端，低電平輸出 。8=1、10、11、20，GND 地 9=12，Vss 邏輯電源，4.5-7V 。10、12=13、15，2A1、2A2 輸入端，TTL 電平兼容。13、14=16、17，2Y1、2Y2輸出端 。=3、18，NC，無(wú)連接。圖 3.1L298與步進(jìn)電機(jī)原理圖二相和四相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2 個(gè)二相

35、或1 個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯準(zhǔn)位邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V、2A 以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；此可直接由單片機(jī)的 IO 端口來(lái)提供模擬時(shí)序信號(hào)L298N 為 SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)驅(qū)圖 3.2L298 引腳圖3.2實(shí)驗(yàn)程序LeftI1 = 28;/連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的I1 接口LeftI2 = 22;/連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的I2 接口LeftEA = 8;/連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的EA 接口RightI1 = 36;/連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的I1 接口RightI2

36、 = 42;/連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的I2 接口RightEB = 6;/連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的EB 接口StepCount = 0;StepDelayTime=1500;void setup()peftI1, OUTPUT);/I1 和I2 都是數(shù)字信號(hào)peftI2, OUTPUT);/通過(guò)設(shè)置 I1 和I2 來(lái)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向peftEA, OUTPUT);/按占空比方式輸出的模擬信號(hào)pode(RightI1, OUTPUT);/I1 和I2 都是數(shù)字信號(hào)pode(RightI2, OUTPUT);/通過(guò)設(shè)置I1 和I2 來(lái)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向pode(RightEB, OUTPUT);/按占空比方式輸出的

37、模擬信號(hào)Serial.begin(9600);/設(shè)置波特率void ForwardInit()digitalWrieftEA, HIGH);digitalWrite(RightEB,HIGH );digitalWrieftI1, LOW);digitalWrieftI2,HIGH );digitalWrite(RightI1,HIGH);digitalWrite(RightI2, HIGH);StepCount=0;void BackwardInit()digitalWrieftEA, HIGH);digitalWrite(RightEB,HIGH );digitalWrieftI1, LOW

38、);digitalWrieftI2,LOW );digitalWrite(RightI1,LOW);digitalWrite(RightI2, HIGH);StepCount=0;void ForwardOneStep()delayMicroseconds(StepDelayTime);switch(StepCount)case 0:digitalWrite(RightI2,LOW);digitalWrieftI1,HIGH);break;case 1:digitalWrite(RightI1,LOW);digitalWrite(RightI2,HIGH);break;case 2:digit

39、alWrieftI2,LOW);digitalWrite(RightI1,HIGH);break;case 3:digitalWrieftI1,LOW);digitalWrieftI2,HIGH);break;StepCount=(StepCount + 1) % 4;void BackwardOneStep()delayMicroseconds(StepDelayTime);switch(StepCount)case 0:digitalWrite(RightI2,LOW);digitalWrieftI1,HIGH);break;case 1:digitalWrieftI1,LOW);digi

40、talWrieftI2,HIGH);break;case 2:digitalWrieftI2,LOW);digitalWrite(RightI1,HIGH);break;case 3:digitalWrite(RightI1,LOW);digitalWrite(RightI2,HIGH);break;StepCount=(StepCount + 1) % 4;void loop()while(1)ForwardInit();for(i=0;i200;i+)ForwardOneStep();delay(1000);BackwardInit();for(i=0;i200;i+)BackwardOn

41、eStep();delay(1000);3.3連接實(shí)物圖圖3.3連接實(shí)物圖第四章總結(jié)與展望分析本次設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制，應(yīng)用Arduino開發(fā)板和L298N集成電路。減少了器件，可靠性高、占空間少、裝配成本低。通過(guò)Pro99等設(shè)計(jì)縮短了設(shè)計(jì)周期與成本。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)跨學(xué)科并且是實(shí)踐性很強(qiáng)的課題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中我不僅要利用自己的電子專業(yè)知識(shí)，還要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的電氣特性以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)的磁電驅(qū)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的了解。由于國(guó)家的步進(jìn)電機(jī)行業(yè)還處于一個(gè)起步階段，對(duì)步進(jìn)電機(jī)詳盡講解的書籍很少，我在網(wǎng)上查閱了大量的資料。在設(shè)計(jì)中原來(lái)在書本上很難理解的東西其實(shí)動(dòng)手做了之后，并沒有想象中的那么難。并且發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)中其實(shí)有很多的樂趣，一個(gè)程序的驗(yàn)證成功，一個(gè)小小的流水燈的閃爍都能給辛勤工作之后的我無(wú)限的快樂。在這次設(shè)計(jì)中，我積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)主要分為幾個(gè)方面：方面要多借鑒別人的功能模塊程序，