微控制器系统设计与应用 江苏建筑职业技术学院 刘燎原 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 直流电机步进电机 电机模块 PROTEUS 仿真 PROTEUS仿真 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 情境六 电机 项目一 步进电机 1 学习步进电机 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 u在工业控制系统中 通常要控制机械部件的平移和转动 这些机械部件的驱动大部分都采用交流电机 直流电 机 步进电机 在这三种电机中 步进电机最适合数字 控制 因此在数控机床 家用电器 精密仪器中得到广 泛应用 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 一 概述 u一般电机 直流电机 都是连续运转的 而步进电机却 是一步一步地转动 故称之为步进电机 u每当步进电机的驱动器接收到一个驱动脉冲后 步进电 机将会按照设定的方向转动一个固定的角度 u所以说步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机 构 u可以通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确 定位的目的 u可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达调速的目的 u因此在需要准确定位或调速控制时均可考虑使用步进电 机 u步进电机的这些特性非常适合单片机控制 控制信号由 单片机产生 步进电机则根据控制信号来动作 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 u二 步进电机的工作原理 步进电动机构造 由转子 转子 铁芯 永磁体 转轴 滚珠 轴承 定子 绕组 定子铁芯 前后端盖等组成 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 步进电机按相数 线圈个数 分为单相 双相 多相 以3相为例 定子的通电方式定子的通电方式 称为励磁方式 1 1相励磁方式 A相通电 B相通电 C相通电 当脉冲一个一个发来时 如果按A B C A 的顺序通电 则电机 转子便按逆时针转动 这种通电方式成为1相励磁方式 如果按A C B A 的顺序通电 则电机转子便按逆时针转动 2 2相励磁方式 顺时针轮回顺时针轮回 ABAB BCBC CACA ABAB 逆时针轮回逆时针轮回 BABA ACAC CBCB BABA 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 3 1 2相励磁方式 当脉冲一个一个发来时 如果按A A B B B C C C A 的顺序通电 则电机转子便按顺时针 转动 这种通电方式成为1 2相励磁方式 顺时针轮回顺时针轮回 AA ABAB BB BCBC C C CACA AA 逆时针轮回逆时针轮回 AA ACAC C C CBCB BB BABA AA 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 三 步进电动机主要参数 1 步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数 目前常用的有两相 三相 五相步进电机 2 拍数 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数 用m表示 或指电机转过一 个齿距角所需脉冲数 3 步距角 对应一个脉冲信号 电机转子转过的角位移 4 电压 5VDC 12VDC 5 减速比 减速电机 内部转子 外部转轴 例如减速比为1 64 是指内部转子转64圈 外部转1圈 例如上图为28BYJ48型5线四相八拍步进电机 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 u 5线四相八拍 相序表如下 P1 3210 拍数 DCBA 脉冲 对应值 1 0001 01 2 0011 03 3 0010 02 4 0110 06 5 0100 04 6 1100 C0 7 1000 80 8 1001 90 5线 5根线 1根 红色 为电源线 其他4根分别为A B C D 和单片机的 I O口相连 每给一个脉冲 电机内部的转子转一个角度 步距角5 625 当给8个脉冲 电机内部转子转一齿距 8 5 625 45 如果内部转子要转一圈 需要转360 45 8个齿距 正 转 反 转 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 uunsigned char code zz 0 x01 0 x03 0 x02 0 x06 0 x04 0 x c0 0 x80 0 x90 uunsigned char code fz 0 x90 0 x80 0 xc0 0 x04 0 x06 0 x 02 0 x03 0 x01 u for i 0 i 8 i for j 0 j 8 j P1 zz j delay 内部转子转1圈 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 u 四 步进电机的驱动 u 步进驱动器 是一种能使步进电机运转的功率放大器 能把控制器 发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移 电机的转速与脉冲频率 成正比 所以控制脉冲频率可以精确调速 控制脉冲数就可以精确 定位 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 u ULN2003 反相驱动芯片 高压大电流达林顿晶体管阵列系列产 品 具有电流增益高 大于1000 工作电压高 大于50V 温度范围宽 带负载能力强 输出电流大于500mA 等特点 适应 于各类要求高速大功率驱动的系统 主要用于如下领域 伺服电机 步进电机 电磁阀 可控照明灯 二极管起断 电后放电保 护作用 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 u例 通过按键 控制电机的正转 反转 停止 微控制器系统设计与应用 徐州建筑职业技术学院 刘燎原 信息电子信息电子 工程学院工程学院 复习 u 1 电脉冲转化为角位移 u 2 几个名词 u 相数 u 拍数 u 励磁方式 u 步距角 u 3 驱动 ULN2003 u 4 正反转 送脉冲的顺序 u 角度 送脉冲个数 u 速度 送脉冲的频率 徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 8 2 直流电机 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 u一 简介 u 在直流电机的两电刷端加上直流电压 将电能输入电枢 机械能就 从电机轴上输出 拖动生产机械 将电能转换成机械能而成为电动 机 u 直流电机主要由定子 主磁极 换向极 机座 电刷装置 转子 电枢铁心 电枢绕组 换向器 两部分组成 定子的作用是产 生磁场 转子在定子磁场作用下得到转矩而旋转起来 u 直流电机的转速由电枢 即转子线圈 电压决定 电枢电压越高 电动机转速就越快 电枢电压为0V时 直流电机就停转 u 改变电枢电压的极性 电机就反转 u 因此改变电枢电压的大小和极性可以改变直流电机的转速和转向 信息电子信息电子 工程学院工程学院 二 直流电机调速 u 直流电机的转速由电枢 即转子线圈 电压决定 通过调整电枢电 压来实现调速的 u 直流电压 5V 如何改变 u 改变平均电压值 u 让电压一段时间5V 一段时间0V 得到不同的平均电压 u 1 PWM波 u PWM Pulse Width Modulation的缩写 是指脉冲宽度调制 如何产生脉冲宽度可调的波形呢 u 按一个固定的频率来接通和断开电源 把直流电压变成电压脉冲序 列 根据需要改变一个周期内 接通 和 断开 时间的长短 实现控 制电压脉冲宽度 徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 信息电子信息电子 工程学院工程学院 u 2 直流电机的PWM调速 u 把PWM信号加到直流电机上 u 通过改变一个周期内 接通 和 断开 时间来改变PWM脉宽 改变 直流电机电枢上电压的 占空比 从而达到改变平均电压大小的目 的 最终控制了电动机的转速 u 只要按一定规律 改变通 断电的时间 即可让电机转速得到控制 u 设占空比为D 设电机始终接通电源时 电机转速最大为Vmax 则电机的平均速度为 u Va Vmax D u 式中D t1 T占空比 t1为接通时间 T为一个周期 u 当我们改变占空比D t1 T时 就可以得到不同的电机平均速度 从而达到调速的目的 徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 信息电子信息电子 工程学院工程学院 三 直流电机驱动 u 直流电机的驱动主要完成直流电机的方向控制以及I O端口的驱动 直流电机的转子转动方向可由直流电机上所加电压的极性来控制 u 1 H桥控制电路 u 可应用于步进电机 交流电机及直流电机等的驱动 u 它的形状酷似字母H u 要使电机运转 必须导通对角线上的一对三极管 根据不同三极管 对的导通情况 电流可能会从左至右或从右至左流过电机 从而控 制电机的转向 徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 信息电子信息电子 工程学院工程学院 u 当Q1管和Q4管导通时 电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机 然后再经 Q4回到电源负极 按图中电流箭头所示 该流向的电 流将驱动电机顺时针转动 当三极管Q1和Q4导通时 电流将从左 至右流过电机 从而驱动电机按特定方向转动 电机周围的箭头指 示为顺时针方向 u 另一对三极管Q2和Q3导通的情况 电流将从右至左流过电机 当 三极管Q2和Q3导通时 电流将从右至左流过电机 从而驱动电机 沿另一方向转动 电机周围的箭头表示为逆时针方向 徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 信息电子信息电子 工程学院工程学院 u2 L298驱动芯片 u L298是双H桥高电压大电流功率集成电路 可用来驱动继电器 线 圈 直流电动机步进电动机等电感性负载 它的驱动电压可达46V 直流电流总和可达4A 其内部具有2个完全相同的PWM功率放 大回路 u 管脚 u OUT1 OUT2 OUT3 OUT4引脚是L298的输出端 这4个引 脚之间可以接2个直流电机 徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 信息电子信息电子 工程学院工程学院 u IN1 IN2 IN3 IN4引脚通过置高电平和低电平组合实现两个 电机的正反转 u ENA ENB为使能端 高电平有效 分别为 IN1和IN2 IN3和 IN4的使能端 该端口一般和单片机软件产生的PWM波输出端相 连 实现电机的调速 u VSS为芯片电源 VS为电机电源 u SENA SENB是电流取样电阻 徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 信息电子信息电子 工程学院工程学院徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 信息电子信息电子 工程学院工程学院 u项目要求 设计一个小车的控制器 可以实现小车的加 速 减速 正转 反转功能 徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 信息电子信息电子 工程学院工程学院 几个说明问题 u 1 独立按键程序 u 并列结构 u 2 PWM波如何产生 方波 u 1 利用定时器来产生 u 根据PWM波的周期及占空比变化快慢来确定定时器定一次的时间 u 假定PWM信号的周期T 1ms f 1khz 要求每按一次按键 占空比以10 比例递增减 那么把整个周期10等份 1等分为 100us 所以利用定时器的定时时间设定为100us 对此定时时 间进行统计个数 计满10个 即1个周期 u TH0 65536 100 256 u TL0 65536 100 256 u 利用i存放100us个数 i u 2 通过修改高电平的值修改占空比 u 以100us为基本单位 假设设定高电平的初始值位为2个单位 持续时间200us 则占空比为20 在周期固定的情况下 通 过按键K1或K2修改高电平的值 即可修改占空比 徐州建筑职业技术学院徐州建筑职业技术学院 信息电子信息电子 工程学院工程学院 u void time0 void interrupt 1 中断函数 u u TH0 65536 100 256 u TL0 65536 100 256 u if i 9 u u i 0 u u if i zkb zkb高电平的个数初值