本章將介紹在嵌入式平台up－***arm2410－s中步進電機的實現。步進電機在各個領域諸如機械人、智慧型控制、工業控制等方面都有著廣泛的應用空間，本章著重介紹步進電機的工作原理及程式設計實現步進電機驅動的方法，主要內容如下：
l 步進電機的概述
l 步進電機的工作原理
l 和微處理器的匯流排連線方式
l 驅動程式的程式設計
l linux 下用軟體的方法實現步進電機的脈衝分配，用軟體的方法代替硬體的脈衝分配器
1．步進電機概述
步進電機是一種能夠將電脈衝訊號轉換成角位移或線位移的機電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機有單路電脈衝驅動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅動。多相步進電動機有多相方波脈衝驅動，用途很廣。
使用多相步進電動機時，單路電脈衝訊號可先通過脈衝分配器轉換為多相脈衝訊號，在經功率放大後分別送入步進電動機各相繞組。每輸入乙個脈衝到脈衝分配器，電動機各相的通電狀態就發生變化，轉子會轉過一定的角度（稱為步距角）。
正常情況下，步進電機轉過的總角度和輸入的脈衝數成正比；連續輸入一定頻率的脈衝時，電動機的轉速與輸入脈衝的頻率保持嚴格的對應關係，不受電壓波動和負載變化的影響。由於步進電動機能直接接收數字量的輸入，所以特別適合於微機控制。
1.1步進電機的特性
步進電機轉動使用的是脈衝訊號，而脈衝是數碼訊號，這恰是計算機所擅長處理的資料型別。從20世紀80年代開始開發出了專用的ic驅動電路，今天，在印表機、磁碟器等的oa裝置的位置控制中，步進電機都是不可缺少的組成部分之一。總體上說，步進電機有如下優點：
1．不需要反饋，控制簡單。
2．與微機的連線、速度控制（啟動、停止和反轉）及驅動電路的設計比較簡單。
3．沒有角累積誤差。
4．停止時也可保持轉距。
5．沒有轉向器等機械部分，不需要保養，故造價較低。
6．即使沒有感測器，也能精確定位。
7．根椐給定的脈衝週期，能夠以任意速度轉動。
但是，這種電機也有自身的缺點。
8．難以獲得較大的轉矩
9、不宜用作高速轉動
10．在體積重量方面沒有優勢，能源利用率低。
11．超過負載時會破壞同步，速工作時會發出振動和雜訊。
1.2 步進電機的種類
目前常用的步進電機有三類：
1、反應式步進電動機（vr）。
採用高導磁材料構成齒狀轉子和定子，其結構簡單，生產成本低，步距角可以做的相當小，但動態效能相對較差。
2、永磁式步進電動機（pm）。
轉子採用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側配置齒狀定子。用轉子和定子之間的吸引和排斥力產生轉動，轉動步的角度一般是7.50。它的出力大，動態效能好；但步距角一般比較大。
3、混合步進電動機（hb）。
這是pm和vr的復合產品，其轉子採用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結構。此類電機綜合了反應式和永磁式兩者的優點，步距角小，出力大，動態效能好，是效能較好的一類步進電動機，在計算機相關的裝置中多用此類電機。
2、步進電機的工作原理
現以反應式三相步進電機為例說明其工作原理。
三相步進電機的定子鐵心上有六個形狀相同的大齒，相鄰兩個大齒之間的夾角為60 度。每個大齒上都套有乙個線圈，徑向相對的兩個線圈串聯起來成為一相繞組。各個大齒的內表面上又有若干個均勻分布的小齒。
轉子是乙個圓柱形鐵心，外表面上圓周方向均勻的布滿了小齒。轉子小齒的齒距是和定子相同的。設計時應使轉子齒數能被二整除。
但某一相繞組通電，而轉子可自由旋轉時，該相兩個大齒下的各個小齒將吸引相近的轉子小齒，使電動機轉動到轉子小齒與該相定子小齒對齊的位置，而其它兩相的各個大齒下的小齒必定和轉子的小齒分別錯開正負1/3 的齒距，形成「齒錯位」，從而形成電磁引力使電動機連續的轉動下去。
和反應式步進電動機不同，永磁式步進電動機的繞組電流要求正，反向流動，故驅動電路一般要做成雙極性驅動。混合式步進電動機的繞組電流也要求正，反向流動，故驅動電路通常也要做成雙極性。
2.1、步進電機的勵磁方式
步進電機有2相、4相和5相電機。在4相電機中有4組線圈，若電流按順序通過線圈則使電機產生轉動。2相電機中有2組線圈。
從圖9.3可以發現，在各線圈中引出中間端子，因此若以中間端子為基準即可實現4相，稱這4為a、b、c、d的勵磁相。本實驗使用的就是這種方式的4相電機，而勵磁方式中有1相（單向）勵磁、2相（雙向）勵磁和1－2相（單－雙向）勵磁方式。
此外，如果轉動的方向不正確，可以交替1、2端子或3、4號端子
(1). 1相勵磁方式
按abcd的順序總是僅有乙個勵磁相有電流通過，因此，對應1個脈衝訊號電機只會轉動一步，這使電機只能產生很小的轉矩並會產生振動，故很少使用。
圖2.t1－t4表示脈衝週期；abcd表示電機的各相，1表示此時有乙個脈衝，0表示沒有
(2). 2相勵磁方式
按ab、bc、cd、da的方式總是只有2相勵磁，通過的電流是1相勵磁時通過電流的2倍，轉矩也是1相勵磁的2倍。此時電機的振動較小且應答頻率公升高，目前仍廣泛使用此種方式。
圖3.t1－t4表示脈衝週期；abcd表示電機的各相，1表示此時有乙個脈衝，0表示沒有脈衝
(3). 1－2相勵磁方式
即實驗中所有的勵磁方式，它按a、ab、b、bc、c、cd、d、da的順序交替進行線圈的勵磁。與前述的2個線圈勵磁方式相比，電機的轉速是原來的1/2，應答頻率範圍變為原來的2倍。轉子以滑動的方式轉動。
圖4.t1－t8表示脈衝週期；abcd表示電機的各相，1表示此時有乙個脈衝，0表示沒有脈衝
3．與微處理器的連線方式
步進電機並不是直接與cpu相連的。由於開發板上外部裝置很多，各功能模組與微處理器的連線方式有專用線路，區域性匯流排與擴充套件匯流排。
3.1 區域性匯流排與擴充套件匯流排
區域性匯流排與微處理器直接相連，擴充套件匯流排通過乙個匯流排控制器74lvch6245與區域性匯流排相連。
從cpu 出來的資料、位址、讀寫控制等訊號構成區域性匯流排。nand flash、sdram和網絡卡晶元ax88796 直接掛在區域性匯流排上的。區域性匯流排經過四片74lvch16245 驅動後作為擴充套件匯流排引到其他外設以及168pin 擴充套件槽。
由於資料線是雙向的，所以16245晶元必須有方向控制訊號，這裡採用經過隔離後的寫控制訊號oe 作為資料線所在16245 晶元的方向控制線。當oe 有效時16245 晶元把擴充套件匯流排上的資料傳輸到區域性匯流排上；當oe無效時反之。另外，必須注意，當系統對區域性匯流排上的晶元讀資料時oe 一樣會起作用，這樣就必須對區域性匯流排和擴充套件匯流排進行匯流排仲裁，這裡是外設所具有的四個片選訊號ngcs1、3、4、5 用74hc21 相與後作為資料線所在的16245 晶元的輸出使能控制線，只有當系統對擴充套件匯流排讀操作，也就是上述四個片選之一有效時，16245 才能對區域性匯流排輸出資料，否則無論oe 如何都呈現高阻態。
如下圖：
注：ldata表示區域性匯流排的資料線；data表示擴充套件匯流排的資料線。74lvch16425晶元共有四塊，限於篇幅僅舉一片為例，其它三片晶元，一片用於資料線的低位連線，兩片用於位址線的連線。
注：由於片選線使用的負邏輯電平有效，所有此處用的是與門
3.2晶元74hc573
擴充套件匯流排連線在晶元74hc573上，擴充套件匯流排的data0－data7分別接在74hc573的八個資料輸入端上。74hc573晶元是由8個三態門組成的暫存器，它起到暫時儲存資訊和隔離匯流排的作用。晶元的輸出i\o0—i\o3用於d\a數模轉換，i\o4—i\o7用於步進電機的控制。
描述：這個晶元採用的是八進位的d觸發器，它可以驅動電容式或電阻式的負載。因此它特別適合應用於緩衝暫存器、io埠、雙向的匯流排控制器、和操作暫存器。
當暫存器的使能端（le）為高電平時，q輸出端和d輸入端一一對應；當le為低電平時，輸出端管腳q輸出的是暫存器中已被設定的值。當乙個能開啟緩衝功能的負邏輯管腳（oe）為0時，無論是在正常邏輯狀態還是在高阻抗狀態下，都能放置八位的輸出資料。在高阻抗狀態下。
輸出並沒有負載或者進行控制匯流排。高阻態和改進的匯流排驅動可以在不拉起元件的情況下控制匯流排傳輸。oe端並不影響暫存器內部的操作。
當輸出端呈高阻狀態時舊的資料可以被儲存或者新的資料進行輸入。
3.3步進電機模組的驅動電路
74hc573晶元的輸出i\o4—i\o7用於用來驅動步進電機的轉動。資料線要首先接在步進電機模組的乙個介面上。介面對訊號進行放大，使之能夠驅動步進電機。
放大後的訊號就可以直接的來使步進電路進行工作了。
3.4、開發板中的步進電機
本開發板中使用的步進電機為四相步進電機。轉子小齒數為64。
系統中採用四路i/o 進行並行控制，arm 控制器直接發出多相脈衝訊號，在通過功率放大後，進入步進電機的各相繞組。這樣就不再需要脈衝分配器。脈衝分配器的功能可以由純軟體的方法實現如上圖所示。
四相步距電機的控制方法有四相單四拍，四相單、雙八拍和四相雙四拍三種控制方式。
步距角的計算公式為：
θb＝3600／mck
其中：m 為相數，控制方法是四相單四拍和四相雙四拍時c 為1，控制方法是四相單、雙八拍時c 為2，zk 為轉子小齒數。
本系統中採用的是四相單、雙八拍控制方法，所以步距角為360°/512。但步進電機經過乙個1/8 的減速器引出，實際的步距角應為360°/512/8。
開發平台中使用exi/o 的高四位控制四相步進電機的四個相。按照四相單、雙八拍控制方法，電機正轉時的控制順序為a→ab→b→bc→c→cd→d→da。exi/o 的高四位的值參見下表：
表5. 電機正轉時，exio的高四位的值
步進電機工作原理
步進電動機是一種將電脈衝訊號轉換成機械位移的機電執行元件元件。每當乙個脈衝訊號施加於電機的控制繞組時每當乙個脈衝訊號施加於電機的控制繞組時，其轉軸就轉過乙個固定的角度 步距角 順序連續地發給脈衝順序連續地發給脈衝順序連續地發給脈衝，則電機軸一步接一步地運轉。一 步進電機結構 圖1 步進電機結構圖 1...
步進電機工作原理
摘要 隨著工業的快速發展。在當今的生活生產中，人們對電動機這門學科的知識需要有足夠的了解。而步進電動機是系統中的執行元件，在機電一體化產品中有著關鍵作用,大量使用在各行各業自動化控制系統裡。隨著數控技術的發展，在各個國民經濟領域中對步進電動機的需求日益增多。關鍵詞 步進電動機 工作原理 反應式步進電...
PLC控制步進電機的方法步進電機工作原理
一 引言 微電子技術和計算機技術發展，可程式設計序控制器有了突飛猛進發展，其功能已遠遠超出了邏輯控制 順序控制範圍，它與計算機有效結合，可進行模擬量控制，具有遠端通訊功能等。有人將其稱為現代工業控制三大支柱 即plc，機械人，cad cam 之一。目前可程式設計序控制器 programmable c...