1. 實驗?zāi)康?/strong>（1）學(xué)習(xí)及掌握三相六拍步進電機工作原理。
（2）學(xué)習(xí)及掌握單片機與步進電機接口電路連接及控制方法。
（3）學(xué)習(xí)及掌握步進電機控制程序的設(shè)計方法。
2. 實驗設(shè)備（1）ZY15MCU12BC2單片機實驗開發(fā)裝置一臺。
（2）PC 系列微機及相關(guān)軟件。
3. 實驗內(nèi)容及要求（1）同實驗一。
（2）同實驗一。
（3）步進電機工作原理。
步進電機是現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)中最早出現(xiàn)的執(zhí)行部件，其特點是可以將數(shù)字脈沖信號直接轉(zhuǎn)換為一定數(shù)值的機械角位移，并且能夠自動產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)軸鎖定。步進電機本質(zhì)上是一個數(shù)字／角度轉(zhuǎn)換器。圖4-23所示為三相電機結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4-23 三相步進電機結(jié)構(gòu)示意圖
由圖4.22可知步進電機的定子鐵心上有6個等分磁極：A、Aˊ，B、Bˊ，C、Cˊ，相鄰兩個磁極間夾角為
，各相夾角為
，相對的兩個磁極組成一組A－Aˊ，B－Bˊ，C－Cˊ。定子每個磁極上均勻分布了5個矩形小齒，電機轉(zhuǎn)子圓周上也均勻的分布著40個小齒，相鄰齒夾角為
。利用電磁學(xué)的性質(zhì)可知，在某相繞組通電時，相應(yīng)的定子磁極將產(chǎn)生磁場，與轉(zhuǎn)子形成磁路；如此時定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，則在磁場作用下，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一定角度，達到齒的對齊。 在圖4.22三相單三拍控制方式下，當(dāng)電機A相繞組通電，B、C相不通電時，在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子齒和A相定子小齒對齊。設(shè)此狀態(tài)為初始狀態(tài)，并且令與A相磁極中心線對齊的轉(zhuǎn)子齒為0號齒。由于B相磁極與A相磁極相差，可知
= 
，不為整數(shù)，即此時轉(zhuǎn)子齒與B相定子小齒不對齊，只是轉(zhuǎn)子的13號齒靠近B相磁極中心線，且相差 
個齒，即相差
。如果此時突然變?yōu)锽相通電，而A、C相都不通電，那么，13號齒就會在磁場的作用下轉(zhuǎn)到與B相磁極中心線對齊的位置，于是轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動了個齒，即轉(zhuǎn)動這個轉(zhuǎn)動角度稱為步距角
，這就是常說的步進電機“走了一步”。這樣，按照A→B→C→A順序通電1次，可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 由此得到步進電機的步距角計算公式如下： 式中：
為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；
為運行拍數(shù)；其中
為控制繞組相數(shù)，
為狀態(tài)系數(shù)，單三拍或雙三拍時
，單六拍或雙六拍時
。 同理，若按照A→C→B→A的順序依次通電，步進電機則按相反方向轉(zhuǎn)動。 （4）步進電機控制原理。
由前述可知，步進電機就是靠控制定子繞組輪流通電而轉(zhuǎn)動的，驅(qū)動繞組的電壓為直流12V，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按照方向控制信號所指示的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（步距角），即步進電機“走”了1步。所以，由初始位置，只要知道步距角和走過的步數(shù)，便能得到電機最終的位置。因此，可以通過控制步進驅(qū)動器輸入脈沖數(shù)來控制步進電機角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時還可以通過控制步進驅(qū)動器輸入脈沖頻率來控制電機的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 綜上所述步進電機各相繞組通電脈沖的頻率和各相繞組通電順序是控制步進電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的關(guān)鍵技術(shù)。
步進電機要“步進”，就得產(chǎn)生如圖4.23所示的脈沖信號。圖4-24的脈沖序列是用周期、脈沖高度和通斷時間來描述的。在數(shù)字電路中，脈沖高度由元件電平?jīng)Q定，如TTL電平為0V～5V，COMS電平為0V～10V。步進電機每一步的響應(yīng)，都需要一定的時間，即一個高脈沖要保留一定的時間，以便電機完全達到一定的位置。步進電機轉(zhuǎn)動角度大小與施加在繞組上的脈沖成正比。通斷的時間可以利用延時在軟件中實現(xiàn)，脈沖序列頻率決定了步進電機的實際工作速率（轉(zhuǎn)速）。可通過不同長度的延時來得到不同頻率的步進電機輸入脈沖，從而改變步進電機的轉(zhuǎn)速。
圖4-24 脈沖序列信號示意圖
步進電機轉(zhuǎn)動方向與輸入脈沖的順序有關(guān)，電機的轉(zhuǎn)速既取決于控制繞組的通電頻率，又取決于繞組的通電方式，表4-4給出三相步進電機的轉(zhuǎn)動方向與各相繞組通電順序和通電方式的對應(yīng)關(guān)系。其他四相、五相、六相步進電機可以相似而得。
表4-4 三相步進電機轉(zhuǎn)動對應(yīng)關(guān)系表
| | |
| A→B→C→A AB→BC→CA→AB A→AB→B→BC→C→CA→A A→C→B→A AB→CA→BC→AB A→CA→C→BC→B→AB→A | 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) |
（5）單片機控制步進電機方法及接口電路。
步進電機各相繞組通電脈沖的頻率和各相繞組通電順序是控制步進電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向的關(guān)鍵技術(shù)。由單片機I/O引腳輸出脈沖信號，信號周期可采用軟件延時或定時器定時實現(xiàn)，各相繞組通電順序（方向控制信號）通過程序控制字控制對應(yīng)的I/O引腳輸出實現(xiàn)。
由于單片機的輸出電壓非常微弱（0V～5V），不能直接驅(qū)動步進電機，從單片機輸出的電壓信號必須經(jīng)過放大電路放大后才可以驅(qū)動步進電機。ZY15MCU12BC2實驗平臺步進電機驅(qū)動器由2片驅(qū)動芯片75452實現(xiàn)，75452是雙外圍器件驅(qū)動芯片，其引腳和內(nèi)部邏輯圖如圖4-25（a）、（b）所示。
75452內(nèi)部由兩個與非門及三極管放大電路構(gòu)成，圖（a）中1A、1B和2A、2B分別是內(nèi)部兩個與非門的輸入引腳，接收外部數(shù)字脈沖信號，輸入信號經(jīng)內(nèi)部三極管放大后通過引腳1Y、2Y輸出。
（a） 75452 引腳圖 (b) 75452 內(nèi)部邏輯圖
圖4-25 75452 引腳及邏輯圖
ZY15MCU12BC2實驗平臺步進電機驅(qū)動器為四相四拍驅(qū)動，四相步進電機驅(qū)動器接口電路如圖 4-26所示。
圖4-26 實驗平臺四相步進電機驅(qū)動器接口電路圖
圖中SA、SB、SC、SD分別是2片75452的輸入信號，單片機P1.0 ～ P1.3接SA～SD，由P1口按四相四拍順序輸出控制碼驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)，步進電機的步距角
，即電動機轉(zhuǎn)動1周為100步。 驅(qū)動電路由脈沖信號來控制，電機轉(zhuǎn)動方向與線圈通電順序有關(guān)。根據(jù)四相四拍控制方法，步進電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時SA、SB、SC、SD通電順序如下：
步進電機正轉(zhuǎn): 
步進電機反轉(zhuǎn): 
各線圈通電順序與P1.0 ～ P1.3脈沖分配方式產(chǎn)生的勵磁邏輯如表4-5所示：
表4-5 四相單四拍步進電機轉(zhuǎn)動勵磁邏輯表
| | | | |
| 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 | | | |
| 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 | | | |
（6）實驗接口電路連接。
單片機P1.0 ～ P1.3接SA、SB、SC、SD和指示燈L0、L1、L2、L3端，當(dāng)P1.i（i = 0 ～ 3）為“1”時對應(yīng)線圈通電，此時指示燈應(yīng)熄滅。（注意：不做此實驗時，步進電機應(yīng)關(guān)閉，使用步進電機手動開關(guān)實現(xiàn)。）
編寫并調(diào)試步進電機正向驅(qū)動子程序、反向驅(qū)動子程序和主程序，使步進電機按圖 4-27所示循環(huán)工作。
圖4-27 步進電機轉(zhuǎn)速變化圖
（7）實驗程序包括主程序、加速子程序、恒速子程序、減速子程序和步進子程序，程序流程圖如圖4-28所示。
其中40H單元存放步進電機狀態(tài)值，0～3分別對應(yīng)驅(qū)動器SA、SB、SC、SD端口。
20H單元存放P1狀態(tài)值，P1.0～P1.3為步進電機通電控制字，P1.7接指示燈L7端，指示電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)：L7燈亮，電機反轉(zhuǎn)；L7燈滅，電機正轉(zhuǎn)。
步進電機正轉(zhuǎn)狀態(tài)表：FTAB: 01H、02H、04H、08H；
步進電機反轉(zhuǎn)狀態(tài)表：CTAB: 01H、08H、04H、02H。
圖4-28 步進電機主程序、子程序流程圖
（8）實驗程序（略）。ZY12232.ASM。
（9）在μVision3開發(fā)平臺上輸入程序，編譯、連接程序。
（10）調(diào)試、運行程序。
⒈ 實驗電路連接見“圖4-8步進電機實驗電路圖”。
⒉ 將01H、02H、04H、08H、01H、02H、04H、08H ……寫入P1口，觀察步進電機轉(zhuǎn)動是否正常，指示燈L3 ~ L0的狀態(tài)與寫入P1口的值有何關(guān)系。
⒊ 設(shè)置初值：P1口←01H，(20H)←01H，(40H)←0，觀察步進電機是否為正轉(zhuǎn)現(xiàn)象；P1口←81H，(20H)←81H，(40H)←0，觀察步進電機是否為反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
⒋ 修改（32H）單元初值，測試步進電機能夠達到的最大轉(zhuǎn)速。
（11）實驗結(jié)束，拆除接線，將一切整理復(fù)原。
4. 實驗預(yù)習(xí)要求（1）認真閱讀、理解實驗指導(dǎo)書并領(lǐng)會本次實驗?zāi)康囊笈c實驗內(nèi)容。
（2）仔細閱讀步進電機工作原理、單片機控制方法、實驗平臺接口電路等內(nèi)容。
（3）仔細閱讀步進電機實驗程序。
5. 實驗報告要求（1）按實驗順序，記錄并分析實驗數(shù)據(jù)。
（2）實驗程序框圖，實驗程序清單。
（3）寫出實驗結(jié)果、實驗體會及對實驗的改進意見。
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