两相四线步进电机.docx
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两相四线步进电机
两相四线励磁式步进电机工作原理
欧阳家百（2021.03.07）
本章将介绍在嵌入式平台UP-NETARM2410-S中步进电机的实现。
步
逬电机在各个领域诸如机器人、智能控制.工业控制等方面都有
着广泛的应用
空间，本童着重介绍步进电机的工作原理及编程实现步进电机驱
动的方法，主
要内容如下：
1步进电机的概述
1步进电机的工作原理
1和微处理器的总线连接方式
1驱动程序的编程
1Linux下用软件的方法实现步进电机的脉冲分配，用软件的方
法代替硬件的脉
冲分配器
1.步进电机概述
步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电
元件,它
实际上是一种单相或多相同步电动机。
单相步进电动机有单路电
脉冲驱动，输
出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。
多相步进电动机有多
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相方波脉冲驱
动，用途很广。
使用多相步逬电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转
换为多相脉冲
信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。
每输入一个脉冲到脉冲
分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子合转过一定的
角度（称为步距
角）。
正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连
续输入一
定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对
应关系，不受
电压波动和负载变化的影响。
由于步进电动机能直接接收数字量
的输入，所以
特别适合于微机控制。
1」步逬电机的特性
步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计
算机所擅
长处理的数据类型。
从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，今
天，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的
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组成部分之一。
总体上说，步进电机有如下优点：
1.不需要反馈，控制简单。
2.与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。
3.没有角累积误差。
4•停止时也可保持转距。
5.没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。
6.即使没有传感器，也能精确定位。
7.根梔给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。
但是，这种电机也有自身的缺点。
8.难以获得较大的转矩
9.不宜用作高速转动
10.在体积重量方⑥没有优势，能源利用率低。
11・超过负载时会破坏同步，速工作时会发出振动和噪声。
1.2步进电机的种类
目前常用的步进电机有三类：
1、反应式步进电动机（VR）。
采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本
低，步距角可以
做的相当小，但动态性能相对较差。
2、永磁式步进电动机（PM）。
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转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。
用转子和定子之
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间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。
它的出
力大，动态性
能好；但步距角一般比较大。
3、混合步逬电动机（HB）o
这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定
子则
为齿状的突起结构。
此类电机综合了反应式和永磁式两者的优
点，步距角小，
出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机
相关的设备中
多用此类电机。
2、步进电机的工作原理
现以反应式三相步进电机为例说明其工作原理。
三相步进电机的定子铁心上有六个形状相同的大齿，相邻两个大齿之间的
夹角为60度。
每个大齿上都套有一个线圈，径向相对的两个线
圈串联起来成
为一相绕组。
各个大齿的内表廁上又有若干个均匀分布的小齿。
转子是一个圆柱形铁心，外表⑥上圆周方向均匀的布满了小齿。
转子小齿
的齿距是和定子相同的。
设计时应使转子齿数能被二整除。
但某
—相绕组通
电，而转子可自由旋转时，该相两个大齿下的各个小齿将吸引相
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近的转子小
齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置，而其它两相的各个
大齿下的小齿必定和转子的小齿分别错开正负1/3的齿距，形成
“齿错位二从
而形成电磁引力使电动机连续的—苔K_转动下去。
和反应式步进电动机不同，永磁式步进电动机的绕组电流要求
正，反向流
动，故驱动电路一般要做成双极性驱动。
混合式步进电动机的绕
组电流也要求
正，反向流动，故驱动电路通常也要做成双极性。
2.1、步进电机的励磁方式
步进电机有2相、4相和5相电机。
在4相电机中有4组线圈，若电流按顺序
通过线圈则使电机产生转动。
2相电机中有2组线圈。
从图9.3可
以发现，在
各线圈中引出中间端子，因此若以中间端子为基准即可实现4
相，称这4为A、
B、C、D的励磁相。
本实验使用的就是这种方式的4相电机，而励磁方式中有
1相（单向）励磁、2相（双向）励磁和1-2相（单-双向）励磁方式。
此外，
如果转动的方向不正确，可以交替1、2端子或3、4号端子
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（1）.1相励磁方式
按ABCD的顺序总杲仅有一个励磁相有电流通过，因此，对应1
个脉冲信
号电机只会转动一步，这使电机只能产生很小的转矩并会产生振动，故很少使
用。
ABCD
T11000
T20100
T30010
T40001
图2.T1-T4表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相，1表示此时
有一个
脉冲，0表示没有
（2）.2相励磁方式
按AB、BC、CD、DA的方式总是只有2相励磁通过的电流是1相励
磁时通过电流的2倍，转矩也是1相励磁的2倍。
此时电机的振动较小且应答
频率升高，目前仍广泛使用此种方式。
ABCD
T11100
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T20110
欧阳索引创编
T30011
T41001
图3.T1-T4表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相，1表示此时有一个脉
冲，0表示没有脉冲
⑶.1-2相励磁方式
即实验中所有的励磁方式，它按A、AB、B、BC、C、CD、D、
DA的
顺序交替进行线圈的励磁。
与前述的2个线圈励磁方式相比，电
机的转速是原
来的1/2,应答频率范围变为原来的2倍。
转子以滑动的方式转动。
ABCD
Tl1000
T21100
T30100
T40110
T50010
T60011
T70001
T81001
图4.T1-T8表加脉冲周期；ABCD表ZJX电机的各相，1表TJX此时
有一个脉
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冲，0表示没有脉冲
3.与微处理器的连接方式
步进电机并不是直接与CPU相连的。
由于开发板上外部设备很
多，各功能模块
与微处理器的连接方式有专用线路，局部总线与扩展总线。
3」局部总线与扩展总线
局部总线与微处理器直接相连，扩展总线通过一个总线控制器
74LVCH6245与局部总线相连。
从CPU出来的数据.地址、读写控制等信号构成局部总线。
NAND
FLASH.SDRAM和网卡芯片AX88796直接挂在局部总线上的。
局部总线经
过四片74LVCH16245驱动后作为扩展总线引到其他外设以及
168Pin扩展
槽。
由于数据线是双向的，所以16245芯片必须有方向控制信
号，这里采用经
过隔离后的写控制信号OE作为数据线所在16245芯片的方向控
制线。
当OE
有效时16245芯片把扩展总线上的数据传输到局部总线上；当OE
无效时反
之。
号外，必须注意，当系统对局部总线上的芯片读数据时OE
—样会起作
用，这样就必须对局部总线和扩展总线逬行总线仲裁，这里是外
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设所具有的四
个片选信号nGCSl.3、农5用74HC21相与后作为数据线所在的16245
芯片的输出使能控制线，只有当系统对扩展总线读操作，也就是
上述四个片选
之一有效时，16245才能对局部总线输出数据，否则无论OE如
何都呈现高
阻态。
如下图：
注：
LDATA表示局部总线的数据线；DATA表示扩展总线的数据线。
74LVCH16425芯片共有四块，限于篇幅仅举一片为例，其它三片
芯片，一片
用于数据线的彳氐位连接，两片用于地址线的连接。
注：
由于片选线使用的负逻辑电平有效，所有此处用的杲与门
3.2芯片74HC573
扩展总线连接在芯片74HC573上，扩展总线的DATA0-DATA7分
别接
在74HC573的八个数据输入端上。
74HC573芯片是由8个三态门
组成的寄
存器，它起到暂时保存信息和隔离总线的作用。
芯片的输出
I\O0—1\03用于
D\A数模转换，I\O4—1\07用于步进电机的控制。
描述：
这个芯片采用的是八逬位的D触发器，它可以驱动电容式或电阻
式的负
载。
因此它特别适合应用于缓冲寄存器、10端口、双向的总线控
制器、和操作
寄存器。
当寄存器的使能端（LE）为高电平时，Q输出端和
—D输入端一一对应；当
LE为低电平时，输出端管脚Q输出的是寄存器中已被设定的值。
当一个能幵启
缓冲功能的负逻辑管脚（OE）为0时，无论是在正常逻辑状态还
是在高阻抗状
态下，都能放置八位的输出数据。
在高阻抗状态下。
输出并没有
负载或者逬行
控制总线。
高阻态和改进的总线驱动可以在不拉起元件的情况下
控制总线传
输。
OE端并不影响寄存器内部的操作。
当输出端呈高阻状态时
旧的数据可以被
保存或者新的数据进行输入。
3.3步进电机模块的驱动电路
74HC573芯片的输出I\O4—I\O7用于用来驱动步进电机的转动。
数据线
要首先接在步逬电机模块的一个接□上。
接□对信号逬行放大，
使之能够驱动
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步进电机。
放大后的信号就可以直接的来使步进电路进行工作
了。
3.4、开发板中的步进电机
本开发板中使用的步进电机为四相步进电机。
转子小齿数为64。
系统中采用四路I/O进行并行控制，ARM控制器直接发出多相脉冲信号，在
通过功率放大后，进入步进电机的各相绕组。
这样就不再需要脉
冲分配器。
脉冲
分配器的功能可以由纯软件的方法实现如上图所示。
四相步距电机的控制方法有四相单四拍，四相单、双八拍和四相双四拍三
种控制方式。
步距角的计算公式为：
9b=3600/mCk
其中：
m为相数，控制方法是四相单四拍和四相双四拍时C为
1,控制
方法是四相单、双八拍时C为2,Zk为转子小齿数。
本系统中采用的是四相单、双八拍控制方法，所以步距角为
3607512o
但步进电机经过一个1/8的减速器引出，实际的步距角应为
3607512/8O
开发平台中使用EXI/O的高四位控制四相步进电机的四个相。
按照四相
单、双八拍控制方法，电机正转时的控制顺序为
A->ABT—B—CD—D
-DA。
EXI/O的高四位的值参见下表：
十六进制二进制通电状态
1H0001A
3H0011AB
2H0010B
6H0110BC
4H0100C
CH1100CD
8H1000D
9H1001DA
表5.电机正转时，EXIO的高四位的值
反转时，只要将控制信号按相反的顺序给出即可。
可以通过宏
SETEXIOBITMASK（bit,mask）（EXIO.h）来设置扩展I/O口，其中mask参
数为OxfOo
本实验使作的是1-2相励磁方式，还可以使用1相励磁方式和2相
励
磁方式。
火1相励磁方式的顺序是ABCD,因此只要设置数组
charstepdata[]={Ox10,0x20,0x40,0x80}即可
火2相励磁方式的顺序是AB,BC,CD,DA,因此只要设置数组
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charstepdata[]={0x30,0x60,OxcO,0x90}即可
火要实现电机的反转，只需将上面数组的值按相反的顺序排列即可
4、驱动程序的编程
驱动程序采用C语言进行编程，下面是驱动程序中几个重要的函
数。
staticintdo_stepmotor_run（charphase）//通过调用这个函数使步进
电机转起来
{
unsignedintbak;〃变量bak用于存放从寄存器中读出
的值
bak=readw（s3c2410_exio_base）;〃调用内核函数将基地址为
s3c2410_exio_base寄存
〃器的值读出并放在bak中
DPRINTK_STEP（us3c2410_exio_basecontentis%x\n°,bak）;〃调试
输出语句
tiny_delay（5）;〃延时函数，
有延时功能
bitops_mask_bit（phase,OxfO,&bak）;
〃清除4-8位然后再设置phase传进来
的位（也是4-8位）
DPRINTK_STEP（Hs3c2410_exio_basecontentis%x\nn,bak）;//调试
输
出语句
tiny_delay（5）;
writew（bak,s3c2410_exio_base）;〃调用内核函数将bak的值写入相
应的
寄存器中
bak=readw（s3c2410_exio_base）;〃再次将寄存器的值读出
DPRINTK_STEP（us3c2410_exio_basecontentis%x\nu,bak）;
〃利用调试语句再次将修改后的寄存器中的值输出，以验证其正确性
tiny_delay（5）;
DPRINTK_STEPC'\nM）;
return0;
）
驱动程序主要通过上⑥这个函数来使步进电机转动。
控制电机的
是一个
寄存器（地址是s3c2410_exio_base=0x08000100）,只要给它适当的值电
机就可以运动起来。
这个函数通过传递变量phase从应用程序获
得数据。
然后
使用函数readw（）JE寄存器的值就读出并送给bak;
通过函数bitops_mask_bit（）修改bak的值；最后由writew（）写回到
寄存器
中。
5、应用程序的编程
1、步进电机模块
步进电机模块和DA模块是使用Bankl地址空间扩展出来的10
□o共同使用驱动
s3c2410-exio.oo
在驱动程序中，与步进电机相关的主要在函数
s3c2410_exio_ioctl:
2、对应的应用源程序
#include
#include
#include
#include
#defineSTEPMOTOR_IOCTRL_PHASE0x13
staticintstep_fd=-1;
char*STEP_DEV=Vdev/exio/OrawM;〃定义一个指针指向步进电机
的驱动
程序
/*********人，AB,B,BC,CCD,D,DA***/
charstepdata[]={Ox10,0x30,0x20,0x60,0x40,OxcO,0x80,0x90）;〃各
个相位对应的值
voidDelay（intt）//延时函数inti;
for（;t>0;t—）
for（i=0;i<400;i++）;
/■丄"■丄"■士■土■士■士■土■士■士■土■士%9x•士•士■士■士%9x%9>■["%f>
f*1**1*%L*■"/
叫.叫.#Tv#T%#T%/
intmain（intargc,char**argv）
{
inti=0;
if（（step_fd=open（STEP_DEV,O_WRONLY））<0）{
printfC'Erroropening/dev/exio/Orawdevice\nu）;
return1;
）
/火
打开设备的驱动程序，由于LINUX把所有的设备都模拟成文件。
step_fd=open（STEP_DEV,0_WRONLY）实际调用的函数为：
staticints3c2410_exio_open（structinode*inode,structfile*filp）
〃驱动程序中的设备打开程序
火/
for（;;）{
for（i=0;iioctl（step_fd,STEPMOTOR_IOCTRL_PHASE,
stepdata[i]）;
/火程序逬入一个死循环，这样可以使电机在没有人为停止的状
况下，一直的
转动下去。
火第二层foi•语句循环一次即电机转动一周。
函数ioctl（）对应函
数火s3c2410_exio_ioctl（）
火而这个函数最终将调用函数do_stepmotor_run（（char）arg）;®步进电
机转动起来。
火/
printf（,'Delay（100）\nn）;
Delay（lOO）;
）
close（step_fd）;〃程序结束时关闭设备
printfC'Stepmotorstartrunning!
\nn）;
return0;
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