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步进电机实验 电信学院 嵌入式技术与应用专业 1 提纲 1 实验目的 2 实验内容 3 预备知识 4 实验设备 5 基础知识 6 实验思考 嵌入式技术与应用专业教学资源库 实验目的 1．熟悉ARM本身自带PWM控制器，掌握相应寄存 器的配置。 2．编程实现ARM系统的PWM输出和I/O输出，前者 用于控制直流电机，后者用于控制步进电机。 3．了解直流电机和步进电机的工作原理，学会用软 件的方法实现步进电机的脉冲分配，即用软件的 方法代替硬件的脉冲分配器。 4．掌握带有PWM和I/O的CPU编程实现其相应功能 的主要方法。 嵌入式技术与应用专业教学资源库 实验内容 学习步进电机和直流电机的工作原理，了解实 现两个电机转动对于系统的软件和硬件要求。学 习ARM知识，掌握PWM的生成方法，同时也要 掌握I/O的控制方法。并通过超级终端来控制直流 电机与步进电机的切换。 嵌入式技术与应用专业教学资源库 预备知识 1、用ARM ADS1.2集成开发环境，编写和调试程序 的基本过程。 2、ARM应用程序的框架结构。 3、会使用Source Insight 3 编辑C语言源程序。 4、掌握通过ARM自带的A/D转换器的使用。 5、了解直流电机的基本原理。 6、了解步进电机的基本原理，掌握环形脉冲分配的 方法。 嵌入式技术与应用专业教学资源库 实验设备 UPTECH-2410S教学实验箱 ADS仿真器和ADS IDE集成开发环境 嵌入式技术与应用专业教学资源库 直流电动机 1．直流电机 1）直流电动机的PWM电路原理 晶体管的导通时间也被称为导通角а，若改 变调制晶体管的开与关的时间，也就是说通过 改变导通角а的大小，如图6-1所示，来改变加 在负载上的平均电压的大小，以实现对电动机 的变速控制，称为脉宽调制 (PWM)变速控制。 在PWM变速控制中，系统采用直流电源，放大 器的频率是固定，变速控制通过调节脉宽来实 现。 嵌入式技术与应用专业教学资源库 直流电动机 图6-1 脉宽调制 (PWM)变速原理 嵌入式技术与应用专业教学资源库 直流电动机 2）开发平台中直流电机驱动的实现 由于S3C2410X芯片自带PWM定时器，所以 PWM控制部分是S3C2410X芯片的定时器0组成 的PWM发生器。通过改变方波的占空比来改变电 动机的转速。当占空比为0时，正想转速达到最大， 占空比为1时方向转速最大，占空比为0.5时候， 转速为0 嵌入式技术与应用专业教学资源库 S3C2410 PWM控制原理 3）S3C2410 PWM控制原理 嵌入式技术与应用专业教学资源库 S3C2410 PWM控制原理 TCNTBn决定了脉冲的频率， TCMPBn决定了正脉冲的宽度。当 TCMPBn＝TCNTBn/2时，正负脉冲 宽度相同；当TCMPBn由0变到 TCNTBn时，负脉冲宽度不断增加。 嵌入式技术与应用专业教学资源库 控制寄存器 PWM发生器用到的寄存器主要有以下几个： 嵌入式技术与应用专业教学资源库 控制寄存器 嵌入式技术与应用专业教学资源库 控制寄存器 嵌入式技术与应用专业教学资源库 控制寄存器 嵌入式技术与应用专业教学资源库 控制寄存器 嵌入式技术与应用专业教学资源库 控制寄存器 The following procedure describes how to maintain TOUT as high or low (assume the inverter is off): 1. Turn off the auto reload bit. And then, TOUTn goes to high level and the timer is stopped after the TCNTn reaches 0 (recommended). 2. Stop the timer by clearing the timer start/stop bit to 0. If TCNTn £ TCMPn, the output level is high. If TCNTn>TCMPn, the output level is low. 3. The TOUTn can be inverted by the inverter on/off bit in TCON. The inverter removes the additional circuit to adjust the output level. 嵌入式技术与应用专业教学资源库 步进电动机 2 步进电动机 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 电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机时，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，转子会转过一定的角度（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。 嵌入式技术与应用专业教学资源库 步进电动机 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）。它的结构简单，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）。它的出力大，动态 性能好；但步距角一般比较大。 3、混合步进电动机（HB）。它综合了反应式和永 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。 嵌入式技术与应用专业教学资源库 步进电动机 3）开发板中步进电机控制的实现 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。 嵌入式技术与应用专业教学资源库 步进电动机 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：θb＝ 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360°/512。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360°/512/8。 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→AB→B→BC→C→CD→D→DA。EXI/O的高四位 的值参见表7-6。 嵌入式技术与应用专业教学资源库 步进电动机 嵌入式技术与应用专业教学资源库 原理图 嵌入式技术与应用专业教学资源库 原理图 嵌入式技术与应用专业教学资源库 实验思考 1．简述PWM的基本原理，思考其基本参数的变化 对电机转动的影响。 2．步进电机的基本工作原理是什么？简述软件实现 的脉冲分配器的方法。 3．思考四相步进电机的各相先后导通的所有可能， 确定步距角的变化，自己动手编出程序，在试验 平台上验证。 4．PWM与系统模拟电压是如何对应转化的？ 嵌入式技术与应用专业教学资源库 作业及实验 实验： 控制两种电动机转动 作业： 通过AD控制两种电动机的 转速 嵌入式技术与应用专业教学资源库