1、第12章 步进电动机的单片机控制,12.1 步进电动机控制原理12.2 步进电动机的单片机开环控制12.3 步进电动机的转速控制12.4 步进电动机加减速定位控制,步进电动机的单片机控制步进电动机是纯数字控制的电动机，它将脉冲信号转变成角位移，即电源发一个脉冲，步进电机则转过一个固定的角度，称为步距角b。电动机的角位移正比于输入脉冲数。当连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速n正比于脉冲的频率，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受数字量的控制，所以非常适合用计算机进行控制。,反应式步进电动机结构简单，性能价格比较高，因此应用非常广泛。反应式步进电动机分为三相、四相、五相、六相
2、等结构形式。相数越多步距角越小，但是结构越复杂。较为常见的三相反应式步进电动机有三相绕组和三对磁极。轮流给A、B、C三相绕组通电，步进电动机则会沿某一方向转动。,12.1 步进电动机控制原理 12.1.1 步进电动机基本知识,1. 三相绕组的通电方式 （1） 单三拍方式： 每次只给一相绕组发脉冲，三拍一个循环。ABCA 正转ACBA 反转（2） 双三拍方式： 每次只给两相绕组发脉冲，三拍一个循环。ABBCCAAB 正转ACCBBAAC 反转,（3） 单双六拍方式： 轮流给一相、两相绕组发脉冲，六拍一个循环。AABBBCCCAA 正转AACCBCBBAA 反转,2. 三相反应式步进电动机的步距角
3、b（12-1）其中： Z代表转子齿数，为常数。 N代表步进电动机工作拍数。N=Km，m为相数；K=1时为三拍方式，K=2为六拍方式。当Z=24时，三拍方式步距角为5；六拍方式步距角为2.5。,3. 三相反应式步进电动机的转速n三相反应式步进电动机的转速公式为： （12-2）其中： f代表脉冲频率（Hz）。,步进电动机需要专用的驱动控制器，它一般由脉冲发生分配单元、功率驱动单元和保护单元等组成。1. 单电压驱动单电压驱动只用一个电源对电机绕组供电，电路结构最简单，如图12-1所示。电路中的限流电阻R1决定了时间常数，R1太大会使绕组供电电流减小，电路功耗增大。单电压驱动一般只适用于小功率步进电动
4、机的驱动。,12.1.2 步进电动机的驱动方式,图12-1 步进电动机单电源驱动电路,2. 高低电压驱动在电动机开始移步时绕组加额定电压，使电机快速移步，而在锁步时，加低于额定电压的锁步电压，绕组只流过所需要的电流。这样既可减少电阻上的功耗，又可以提高电动机的运行速度。如图12-2所示。脉冲分配可以用脉冲分配器实现，但硬件电路实现脉冲分配会使结构复杂，成本较高。如果用软件实现脉冲分配，将简化电路，降低成本。,图12-2 步进电动机高低电压驱动电路,采用串行控制时，单片机与步进电动机的功率接口之间只需要两条控制线： 一条用于发送走步脉冲串（CP），另一条用于发送控制旋转方向的电平信号。图12-3
5、说明了如何用8051单片机通过串行控制来驱动步进电动机。,12.2 步进电动机的单片机开环控制 12.2.1 串行控制,图12-3 步进电机的单片机控制,1. 串行控制的硬件电路 串行控制的功率接口电路内含有一个脉冲分配器，其作用是将单路脉冲转换成多相循环变化的脉冲。它有一路输入，多路输出。随着一个个脉冲的输入，各路输出电压轮流变高和变低。例如，三相脉冲分配器有A、B和C三路输出，采用单三拍运行方式时，单片机将一个个脉冲送入脉冲分配器后，三路输出电压将按ABCA的次序轮流变高和变低。三路电压分别经功率放大器向步进电动机的三相绕组供电，步进电动机就一步一步地旋转起来。脉冲分配器一般还有一个旋转方
6、向控制端，根据方向控制端的电平高低，决定步进电动机的转向。,脉冲分配器可以使用专用芯片CH250。图12-4是使用CH250工作于三相六拍状态的接线图。CH250可通过设置引脚1、2和14、15的电平来实现双三拍、单三拍、单双六拍工作状态，每种工作状态又有正、反转两种工作状态，所以共有六种工作状态。,图12-4 CH250三相六拍脉冲分配接线图,2. 串行控制的参考程序在图12-3所示的串行控制电路中，利用8051单片机的P1.1输出方向电平，P1.0输出走步触发脉冲。走步脉冲的产生方法很简单，只要先对P1.0进行清零，过一会儿再进行一次置位就可以了。由于任何脉冲分配器对触发脉冲的最小脉宽都有
7、一定的要求，所以在清零和置位之间插入的延时时间应有适当的长度。设P1.1低电平时为正转驱动，脉冲分配器在走步触发脉冲发生正跳变时改变输出状态，则正转一步的驱动程序如下：,CW： CLRP1.1;发出正转电平信号 CLR P1.0;输出低电平，为脉冲的正跳变准备条件 LCALL DT;调用延时子程序 SETB P1.0;输出高电平，产生脉冲正跳变 RET ;返回,调用该子程序一次，电动机将正转一步。只要按一定的时间间隔调用这个子程序，就可以使电动机按一定的转速连续转动。若要电动机反方向转动，可调用如下子程序： CCW： SETB P1.1 ;发出反转电平信号CLRP1.0 ;输出低电平，为脉冲的
8、正跳变准备条件 LCALL DT;调用延时子程序 SETB P1.0 ;输出高电平，产生脉冲正跳变 RET ;返回DT： NOP ;延时子程序 NOPRET,在并行控制中，单片机通过数条并行口线，直接发出多相脉冲信号，通过功率放大后，送入步进电动机的各相绕组。这样就不再需要脉冲分配器，脉冲分配器的功能可以用软件的方法实现，从而简化了硬件电路。,12.2.2 并行控制,1. 硬件电路如图12-5所示用单片机8051的P1.0 P1.2作为并行输出，依次循环输出驱动三相反应式步进电动机所需的6个状态： AABBBCCCAA三相步进电动机为三相六拍运行状态，正转6个控制字和反转6个控制字分别存入内存
9、单元（30H35H，38H3DH）。控制字见表12-1。（见书223页）,图12-5 纯软件代替脉冲分配器,2. 参考程序入口参数（R0）： 控制字地址出口参数 （R0）： 控制字地址以下程序为步进电动机走一步的子程序。正转子程序： ZZ： SETBRS0;1区寄存器INCR0L0： CJNER0，36H，LL1;六拍未结束则转LL1MOVR0，30H;六拍结束，则转回第一拍LL1： MOVA，R0;取控制字,MOVP1，A;控制字输出CLRRS0;返回0区RET,反转子程序： FZ： SETBRS0INCR0CJNER0，3EH，LL2MOVR0，38HLL2： MOVA，R0MOVP1，A
10、CLRRS0RET,由式（12-2）可知，改变脉冲电源的频率就改变了步进电动机的转速。控制脉冲电源的频率实际上就是控制各通电状态持续时间的长短。采用调延时子程序或定时器定时中断的方法可以实现时间控制。由于延时子程序占用大量CPU时间，因此实际应用中常采用定时器中断的方法进行时间控制。,12.3 步进电动机的转速控制,下面以8051中的T0定时器为例介绍速度控制子程序。设定时器T0以方式1工作，改变速度的时间常数放在内部RAM的30H（低位）和31H（高位）中，改变转向的标志放在F0中。在定时器中断服务程序中，要完成的操作有保护现场、步进电动机走一步、定时器重装初值和恢复现场共4步。,主程序：
11、;初始化MOVTMOD，01H;T0方式1MOVA，DATA1;转速初值ADDA，30H;转速初值转速改变值MOVTL0，AMOVA，DATA2ADDCA，31HMOVTH0，ASETBTR0;T0开始计数SETBET0;开中断SETBEA,JBF0，FZ1;判断反转，转FZ1MOV08H，2FH;正转控制字地址初值LJMPDIRFZ1： MOV08H，37H;反转控制字地址初值DIR： ;显示或检测,T0中断服务子程序： T0ZD： PUSHACCPUSHPSWJBF0，FZ1LCALL ZZSJMPT0ZZFZ1： LCALL FZT0ZZ： CLRTR0MOVA,#DATA1ADD A，
12、30HMOVTL0,AMOVA，#DATA2ADDCA，31H,MOVTH0，ASETBTR0POPPSWPOPACCRETI,步进电动机的最高启动频率一般为几百到几千Hz，而最高运行频率则可以达到几万Hz。当以高于最高启动频率的频率直接启动时，将出现“失步”现象，有时甚至会转动不起来。而如果先以低于最高启动频率的频率启动，再逐步提高频率，使电机逐步加速，则可以到达最高运行频率。此外，对于正在快速旋转的步进电动机，若在到达终点时，立即停发脉冲令其立即准确锁定，也是很难实现的，由于惯性电动机往往会冲过头，也会出现失步。,12.4 步进电动机加减速定位控制 12.4.1 加减速定位控制原理,如果电
13、动机的工作频率总是低于最高启动频率当然不会失步，但电动机工作速度和工作效率太低。采用加减速定位控制，就可以充分发挥电机的潜力，此时电动机的定位过程如图12-6所示，通过加速恒定高速减速恒定低速锁定，就可以既快又稳地准确定位。,图12-6 加减速定位控制,图12-6中，纵坐标是脉冲频率（步s），它反映了转速的高低。横坐标是时间，各段时间内走过的步数用N1、N2等表示，步数反映了距离。加速的起始频率f1应等于或略低于系统的最高启动频率。由于最高启动频率fmax与电动机的驱动方法、机械负载的性质和大小等因素有关，所以通常由实验来确定。 当然，短距离移动定位时，电动机可能还没有加速到最高运行频率就必须
14、减速了，所以没有恒定高速运行阶段。,加减速规律一般有两种选择： 一种是按指数规律，另一种是按直线规律升降速。直线加减速规律计算比较简单。 步进电动机的加减速定位控制就是控制步进电动机拖动给定的负载，经过加速、恒定、高速及减速过程，从一个位置快速运行到另一个给定位置。对电动机而言，就是从一个锁定位置，运行若干步，尽快到达另一个位置，并加以锁定。这样就有两个基本要求： 第一是总步数要符合给定值；第二是总的走步时间应尽量短。,用单片机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是控制每次换相的时间间隔。升速时，使脉冲频率逐渐升高，减速时则相反。若单片机使用定时器中断方式来控制脉冲的频率，那么加减速控制实际上
15、就是不断改变定时器装载值的大小。为了简化程序，可以用阶梯曲线来逼近图12-6中的升降曲线，如图12-7所示。对于每一档频率，软件系统可以通过查表方式查出所需要的装载值。,图12-7 阶梯升速,在程序执行过程中，对每一档速度都要计算在该档应走的步数，然后以递减方式检查应走的步数。当减至零时，表示该档速度应走的步数已走完，于是速度字k加1，进入下一档速度。与此同时，还要递减升速过程总步数，直到升速过程总步数走完为止。减速过程的处理方法和升速过程相仿。通常，减速时间可选取与升速的时间相同。,1. 功能要求按照加速、恒速、减速三段速度曲线控制步进电动机正、反向走步，控制对象按要求准确定位。选择三相反应
16、式步进电动机作为驱动电机。2. 硬件电路采用图12-5所示的硬件电路。3. 控制方法速度控制： 通过不断改变定时器的装载值来实现。位置控制： 对通电状态计数器进行加1运算，并不断对总步数进行比较判断。,12.4 .2 加减速定位控制的程序设计,4. 程序设计整个应用程序由主程序、走步子程序和定时器中断服务程序构成。主程序的功能是对系统资源进行全面管理、处理输入与显示、计算运行参数、加载定时器中断服务程序所需的全部参数和初始值、开中断、等待走步过程的结束。电动机的转向、转速以及控制对象的直线位移量、坐标值等均可通过键盘输入或检测输入获得。主程序框图如图12-8所示（主程序清单略）。,图12-8
17、主程序框图,在定时器中断服务程序T0ZD中，主要做3件事： 使步进电动机走一步、累计转过的步数、向定时器送下一个延时参数。采用查表方式查出每一档频率所需要的装载值。中断服务程序流程图如图12-9所示。,图12-9 中断服务程序流程图,硬件资源分配： F0： 转向标志位。0表示正转，1表示反转。7FH： 运行结束标志。0表示未结束，1表示结束。0区R0： 中断程序中间寄存器。1区R0： 走步子程序中间寄存器，存放走步控制字地址指针（地址08H）。R1： 存过程速度字k，其初始值为启动速度字，S=1。R2： 存每档速度运行中应有的步数，其初始值为初始速度档的运行步数SN，S为启动速度字，Nf1t为
18、常数。,R3： 数据指针，初值为24H，存放升速总步数低字节的单元地址 。21H23H： 系统的绝对坐标值。21H为最低位，23H为最高位。电机每走一步，绝对坐标值加1。24H25H： 存放升速过程总步数 ，其中S为启动速度字，m为给定的恒速运行速度字。24H为低位，25H为高位。26H28H： 恒速过程总步数。总步数由升速过程总步数减两倍而得。26H为最低位。29H2AH： 降速过程总步数。与升速过程的总步数相同。29H为低位。,中断服务程序： TIM：PUSHA;保护现场 PUSHB PUSHPSWJBF0，ZF2;判断正反转LCALL ZZ;调正转走步子程序SJMPL2ZF2： LCAL
19、L FZ;调反转走步子程序L2： CLREA MOVR0，#21H;坐标值加1INCR0CJNER0，00H，L1INCR0,INCR0CJNER0，00H，L1INCR0INCR0L1： SETBEACJNER3，24H，L4;不是升速段转L4MOVR0，24HDECR0;升速步数减1CJNER0，0FFH，L2INCR0DECR0L2： DJNZR2，L3;该档步数未走完转L3,INCR1;该档步数走完加一档MOVA，R1MOVB，DATAMULABMOVR2，AL3： MOVA，24HORLA，25HJNZL9;升速段未结束转L9MOVR3，26H;升速段结束指向恒速段SJMPL9L4：
20、 CJNER3，26H，L6;不是恒速段转L6,MOVR0，26HDECR0;恒速步数减1CJNER0，0FFH，L5INCR0DECR0CJNER0，0FFH，L5INCR0DECR0L5： MOVA，26HORLA，27HORLA，28HJNZL9;恒速段未结束，转L9，重新装载,MOV R3，#29H;恒速段结束指向降速段 DEC R1;速度减一档 MOV A，R1;开始计算该档步数 MOVB，#DATA;读入常数N MUL AB MOV R2，A ;存好该档步数 SJMP L9 ;转重新装载L6： MOV R0，#29H;处理降速段 DECR0 ;降速段步数减一 CJNER0，#0FF
21、H，L7 INC R0 DECR0,L7： DJNZ R2，L8 ;该档速度步数未走完转L8 DEC R1 ;走完降一档 MOV A，R1 ;计算该档步数 MOV B，DATA;DATA为N MUL AB MOV R2，A ;存步数L8： MOV A，29H;判断降速段走完否 ORLA，2AH JNZL9 ;未完，转L9重新装载 CLR TR0 ;完成则停定时器，结束运行,SJMP L10L9： MOV DPTR，#TAB ;开始准备装载定时器 MOVA，R1;取速度字 RL A ;乘2，每档装载值占两字节 MOV B，A ;偏移量保留在B中 MOVC A，A+DPTR;取低位字节 CLR TR0 ADD A，TL0 MOV TL0，A ;加载低位字节 MOV A，B ;从B中取出偏移量 INC A,MOVCA，A+DPTR ;取高位字节 ADDC A，TH0 MOV TH0，A;加载高位字节 SETB TR0SJMPL11L10： SETB7FH L11： POP PSWPOPB POP ACLRRS0 RETI ;中断返回TAB： DB00H，00H，,因为启动频率不是0，所以定时器装载值表从第三个数据开始，存放1,2,，k级频率对应的定时器TL0和TH0的装载值。,
