步进电动机的微机控制.doc

天津职业技术师范学院2003届毕业生毕业论文目 录一、绪言2二、步进电动机的控制的一般解决方法2三、MCS-51单片机系统2四、步进电机的结构及工作原理5（一）步进电机的分类与结构5（二）步进电机的工作原理7(三)步进电机的驱动8五、单片机系统与步进电机驱动器之间接口方法及方向控制12（一）串行控制12（二）并行控制13六、速度与位置控制14（一）设计原理14 （二）程序设计15 七结束语17八致谢词18九、参考文献18附录：步进电动机的基本特性和性能指标19附录：步进电机应用实验21附录：英文资料26附录：译文29步进电动机的微机控制 速度与位置运动控制系统Xxxxxx【摘 要】步进电动机的工作过程一般由控制器控制。控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，使驱动器按照要求的规律驱动步进电动机运行。自从微处理器问世以来，给步进电动机控制器设计开辟了新的途径。各种单片机的迅速发展和普及，为设计功能很低强而表价格低的步进电动机控制器提供了先进的技术和充足的货源。本设计是采用单片机技术实现电机的数字化控制，文章主要介绍以MCS-51系列的8037为核心元件，用软件代替脉冲分配器，从而改善了系统的精度，发挥了8031单片机的优势，提高了系统的性能。【关键词】步进电机 单片机 脉冲分配器The Microprocessor Controller Step Motor -The speed and position actions to controlTianjin University of Technology and Education (Postcode:300222) Zhangxianni【Abstract】: The procession of Step Motor is normally controlled by the controller. According to the requirement of the designer .The controller could completed certain control procession and it makes the drive drives the motor.Even since the microprocessor come to realized, it developed a new method for the design of Step Motor controller. By the development and universality of all kinds of SCMC, it proved advanced technology and adequate goods resource for the Step Motor Controller. Meanwhile ,it makes the function of Step Motor Controller become stronger and its price is lower.The SCMC technology is adopted in this design to realized the digital control of the Step Motor. This article mainly introduce the processor of MCS51 groups, exactly in 8051 ,and it used software instead of Pulse Allotment .It makes the best use of 8051 high quality and make the system have the better characteristic. 【keywords】: Step Motor SCMC Pulse Allotment Controlle一、绪言步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件。通俗的讲，当外加一个电脉冲信号于步进电机的控制装置，其转轴就转过一个电角度或前进一步。一个一个地送入电脉冲，该电动机就会一步一步地转动或移动。这种电动机地运动形式与通常均匀旋转的电动机不同，它是步进式运动，故称为步进电动机，有时也叫脉冲电动机。步进电动机是数字控制系统中的执行电动机。当系统将一个电脉冲信号加到步进电动机定子绕组时，转子就转一步；当脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲的个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制转子机械位移的方向，实现位置控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就可控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。步进电动机具有下述特点： 1） 输入脉冲与其位移量有严格的对应关系，步距误差不会积累。 2） 稳定运行时的转速与控制脉冲的频率有严格的对应关系。 上述这些关系，在负载能力范围内不因电流、电压、负载大小、环境的变化的波动而变化。3） 控制性能好，在一定的频率下，能按控制脉冲的要求快速起动、停止和反转。改变控制脉冲频率，电动机转速可以在很宽的范围内平滑调节。因此，步进电动机可广泛用于数模转换、速度控制和位置控制系统，是开环控制理想的执行元件。与采用其他伺服元件组成的闭环系统比较，这种系统可以省去反馈传感器、放大器、积分器和数模转换器等，使系统结构简单、性能稳定、工作可靠和成本低廉。步进电动机须由专门的驱动电源供电。驱动电源和步进的电动机是一个整体，步进电动机的功能和运行性能都是两者配合的综合结果。这是步进电动机的又以一个特点。步进电动机可分为磁阻式（反应式）、永磁式和永磁感应子式（混合式）。功率较大的步进电动机可采用电磁式，用直流励磁系统代替永久磁铁。步进电动机的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电动机的性能，单电动机结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。随着数控技术和数控电子设备的发展，特别是电子计算机、办公自动化、工业自动化和电信等设备的发展，步进电动机的 应用越来越广泛，而且往往成为这些设备中的关键元件。例如计算机外部设备和办公自动化设备中打印机、传真机的送纸机构、打印头、字盘系统、磁头驱动装置等大多采用永磁式步进电动机。磁阻步进电动机则适用于数控机床、计数指示装置、阀门控制、纺织机、工业缝纫机等开环数控系统中。而在软磁盘和硬磁盘的磁头驱动系统中，大多采用混合式步进电动机。目前，全世界步进电动机年产量约有1亿台，已成为小功率电动机的一大类。二、步进电机的微机控制的一般解决方法普通的步进电动机驱动装置是由逻辑电路与功率放大器组成的，设计复杂，而且一旦电路确定，要想改变控制方案十分困难。微处理器与微型计算机技术给步进电动机的控制开辟了新的途径。由于步进电动机驱动器本身属于数字器件，因而最适用数字控制。采用微处理器可以用软件程序来完成对步进电动机的各种控制方案，如升速、电动、正反转等功能。在硬件设计上有接口直接与接口间接控制之分。接口直接控制是指微处理器输出口直接与功率放大器连接，如图27.a所示。此时微处理器的输出口充当环形分配器的角色，电动机的各种通电方式、功能转换、脉冲发生与计数均可以用软件来实现。间接控制法就是采用专用的脉冲分配器电路，如PMM8713取代微处理器中电动机通电控制部分，微处理器负担相对减轻，可以进行控制电动机以外的工作，见图27.b。（图2-1.计算机与步进电动机驱动线路接口 a.直接接口电路； b.间接接口电路）在软件设计方面，用来控制步进电动机运行的程序非常简单。以直接接口控制为例。微处理器首先确定电动机往哪个方向、以多大速度运行多少步，把数据置于各个输入口；微处理器根据指令读输入口数据，然后输出改变通电状态指令；此时运行的步数要减掉1，等待一定的时间T；再命令下一步改变通电状态直至运行结束。其原理框图见图28.。其中等待时间T通常称为延迟时间，通电状态作为数据存入数据存储器之中。对于间接接口电路，微处理器的程序更为简单，它只需向外部以给定频率输出一定宽度的脉冲即可，改变延迟时间T就会使电动机运行频率发生变化，这样就可以实现电动机的变速控制了。（图2-2.步进电动机运行的原理框图）三、MCS-51单片机系统用MCS-51单片机计算机可构成功能强大、成本低的步进电动机控制器。MCS-51系列单片机是美国INTERL公司80年代初推出的产品，它有如下的突出特性：（1）集成度高 MCS-51单片机系列产品代表是非曲直，为40脚封装，内部有4K的ROM，128字节的RAM，四个八并行口，一个全双工的串行口若悬河，二个十六位定时器，一个功能很强的中央处理器CPU以有内部晶体振动电路。（2）系统结构简单 一片MCS-51即可构成一个小型的控制系统。该芯片扩充能力强，具有对岸4K外部程序存储和64K外部数据存储寻址能力。两个单片机之间还可以进行通讯，可以构成双CPU的系统。因此一般系统要求都可以满足。（3）可靠性高。MCS-51属工业品等级，介于军用品和商业品之间，能在常温下工作。大部分总线在芯片内部不易受干扰，系统简单，体积小，容易采取屏蔽措施，因此有较高的可靠性。（4）处理功能强，速度高。MCS-51单片机具有丰富的指令系统，除加减指令外，还有字节乘除运算指令，各种逻辑运算和转移指令，具有对128个控制位的位操作指令，因此特别适用于控制要求。CPU时钟高达12，机器周期只有1，多数据指令周期为一个机器周期或二个机器周期，所以运算速度快，可使系统有较强的功能和较高的响应。（5）容易产品化。由于芯片的体积小，功能强、可靠性高、价格低的优点，国内市场上提供的MCS-51系列芯片及外国芯片货源充足，所以容易形成产品。因此这种单片机对控制器的设计者是较好的选择。由于MCS-51单片机内部的ROM只能在生产厂家固化程序，目前在国内还无法办到，所以国内广泛应用的是该系列中的8031单片机。这种单片机除了没有内部ROM之外，其它与上述介绍全部相同。应用8031单片机，必须利用和两个并行口扩充程序存储器和数据存储器，因此，及口不能再作为独立的并行口使用。图3-1（见附）给出一种较为实用的单片机系统图，包括一片8031微处理器，一片2732ROM程序存储器，一片6116数据存储器，一片8255扩充接口。8031的线带一个2716作为带不仅电动机的接口，及作为输入输出的控制线使用。2732共有4K字节，对于一般单片机控制一台步进电动机的程序基本够用。6116是2K字节的RAM，可以存储各种数据。8255的、三个口可作为键盘、显示器等各外设接口使用。按照线路图，可知地址分配如下： 2732 ROM 8000H8FFFH 8255 口 9000H 8255 口 9001H 8255 口 9002H 8255 控制口 9003H 6116 RAM A00HA8FFH四、步进电机的结构及工作原理（一）步进电机的分类与结构1、步进电机的分类（1）磁阻式步进电动机磁阻式步进电动机具有结构简单、性能可靠、分辨率高和价格合理等优点，是应用较多的一种步进电动机，特别是在我国应用更广泛。例如在经济型数控机床中，大量使用机壳号为110、130、150，转矩为820 Nm ，步距角为0.75、1.5的三相和五相磁阻式步进电动机（图4-1 a）。（2）永磁感应子式步进电动机（混合式步进电动机）这种电动机具有步距角小、起动频率高、控制功率小、电磁阻尼大和有自锁制动能力等优点。缺点为结构复杂、成本较高。适用于精密的数控系统，如大量用于软盘和硬盘磁头驱动系统（图4-1 b）。（3）永磁爪极式步进电动机这种电动机大量采用冲压件，便于大批量生产。它具有结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、控制功率小、断电后有定位转矩等优点。其外径大多为2065mm；步距角为0.9、1.8、7.5、10、15、18；最大静转矩为0.00230.26Nm。大量用于计算机外部设备、办公自动化设备、数字仪器仪表和空调机等设备中（图4-1 c）。图4-1 步进电动机的分类 2、步进电机的结构图4-2是一个三相反应式步进电动机结构图。从图中可以看出，它分成转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠成的。字子上有6个磁极（大极），每2个相对的磁级（N、S极）组成一对，共有3对。每对磁极都缠有同一绕组，也即形成一相，这样3对磁极有3个绕组，形成三相。可以得出，四相步进电动机有4对磁极、4相绕级；五相小进电动机有5对磁极、5相绕级依次类推。每个磁极的内表面都分布着多个小齿，它们大小相同，间距相同。转子是由软磁材料制成的，其外表也均匀分布着小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同，形状相似。由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，它们的齿距角都可以由下式来计算：=式中Z转子的齿数。例如，如果转子的齿数为40，则齿角中距为：=图4-3定子齿与转子齿间的磁导现象图4-2三相反应式步进电动机结构反应式步进电动机运动的动力来自于电磁力。在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导纺（或者最小磁阻）的位置（如图4-3（a）所示，定子小齿与转子小齿对齐的位置），并牌平衡状态。对三相步进电动机来说，当某一相的磁极牌最大磁导位置时，另外两相必须牌非最大磁导位置（如图4-3（b）所示，定子小齿与转子小齿不对齐的位置）。我们把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿；把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称错齿。错齿的存在是步进电动机能够旋转的前提条件，所以，在步进电动机的结构中必须保证有错齿的存在，也就是说，当某一相处于对齿状态时，其他相必须处于错齿状态。图4-4A相对齿时B、C相的错齿我们继续上例。如果转子有49个齿，则转子的齿距角为9，因为定子的齿距角与转子相同，定子的齿距角也是9。所不同的是，转子的齿是圆周分布的，而定子的齿只分布在磁极上，属于不完全齿。当某一个处于对齿状态时，该相磁极上定子的所有小齿都与转子上的小齿对齐。三相步进电动机的每一相磁极在空间上相差120。假如当前A相处于对齿状态，以A相位置作为参考点，B相与A相相差120，C相与A相相差240。下面我们可以计算当A相处于对齿状态时，B、C两相的错齿程度。将A相磁极中心线看成0，在0处的转子齿为0号齿，则在120处的B相磁极中心线上对应的转子齿号为120/9=13.3，即B相磁极中心线处于转子第13号齿再过1/3齿距角的地方，如图4-5所示。这说明B相错了1/3个齿距角，也即错齿3。同理，与A相相差240的C相磁极中心线上对应的齿号为240/9=26.6，即C相磁极中心线处于转子第26号齿再过2/3齿距角的地方，如图4-3所示。这说明C相错齿6。（二）步进电机的工作原理1、反应式步进电动机的步进原理如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（或磁阻最小）的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电动机就是基于这一原理转动的。步进电动机步进的过程也可通过图4-5进一步说明，当开关KA合上时，A相绕组通电，使A相磁场建立。A相定子磁极上的齿与转子的齿形成对齿，同时，B相、C相上的齿与转子形图4-5步进电动机的步进原理成错齿。将A相断电，同时将KB合上，使处于错1/3个齿距角的B相通电，并建立磁场。转子在电磁力的作用下，向与B相成对齿的位置转动。其结果是：转子转动了1/3个齿距角；B相与转子形成对齿；C相与转子错1/3个齿距角；A相与转子错2/3个齿距角。相似地，在B相断电的同时，合开关KC全C相通电建立磁场，转子又转动了1/3个齿距角，与C相形成对齿，并且A相与转子错1/3个齿距角，与A相形成对齿，与B、C两相形成错齿。至此，所有的状态与最初时一样，只不过转子累计转过了一个齿距。可见，由于按A-B-C-A顺序轮流给各相绕组通电，磁场按A-B-C方向转过了360，转子则沿相同方向转过一个齿距角。同样，如果改变通电顺序，即按与上面相反的方向（A-C-B-A的顺序）通电，则转子的转向也改变。如果对绕组通电一次的操作称为一拍，那么前面所述的三相反应式步进电动机的三相轮流通电就需要三拍。转子每拍走一步，转一个齿距角需要3步。转子走一步所转过的角度称为步距角，可用下式计算=式中 N步进电动机工作拍数例如，对于转子有40个齿的三相步进电动机来说，转过一个齿距角相当于转过，共用了3步，每换相一次走一步，这样每步走了，步距角为。从以上分析可知，反应式步进电动机对结构的要求是： 定子绕组磁极的分度角（如三相的和）不能被齿距角整除，否则无法形成错齿； 定子绕组磁极的分度角被齿距角除后所得的余数，应是步距角的倍数，而且倍数值与相数不能有公因子，否则无法形成对齿。(三)步进电机的驱动步进电动机的驱动不能直接接到直流或工频交流电源上工作，必须使用专用设备步进电动机驱动控制器。步进电动机驱动系统的性能，除与电动机自身性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。如图4-6所示，它一般由脉冲分配器单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中虚红框内的单元可由微机控制来实现，功率驱动单元与步进电动机直接相连，也可以理解为步进电动机微机控制器的功率接口，下面加以简单介绍。步进电动机微机控制单元控制指令脉冲发生控制单元功率驱动单元步进电动机反馈与保护单元 图4-6 步进电动机驱动控制器 对于反应式步进电动机，绕组电流只要求向一个方向流动，故驱动电路采用单极性驱动。下面介绍几种不同性能的单极性驱动电路。1、单电压驱动单电压驱动是指在电动机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。它的特点是电路最简单。线路如图4-7a所示（只画出一相）。其中电机绕组A串有电阻RS，使绕组回路的时间常数减小，以便高频时电动机能产生较大的电磁转距。RS还能缓解电动机的低频共振现象，这可从图4-7b中画出的步进电动机单步响应曲线看出。图中1是不串电阻RS的，2是串电阻RS度调高电源电压以保持绕组静态电流相同的；显然2比1好。但RS引起附加的损耗，故一般只适用于小功率步时电动机。b)a)图 4-7 单电压功率驱动电路（一相）电机的单步响应曲线a) 驱动电路 b) 单步响应曲线2、双电压驱动用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波型变陡，这样就产生了双电压驱动。双电压驱动有两种驱动方式：双电压法和高低压法。双电压法双电压法的基本思路是：在低频段使用较低的电压驱动，在高频段使用较高的电压驱动。其电路原理如图4-8所示。当电动机工作在低频时，给VTH低电平，使VTH关断。这是电动机的绕组由低电压图 4-8 双电压驱动原理图UL供电，控制脉冲通过VTL使绕组得到低压脉冲电源。当电动机工作在高频时，给VTH高电平，使VTH打开。这时二极管VDL反向截止，切断低电压电源UL，电动机绕组由高电压UH供电，控制脉冲通过VTL使绕组得到高压脉冲电源。这种驱动方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好的高频性能，但仍没摆脱单电压驱动的弱点，在限流电阻R上仍然会产生损耗和发热。高低压法高低压法的思路是：不论电动机工作的频率如何，在绕组通电的开始用高压供电，使绕组中电流迅速上升，而后用低压来维持绕组中的电流。高低压驱动电路的结构如图4-9所示。尽管看起来与双电压电路非常相似，但它们的原图 4-9 高低压功率驱动电路理有很大的差别。UH为高压电源，UL为低压电源。当高压管VTH及低压管VTL均导通时，绕组A由高压电源供电。此时VDL反向偏置，低压电源不供电。当高压管关断，低压管导通时，VDL导通，绕组由低压电源供电。当高压管及低压管均关断时，绕组电流通过续流二极管VD流向高压电源。这样就可以改善驱动系统的高频性能，使电动机在高频段也有较大的输出转矩，而在静止锁定时的功耗则比较小。高低压驱动电路要有两个输入控制信号，一个是高压有效控制信号u，它使高压管导通一个短时间。另一个是该相的驱动控制信号u。u和u应保持同步，具上升沿在同一时刻出现。高压管的导通时间不能太大，也不能太小。太大时，电动机电流过载；太小时，高频性能的改善不明显。与电动机的电气时间常数相当时比较合适。一般可取.ms。高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法。由于这种驱动在低频时电流有较大地上冲，电动机低频时噪声较大，低频共振现象存在，使用时要注意。3、斩波恒流驱动高低压驱动时，电流波形在高压与低压交接处有一凹陷，（如图4-10 所示），这会引起输出转矩出现下降另外，双电压也会增加设备的成本斩波器会很好地解决这一问题恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定低频或高频工作时均保持额定值，使电动机具有恒转矩输出特性图410是斩波恒流驱动电路原理框图VT2是一个高频开关VT开关管的发射极接一只小电阻，电动机绕组的电流经这个电阻到地，所以这个电阻是电流取样电阻，比较器的一端接给定电压，另一端接取样电阻上的压降，当取样电压为时，比较器输出高电平图 4-10 斩波恒流驱动电路 当控制脉冲为低电平时，VT和VT两个开关均截止；当为高电平时，VT和VT两个开关均导通，电源向绕组供电由于绕组电感的作用，上的电压逐渐升高，当超过给定的电压的时候，比较器输出低电平，使与门输出低电平，VT截止，电源被切断；当取样电阻上的电压小于给定电压时，比较器输出高电平，与门也输出高电平，VT又导通，电源又开始向绕组供电这样反复循环，直到为低电平以上的驱动过程表现为：VT每导通一次，VT导通多次，绕组的电流波形为锯齿波，如图4-10所示在VT导通的时间里，电源是脉冲式供电的（见波形），所以提高了电源频率，并且能有效的抑制共振由于无需外接影响时间常数的限流电阻，所以提高了高频性能；但是，由于电流波形为锯齿形，将会产生较大的电磁噪声4、细分驱动步进电机各相绕组的电流是按照工作方式的节拍轮流通电的绕组通电的过程非常简单，即通电断电反复进行现在我们设想将这一过程复杂化一些，例如，每次通电时电流的幅值并不是一次到位的，而是分成阶段，逐个阶级上升；同样，每次断电时电流也不是一次降到，而是逐个地下降如果这样做会发生什么现象？我们都知道，电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关当通电相的电流并不马上升到位，而断电相的电流并不立即降为时，它们所产生的磁场合力，会使转子有一个新的平衡位置，这个新的平衡位置是在原来的步距角范围内也就是说，如果绕组中电流的波形不再是一个近似方波，而是一个分成个阶段的近似梯波，则电流每升或降一个阶段时，转子转动一小步当转子按照这样的规律转过小步时，实际上相当于它转过一个步距角这种将一个步距角细分成若干小步的驱动方法，就成为细分驱动细分驱动使实际步距角更上了，可以大大提高对执行机构的控制精度，同时也可以减小或消除振荡、噪声和转矩波动。目前，采用细分技术已经可以将原步距角分成数百份。五、单片机系统与步进电机驱动器之间接口方法及方向控制采用单片机系统寻步进电动机进行控制，有串行控制和并行控制两种方法。（一）串行控制具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动器之间只需两条控制线，一条用来发出走步脉冲串（CP），另一条用来发出方向电平信号。这两个信号都是送入步进电动机驱动器的脉冲分配器的输入端，所以在这种控制系统中，驱动器必须含有脉冲分配器，对电动机各相励磁的分配及转换顺序都由脉冲分配器来完成。由于单片机系统与驱动器之间只有两条控制线，使系统构成简单。系统从CP脉冲控制线按电动机旋转速度的要求发出相应周期间隔的脉冲，即可使电动机旋转。当需要电动机恒转速运行时，就发出恒周期的脉冲串；当需要加减速运行时，就发出周期递减或递增的脉冲串；当需要所顶状态时，只要停止发脉冲就可以了，由此可以方便地对电动机转速进行控制。方向电平控制线可实现对电动机方向的控制，为低电平“0”时，脉冲分配器按正方向进行脉冲分配，电动机正向旋转；而为高电平“1”时，脉冲分配器按反方向进行脉冲分配，电动反方向旋转。图5-1就是表示如何用8031单片机通过串行控制来驱动步进电动机。电路中是利用8031单片机的输出方向电平信号，输出CP脉冲信号。CP脉冲的产生方法很简单，只要先对进行清零，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宽度都有一定的要求，所以在清零和置位之间插入的延时时间应有适当的长度。设低电平时为正转驱动，脉冲分配器在走步出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：方向电平CP脉冲单片机 （8031） 脉冲分配器功率驱动步进电动机 图5-1 单片机串行控制 CW： CLR P1.1 ；发出正转电平信号 CLR P1.0 ；输出低 ，为脉冲的正跳变准备条件LCALL DT ；调延时子程序SETB 1.0 ；输出高电平，产生脉冲正跳变 RET ；返回该程序是以子程序方式给出的。调用该子程序一次，电动机正转一步。只要按一定时间间隔T调用这个子程序就可以使电动机按一定的转速连续转动。若要电动机反方向运行，可调用如下的子程序：CCW： SETB P1.1 ； 发出反转电平信号 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 NOP RET（二）并行控制用单片机系统接口的数条数据线直接去控制步进电动机各相驱动线路的方法称为并行控制。很显然，在电动机驱动器内部不包含脉冲分配器，而脉冲分配器的功能必须由单片机系统来完成。由系统实现脉冲分配的功能又有两种方法，一种是纯软件方法，即全部用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号，这种软件方法在下节专门讲述。第二种是用软件硬件结合的方法，这里是专门设计的一种编程接口，计算机向接口输出简单形式的代码数据，而接口输出的是步进电动机各相导通或截止的信号。8031的四条数据线直接接到一个EPROM2716的低四位地址线上，其他各地址线均接地，这样口输出的数据最多可选通EPROM的十六个地址线，并且加7407作为输出缓冲器，以加大带载能力。2716的内存中存储各相励磁状态的转换表。 图5-2 可编程接口与前面介绍的含有EPROM的环行分配器比较，实现由单片机代替了前级的计数器，而EPROM和工作状态则完全相同。在8031内部数据存储器中选一地址作为输出状态的计数器，称状态字节。例如，当需要正转一步时，只需把计数器加1送到口；当需要反转一步时，只需把计数器减1送至口。其正转的程序如下： CW： INC R0 ；计数器加1 MOV P1，R0 ；送输出口 RET反转的子程序如下： CCW： DEC R0 ；计数器减1 MOV P1，R0 ；送输出口 RET 这种程序只需对计数器进行加1和减1的操作，然后送到输出口就可以了。输出的数据实际相当于脉冲分配器的输出的代码，而代码的含义是由2716内存解码完成，每一个数据对应脉冲分配器的一个输出状态，这里，脉冲分配器的功能不用主机负担，同时也不需要如串行脉冲时的延时，软件的消耗也极少，所以主机可以有更多的时间去从事其他工作，8031的口自身有锁存功能，所以不必担心先前输出的数据状态发生变化。四相混合式步进电动机励磁状态为4或8的循环，我们循记数长度为16，正好使用计数器的低四位。计数器在记数过程中，虽然高位夜也发生变化，但对输出不起作用。因此，我们在软件中不必对计数长度进行计算。这里的原因在于计数长度刚好是2的整数次幂。当不满足上述关系时，必须用软件对计数长度进行计算，以形成特定长度的计数器，例如，如果用同样的接口方法去控制五相反应式步进电动机，当电动机以五相十拍方式运行时，EPROM存储的状态只占十个字节，地址为000H009H，因此，P1口输出数据必须以10为循环。计数R0最大值为9，此时程序如下：正转程序： CW： INC R0 ：正转加1 CJNE R0，#10，CW1 ：R0不等于10时正常计数 MOV R0，#0 ：R0等于10时清零 CW1： MOV P1，R0 ：输出 RET ：返回执行这个程序，当R0计数到10时，即重新赋值0，因此最大值为9，实现十循环。反转时，则应在R0从0再减1时即赋值9，也保证十循环，程序如下： CCW： DEL R0 ：反转减1 CJNE R0， #0FFH，CCW1 ：R0不是0减1则正常计数 MOV R0，#9 ：R0是0减1则赋值9 MOV P1， R0 ：输出 RET ：返回六、 电动机的速度与位置控制（一）工作原理通过我们对电动机的结构和单片机编程的深入认识后我们来设计单轴步进电动机的速度与位置运动控制系统。系统的原理电路如（图 6-1）所示。它由三个通用部件组成：脉冲分配器，驱动电路以及步进电动机。步进电动机为四相的1.8混合试步进电动机，或者7.5反应式步进电动机。（图 61 步进电动机运动控制系统原理图） 该系统具有两种输入控制方式：硬件脉冲分配器和软件脉冲分配器。当使用硬件脉冲分配器时，时钟乃冲和方向输入Z由微处理机产生，时钟脉冲加给与门3。程序禁止开关闭合，可编程计数器被隔断，并且，所施加的时钟脉冲引起步进电动机常速度转动，转速与脉冲频率成正比。程序禁止开关打开，可编程计数器用作位置控制。相应于步进电动机前进的步数存放在计数器中，时钟脉冲引起计数器减计数。当计数器减至0状态时，步进电动机前进了希望的步数，在计数的末尾，计数器0状态在或门2的输出端产生0电平，从而切断时钟脉冲，电动机停转。 在使用硬件脉冲分配器时，开关S1至S4设置与门7至10的输出到功率驱动器Q1至Q4的基极。例如，加给Q1基极的高电平使Q1导通，并在Q5的基极上产生低电平（Q5至Q8为功率晶体管，集电极额定电流为10A），这将引起Q5的饱和。它的集电极电流（等于步进电动机相绕组电流）流过1绕组及100欧姆电阻。这里，100欧姆电阻限制集电极电流并降低相绕组时间常数，以改变步进电动机的高速性能。其余组合Q2Q6，Q3Q7及Q4Q8以完全相同的方式分别控制2, 3及4相绕组。二极管D1至D4用来限制功率管关断时产生的电感冲击。 当使用软件脉冲分配器时，开关S1至S4连接微处理器机并行接口芯片（8155）的S口到功率驱动器的输入端。这时，微处理器机完全专用步进电动机的控制，并且，硬件脉冲分配器不起作用。8155为带I/O端口的RAM，在使用时，必须给片内的命令寄存器写入命令字，以设置其中I/O口的工作方式。例如，设置A口为输出的命令字是01H，则指令可以写为 MVI A，01H OUT X0H（二）程序设计 控制步进电动机速度的程序1-1。该程序适用于80系列微处理机，如Intel8085等。端口A为输出口，存储器单元0001至0004存放相绕组激励数据，而存储单元0005和0006存放时间延迟数据。它们用于控制电动机的速度。速度控制程序首先是由端口A输出4位中的一位为高电平（存储单元004的内容），从而激励电动机的一相。时间延迟（存储单元0005和0006的内容）执行后，第二相由0003的内容激励。这样，四个相绕组依次顺序激励，相邻两次激励之间存在延时。若在单元0005和0006中装入新的内容，则可以得到不同的电动机速度。程序1-1 步进电动机速度控制程序存储单元 0001=4TH PULSE 0002=3RD PULSE 0003=2ND PULSE 0004=1ST PULSE 0005+0006=DELAY TIMESTART MVI A,01H ;设置8155的端口A为输出 OUT X0H ;命令字写入命令寄存器REPEAT LXI B,0004 ;表中的第步,BC 0004FINISH TABLE LXI H,0000 ;指向表格开始,HL 0000 DAD B ;指向步进脉冲,HL HL+BC MOV A,M ;由表格获得步进脉冲,A MHL OUT X1H ;加步进脉冲给驱动电路/端口A CALL DELAY ;等待希望的时间 BDX B ;指向表格中的下一步,BC BC-1 MOV A,C ;A C ORA B ;检查是否到第4步,A AB JNZ FINISH TABLE JMP REPEAT DELAY PUSH H ;保存环境 LHLD 0005 ;由存储器获得延时,HL (0005)LOOP DCX H ;HL HL-1 MOV A,L ;A L ORA H ;A AH JNZ LOOP ;直至HL为0,达到希望的延时 POP H ;恢复环境RET 步进电动机位置控制的程序结构与速度控制的相似,见程序1-2。附加的单元0007和0008存放电动机前进的步数。电动机相绕组激励的重复顺序完全与速度控制程序相同。两个程序的主要差别是计数的脉冲数。它由存储单元0007和0008传送到寄存器对DE。相激励脉冲每从端口A输出一次，寄存器对DE便减1，并与0相比较。当寄存器对DE的内容减小到0时，程序执行停止。也就是说，电动机前进了希望的步数后停止。 程序1-2 步进电动机位置控制程序存储单元 0001=4TH PULSE 0002=3RD PULSE 0003=2ND PULSE 0004=1ST PULSE 0005+0006=DELAY TIME 0007+0008=脉冲数START MVI A,01H ;设置8155的端口A为输出 OUT X0H ;命令字写入命令寄存器 LHLD 0007 ;由存储器获得脉冲 MOV E,L ; MOV D,H ;送到新的寄存器REPEAT LXI B,0004 ;表中的第步,BC 0004FINISH TABLE LXI H,0000 ;指向表格开始,HL 0000 DAD B ;指向步进脉冲,HL HL+BC MOV A,M ;由表格获得步进脉冲,A MHL OUT X1H ;加步进脉冲给驱动电路/端口A CALL DELAY ;等待希望的时间 BDX D ;脉冲数减1 MOV A,E ; ORA D ; JNZ HOP_OVER ;继续指导脉冲数为0 HLT ;当脉冲数为0时停止HOP OVER BDX B ;指向表格中的下一步,BC BC-1 MOV A,C ;A C ORA B ;检查是否到第4步,A AB JNZ FINISH TABLE JMP REPEAT DELAY PUSH H ;保存环境 LHLD 0005 ;由存储器获得延时,HL (0005)LOOP DCX H ;HL HL-1 MOV A,L ;A L ORA H ;A AH JNZ LOOP ;直至HL为0,达到希望的延时 POP H ;恢复环境RET 七结束语通过上面的一系列的学习和认识，步进电动机能直接接受数字量的