第6章 数字程序控制技术2(步进电机)

1、4.4 步进电机控制接口技术步进电机控制接口技术 步进电机是过程控制及仪表中的主要控制元件。1步进电机的特点： 快速启停； 步进速率为2001000步秒； 步进速率增加12倍，仍然不会失掉一步； 定位准确，例如，先正转24步，再反转24步，电 机将精确地回到原始的位置。 精度高，可以由每步90低到每步036； 能直接接收数字量。微机控制技术4.4 步进电机控制接口技术步进电机控制接口技术2步进电机的应用： 正因为步进电机具有快速启停，精确步进以及能直接接收数字量的特点，所以使其在定位场合中得到了广泛的应用。 如在绘图机、打印机及光学仪器中，都采用步进电机来定位绘图笔，印字头或光学镜头。 在工业

2、过程控制的位置控制系统中，做位移传感器。 计算机的软驱、光盘驱动器，用步进电机作精确定位。微机控制技术4.4 步进电机控制接口技术步进电机控制接口技术4.4.1 4.4.1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理4.4.2 4.4.2 步进电机控制系统的原理步进电机控制系统的原理4.4.3 4.4.3 步进电机与微机接口及程序设计步进电机与微机接口及程序设计4.4.4 4.4.4 步进电机步数及速度的确定方法步进电机步数及速度的确定方法4.4.5 4.4.5 步进电机的变速控制步进电机的变速控制441 步进电进电机工作原理 步进电机实际上是一个数字角度转换器。 其结构原理，如图444所示。微机控

3、制技术441 步进电进电机工作原理图图4 444 44 步进电机原理图步进电机原理图微机控制技术441 步进电进电机工作原理1 1步进电机的构成步进电机的构成 （1）定子 有6个等分的磁极，A，A，B，B，C，C，相邻两个磁极间的夹角为60。相对的两个磁极组成一相，如图444所示的结构为三相步进电机(AA相，BB相，CC相)。当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极立即形成N极和S极，每个磁极上各有5个均匀分布的矩形小齿。 微机控制技术441 步进电进电机工作原理（2）转子 没有绕组，由40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9。微机控制技术2 2工作原理工作原理 当某相绕组通

4、电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路。若此时，定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度，使转子齿和定子齿对齐。 错齿是促使步进电机旋转的根本原因。441 步进电进电机工作原理441 步进电进电机工作原理（1）A相通电时,B、C两相都不通电，在磁场的作用下，使转子齿和A相的定子齿对齐。若以此作为初始状态，设与A相磁极中心对齐的转子齿为0号齿;（2）由于B相磁极与A相磁极相差120，且120913 3/9不为整数，所以，此时转子齿不能与B相定子齿对齐，只是13号小齿靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3，如果此时突然变为B相通电，而A、C两相都不通电，则B相磁极

5、迫使13号转子齿与之对齐，整个转子就转动3，此时，称电极走了一步。 (3) 按照ABCA顺序通电一周，则转子转动9。微机控制技术441 步进电进电机工作原理3.3.几点说明几点说明（1 1）步进电机旋转的根本原因是错齿；）步进电机旋转的根本原因是错齿；（2 2） 步距角步距角 （ZrZr为转子齿数）为转子齿数） 式中，式中，N=McCN=McC为运行拍数，其中为运行拍数，其中McMc为控制绕组相数；为控制绕组相数； C C为状态为状态系数。采用单三拍或双三拍时，系数。采用单三拍或双三拍时，C=1C=1；采用单六；采用单六拍或双六拍时，拍或双六拍时，C C2 2。NZrQS360微机控制技术44

6、2 步进电机控制系统原理微机控制技术图图4 445 45 步进电机控制系统的组成步进电机控制系统的组成442 步进电机控制系统原理 典型的步进电机控制系统，步进电机控制系统主要是由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。 步进控制器步进控制器 是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。 作用:把输入的脉冲转换成环型脉冲，以便控制步进电机，并能进行正、反向控制。微机控制技术442 步进电机控制系统原理 功率放大器功率放大器 把控制器输出的环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。把控制器输出的环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。 采用计算机控制系统，由软件代替上述步进控制器。采用计算机控制

7、系统，由软件代替上述步进控制器。（简化了线路，降低了成本，提高可靠性）（简化了线路，降低了成本，提高可靠性） 采用微型机控制，可根据系统的需要，灵活改变步进电采用微型机控制，可根据系统的需要，灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。机的控制方案，使用起来很方便。 典型的微型机控制步进电机系统原理图，典型的微型机控制步进电机系统原理图， 如图如图4 44646所示。所示。微机控制技术442 步进电机控制系统原理图图4 446 46 用微型机控制步进电机原理系统图用微型机控制步进电机原理系统图微机控制技术442 步进电机控制系统原理 图446与图445相比，区别在于 用微型机代替了步进控制器。

8、用微型机代替了步进控制器。 由于步进电机的驱动电流比较大，所以微型机与步进由于步进电机的驱动电流比较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口电路及驱动电路。电机的连接都需要专门的接口电路及驱动电路。微机控制技术442 步进电机控制系统原理本课主要解决如下几个问题：本课主要解决如下几个问题： (1) (1) 用软件的方法实现脉冲序列；用软件的方法实现脉冲序列； (2) (2) 步进电机的方向控制；步进电机的方向控制； (3) (3) 步进电机控制程序的设计。步进电机控制程序的设计。微机控制技术442 步进电机控制系统原理 1 1脉冲序列的生成脉冲序列的生成 步进电机控制软件中必须解决的一个

9、重要问题，步进电机控制软件中必须解决的一个重要问题， 就是产生周期性脉冲序列。就是产生周期性脉冲序列。 图图4 447 47 脉冲序列脉冲序列微机控制技术442 步进电机控制系统原理脉冲用周期、脉冲高度、接通与断开电源的时间脉冲用周期、脉冲高度、接通与断开电源的时间表示。表示。 脉冲高度脉冲高度 由数字元件电平来决定的，由数字元件电平来决定的， TTL 05VTTL 05V， CMOS 010VCMOS 010V 接通和断开时间可用延时的办法来控制。接通和断开时间可用延时的办法来控制。 要求：确保步进到位。要求：确保步进到位。微机控制技术442 步进电机控制系统原理 但由于步进电机的“步进”是

10、需要一定的时间的，所以在送一高脉冲后，需延长一段时间，以使步进电机达到指定的位置。 由此可见，用计算机控制步进电机实际上是由计算机产生一系列脉冲。微机控制技术442 步进电机控制系统原理 2 2方向控制方向控制常用的步进电机有三相、四相、五相、六相四种常用的步进电机有三相、四相、五相、六相四种， 其旋转方向与内部绕组的通电顺序有关。其旋转方向与内部绕组的通电顺序有关。 三相步进电机有三种工作方式：三相步进电机有三种工作方式： 单三拍，通电顺序为单三拍，通电顺序为 A AB BC C ； 双三拍，双三拍， 通电顺序为通电顺序为 ABABBCBCCA CA ； 三相六拍，通电顺序为三相六拍，通电顺

11、序为 AABBBCCCA ；微机控制技术442 步进电机控制系统原理 改变通电顺序可以改变步进电机的转向改变通电顺序可以改变步进电机的转向 关于四相、五相、六相的步进电机，其通电方式和通电顺序与三相步进电机相似，读者可自行分析。本书主要以三相步进电机为例进行讲述。 微机控制技术442 步进电机控制系统原理3.3.步进电机的方向控制方法是：步进电机的方向控制方法是：（1 1）用微型机输出接口的每一位控制一相绕组，）用微型机输出接口的每一位控制一相绕组，例如，用例如，用82558255控制三相步进电机时，可用控制三相步进电机时，可用PC.OPC.O、PC.1PC.1、PC.2PC.2分别接至步进电

12、机的分别接至步进电机的A A、B B、C C三相绕三相绕组。组。（2 2）根据所选定的步进电机及控制方式，写出相）根据所选定的步进电机及控制方式，写出相应控制方式的数学模型，如上面讲的三种控制应控制方式的数学模型，如上面讲的三种控制方式的数学模型分别为：方式的数学模型分别为：微机控制技术442 步进电机控制系统原理 三相单三拍三相单三拍步 序 控 制 位 工 作 状 态 控 制 模 型 P1.7P1.6P1.5 P1.4 P1.3 P1.2C相 P1.1B相 P1.0A相 100000001A01H200000010B02H300000100C03H微机控制技术442 步进电机控制系统原理 同

13、理同理，可以得出双三拍和三相六拍的控制模型：，可以得出双三拍和三相六拍的控制模型： 双三拍双三拍 03H03H，06H06H，05H05H 三相六拍三相六拍 01H01H，03H03H，02H02H，06H06H，04H04H，05H05H 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型，以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型， 如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。微机控制技术443 步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计 1. 1.步进电机与微型机的接口电路步进电机与微型机的接口电路 由于步进电机的驱动电流比较大，所以微型机与步进电机的连接

14、都需要专门的接口电路及驱动电路。接口接口电路可以是锁存器，也可以是可编程接口芯片，电路可以是锁存器，也可以是可编程接口芯片，如8255、8155等。驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。 光电隔离器，一是抗干扰，二是电隔离，其原理接口电路如图448和449所示。微机控制技术443 步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计图图4 448 48 步进电机与微型机接口电路之一步进电机与微型机接口电路之一微机控制技术443 步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计 在图448中，当P1口的某一位（如P1.0）输出为0时，经反向驱动器变为高电平，使达林顿管导通，A相绕组通电。反之，当P1.0

15、1时，A相不通电。由 P1.1和P1.2控制的B相和C相亦然。 总之，总之， 只要按一定的顺序改变只要按一定的顺序改变P1.0P1.2P1.0P1.2三位的状态，三位的状态， 使使A A、B B、C C三相依次通电，则可控制步进电机三相依次通电，则可控制步进电机按一定的方向步进。按一定的方向步进。微机控制技术443 步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计 图449与图448的区别是在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离。当P1.0输出为1，发光二极管不发光，因此光敏三极管截止，从而使达林顿管导通，A相绕组通电。反之，当P1.0=0，经反相后，使发光二极管发光，光敏三极管导通，从而使达林顿管截

16、止，A相绕组不通电。 现在，已经生产出许多专门用于步进电机或交流电机的接口器件（或接口板），用户可根据需要选用。微机控制技术443 步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计图图4 449 49 步进电机与微型机接口电路之二步进电机与微型机接口电路之二微机控制技术443 步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计2.2.步进电机程序设计步进电机程序设计步进电机程序设计的主要任务是： 判断旋转方向；判断旋转方向； 按顺序传送控制脉冲；按顺序传送控制脉冲； 判断所要求的控制步数是否传送完毕。判断所要求的控制步数是否传送完毕。因此，步进电机控制程序就是完成环型分配器的任务，从而控制步进电机转动，以达

17、到控制转动角度和位移之目的 （1）程序框图下面以三相双三拍为例说明这类程序的设计，微机控制技术图图4.50 4.50 三相双三拍步进电机控制程序流程图三相双三拍步进电机控制程序流程图微机控制技术443 步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计 ORGORG0100H0100HROUNT1ROUNT1：MOVMOVA A，#N#N；步进电机步数；步进电机步数A A JNB JNB00H00H，LOOP2LOOP2；反向，转；反向，转 LOOP2LOOP2LOOP1LOOP1： MOVMOVP1P1，#03H#03H；正向，输出第一拍；正向，输出第一拍 ACALLACALL DELAYDELAY

18、；延时；延时 DECDECA A；A A0 0，转，转DONEDONE JZ JZDONEDONE MOV MOVP1P1，06H06H；输出第二拍；输出第二拍 ACALLACALL DELAYDELAY；延时；延时 DECDECA A；A A0 0，转，转DONEDONE JZ JZDONEDONE MOV MOVP1P1，05H05H；输出第三拍；输出第三拍 ACALLACALL DELAYDELAY；延时；延时 DECDECA A；A A0 0，转，转LOOP1LOOP1 JNZJNZ LOOP1LOOP1（2 2）程序）程序 根据图根据图4-50 4-50 可写出如下步进电机控制程序可

19、写出如下步进电机控制程序微机控制技术443 步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计微机控制技术 AJMP DONE AJMP DONE ；A A0 0，转，转DONEDONELOOP2LOOP2： MOVMOV P1 P1，03H03H；反向，输出第一拍；反向，输出第一拍 ACALL DELAY ACALL DELAY ；延时；延时DEC ADEC A；A A0 0，转，转DONDON JZ JZ DONE DONE MOV P1 MOV P1，05H05H；输出第二拍；输出第二拍 ACALL DELAYACALL DELAY；延时；延时 DECDEC A A JZ JZ DONE DON

20、E； MOVMOV P1 P1，06H06H；输出第三拍；输出第三拍 ACALL DELAYACALL DELAY；延时；延时 DECDEC A A ；A A0 0，转，转LOOP2LOOP2 JNZ JNZ LOOP2 LOOP2DONEDONE： RETRETDELAY： 443 步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计 以上程序设计方法对于节拍比较少的程序是可行的。但是，当步进电机的节拍数比较多（如三相六拍、六相十二拍等）时，用这种立即数传送法将会使程序很长，因而占用很多个存储器单元。 所以，对于节拍比较多的控制程序，通常采用循环程序进行设计。微机控制技术443 步进电进电机与与微型机

21、的接口及程序设计设计（3 3）循环程序）循环程序 作法：作法： 把环型节拍的控制模型按顺序存放在内存单元中，把环型节拍的控制模型按顺序存放在内存单元中， 逐一从单元中取出控制模型并输出。逐一从单元中取出控制模型并输出。 节拍越多，优越性越显著。节拍越多，优越性越显著。 以三相六拍为例进行设计，以三相六拍为例进行设计， 其流程图如图其流程图如图4 45151所示。所示。 微机控制技术图图4 451 51 三相六拍步进电机控制程序框图三相六拍步进电机控制程序框图微机控制技术ROUTN2ROUTN2LOOPLOOP0 0LOOP2LOOP2LOOP1LOOP1443 步进电进电机与与微型机的接口及程

22、序设计设计ORGORG8100H8100HROUTN2ROUTN2：MOVMOVR2R2，COUNTCOUNT；步进电机的步数；步进电机的步数LOOP0LOOP0： MOVMOVR3R3，#00H#00HMOV DPTRMOV DPTR，#POINT#POINT；送控制模型指针；送控制模型指针JNBJNB00H00H，LOOP2LOOP2；反转，转；反转，转LOOP2LOOP2LOOP1LOOP1： MOVMOVA A，R3R3；取控制模型；取控制模型MOVCMOVCA A，A+DPTRA+DPTRJZJZLOOP0LOOP0；控制模型为；控制模型为00H00H，转，转LOOP0LOOP0MO

23、VMOVP1P1，A A；输出控制模型；输出控制模型ACALLACALLDELAYDELAY；延时；延时INCINCR3R3；控制步数加；控制步数加1 1DJNZDJNZR2R2，LOOP1LOOP1；步数未走完，继续；步数未走完，继续RETRET图图4-474-47所示三相六拍步进电机控制程序如下：所示三相六拍步进电机控制程序如下：微机控制技术443 步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计微机控制技术LOOP2LOOP2： MOVMOV A A，R3R3；求反向控制模型的偏移量；求反向控制模型的偏移量 ADDADD A A，#07H#07H MOV MOV R3 R3，A A AJAMP

24、 AJAMP LOOP1 LOOP1DELAYDELAY： ；延时程序；延时程序 POINTPOINT DB DB01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H ；正向控制模型；正向控制模型 DB DB 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H ；反向控制模型；反向控制模型COUNTCOUNT EQU 30H, EQU 30H, POINT EQU 0150H 444 步进电进电机步数数及速度的确定方法两个重要的参数两个重要的参数: : 步数步数 N N 控制步

25、进电机的定位精度。控制步进电机的定位精度。 速度速度 控制其步进的速率。控制其步进的速率。 微机控制技术444 步进电进电机步数数及速度的确定方法 1. 1.步进电机步数的确定步进电机步数的确定 步进电机常被用来控制角度和位移步进电机常被用来控制角度和位移。 （控制旋转变压器或多圈电位器的转角。软盘驱动系统、（控制旋转变压器或多圈电位器的转角。软盘驱动系统、 打打印机、数控机床等也都用步进电机精确定位）。印机、数控机床等也都用步进电机精确定位）。 【例【例】 用步进电机带动一个用步进电机带动一个1010圈的多圈电位计来调整电压。圈的多圈电位计来调整电压。 假定其调节范围为假定其调节范围为10V

26、10V，现在需要把电压从，现在需要把电压从 2V 2V 升到升到 2.1V2.1V。 步进电机的步进电机的 行程角度行程角度 为为36:21.23600:10XXVVV微机控制技术444 步进电进电机步数数及速度的确定方法 用三相三拍（步距角为用三相三拍（步距角为3 3）步数为）步数为 NN3636/3/312(12(步步) )。 用三相六拍（步距角为用三相六拍（步距角为1.51.5），步数为），步数为 NN3636/1.5/1.524(24(步步) )。 可见：可见： 改变步进电机的控制方式，可以提高精度，改变步进电机的控制方式，可以提高精度， 在同样的脉冲周期下，步进电机的速率将减慢。在同

27、样的脉冲周期下，步进电机的速率将减慢。同理，也可以求出位移量与步数之间的关系。微机控制技术444 步进电进电机步数数及速度的确定方法2.2.步进电机控制速度的确定步进电机控制速度的确定 步进电机的步数是提高精度的重要参数之一。在 某些场合，不但要求能精确定位，而且还要求在一定的时间内到达预定的位置，这就要求控制步进电机的速率。 步进电机速率控制的方法就是改变每个脉冲的时间间隔。 例如，步进电机2秒钟转动10圈，则每步进一步需要的时间为 所以，只要在输出一个脉冲后，延时833微秒，即可达到速度要求。smsNZrmst833402320010/2000微机控制技术4.4.5 步进电机的变速控制微机控制技术1 1）必须要变速运行）必须要变速运行 步进电机在启动和停止过程时的速度应该比正常运转时的步进电机在启动和停止过程时的速度应该比正常运转时的 速度速度低，特别是在刚启动和最后停下来时，速度应该更低，否则由于低，特别是在刚启动和最后停下来时，速度应该更低，否则由于惯性步进电机会出现惯性步进电机会出现“失步失步”（多走了步或少走了步），失去其（多走了步或少走了步），失去其精确性。精确性。 为确保步进电机运行的精确性和快速，必须变速运行。为确保步进电机运行的精确性和快速，必须