第7次《单片机原理与应用》-步进电机3

1、单片机原理与应用实验 信通学院51单片机与步进电机接口 特点：步进电机能接受步进脉冲的控 制一步一步地旋转。 用途：步进电机成了计算机应用项目中的主要执行元件之一，尤其在精确定位场合中得到了广泛的应用； 内容：简述步进电机的工作原理，讨论它与单片机接口的电路以及应用的方法。 。1 步进电机简述一、步进电机原理 步进电机的转子上均匀地分布着40个齿，齿间（齿距）夹角为9（360/40）,定子上有6个大齿，相差180的两个大齿组成一相，共有A、三相。每个大齿上有若干个与转子上一样的小齿。定子的每一相都有励磁绕组。二、步进电机的运行方式 1三相三拍运行方式 (1）当A相通电时，B相、相不通电： A相

2、定子上的齿与转子上的齿对齐（通电后磁场力作用的结果），迫使电机旋转3 B相定子上的齿顺时针超前转子上相应的齿3 C相定子上的齿顺时针超前转子上相应的齿6 (2）当B相接通电时，A相、C相不通电： B相齿对齐，电机旋转3；C相超前3相超前 (3）当C相通电时，B相、A相不通电。 C相齿对齐，电机旋转3；A相超前3；相超前6 因此，如果定子A、B、C三相按 ABCA 的顺序依次通电，则步进电机将不断地按顺时针方向转动。每一次通电转，每三次通电才走完一个齿距，因此叫三相三拍。 每一次通电转动的固定角叫步距角。 显然，三相三拍运行时，步距角。 假如某次通电后，控制脉冲不再来，则电机转子齿和某相对齐后就

3、停止转动，叫做位状态。 如果把顺时针叫正转，那么当通电顺序按 ACBA 进行时，则电机反时针旋转，叫反转。 可见控制步进电机正转反转只是三相绕组通电顺序不同而已。 2三相六拍运行方式 当A相通电时，A相定子齿与转子齿对齐，此后，如果让A、B两相同时通电，可以发现转子转动15。再让A相断电、B相通电，又可发现转子再转1.5。 所以按照 AABBBCCCAA 的顺序控制，电机将按顺时针方向旋转，每步转动15，即步距角=15， 由于要经过6步才走完一个齿距（615=9），所以叫三相六拍。 如果要使步进电机反转，只要按 AACCCBBBA顺序通电就行了。 结论：从上面两种运行方式可看出，错齿是促使步进

4、电机旋转的根本原因，当某相通电，相应的齿对齐，迫使电机旋转一个步距角，未通电的各相的齿出现了新的错位。改变通电的顺序和通电的相数，可组合出其它的运行方式。 讨论：三项三拍和三项六拍运行方式，哪种定位更精确？ 三、步进电机有如下特点：给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢；改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机的运行方式；改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。 2 步进电机与MCS-51单片机的接口 步进电机与单片机的连接一般有两种形式 一、由硬件完成脉冲分配的功能 在这种形式里，脉冲分配器（CH250）、驱动电

5、路由硬件完成。单片机只提供步进脉冲和正、反转控制信号，步进脉冲的产生与停止、步进脉冲的频率和个数都可用软件控制。 单片机输出步进脉冲后，再由脉冲分配电路按事先确定的顺序控制各相的通断。一般来说，硬件一旦确定下来，不易更改，这种方案，硬设备成本高，它的应用受到了限制。 怎样用软件产生步进脉冲呢？所谓软件产生就是用软件控制P30为1 或为0的次序和长短。如果先令P30=1，延时一段时间，再令P3.00，再延时一段时间后，又令P30=1，如此循环，就可构成脉冲序列。延时时间的长短决定了脉冲序列的周期，而脉冲序列的周期又与步进电机的步矩有关。下面提供了一个产生步进脉冲的子程序。 SUB： SETB P

6、30 SETB P30 ；保证输出高电平的时间5s SETB P30 CLR P30 ；变为低电平 MOV R7，30H LOOP： NOP ；软件延时程序： NOP ；基本延时（10s时间常数） NOP DJNZ R7,LOOP RET时间常数事先可装入30H单元，改变30H单元的内容就可改变延时长短 P3.0输出脉冲波形 2由软件完成脉冲分配工作 特点：由软件完成脉冲分配工作，不仅使线路简化，成本下降，而且可根据应用系统的需要，灵活地改变步进电机的控制方案。 硬件的主要任务是完成驱动功能。如图单片机直接带动步进电机的一种接口方案，接口并不复杂，单片机P1的低三位被设成输出位，P10控制A相

7、绕组通断，P11控制B相，P12控制C相。以A相控制为例： 当P10输出为1，发光管不发光，因此光敏二极管截止，使担负驱动任务的达林顿管导通。A相绕组通电。 相反，当P100发光管发光光敏管导通达林顿管截止A相绕组不通电。 为什么步进电机功率驱动电路采用光电隔离？ 步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态，采用光电耦合器将单片机与步机电机隔离可以避免单片机与步进电机功率回路的共地干扰，此外，万一驱动电路发生故障。也不致让功放中较高的电压串入单片机而使其损坏。怎样用软件完成脉冲分配呢？ 所谓脉冲分配就是用软件改变P1口低三位的输出值，进而达到控制三相绕组的通电顺序和通电方式之目的。 1、软件选

8、择单三拍的工作方式 单三拍的通电方式为ABCA，要想达到这个目的，只需依次向P1口输出如下控制字： P1.2 P11 P10 编码 （C相）（B相） （A相） 0 0 1 （01H）A相通，B、C相断 0 1 0 （02H） B相通，A、C相断 1 0 0 （04H） C相通，A、B相断 在控制字间也应加入软件延时来保证一定的时间间隔。假定要求时间间隔为1ms，控制电机按三相三拍正转的程序是：ZHEN：MOV P1， 01H ；A相通电 ACALL D1MS MOV P1， 02H ；B相通电 ACALL D1MS MOV P1， 40H ；C相通电 ACALL D1MS RETD1MS： M

9、OV R7， 64H ；延时1ms子程序D1MS1: NOP ；2s NOP ；2s NOP ；2s DJNZ R7，D1MSl ；4s RET 要想控制步进电机反转，只需把输出的控制字的次序按： 01H（A）04H（C）02H（B）01H（A）组合即可。 反转程序如下：FAN：MOV P1， 01H ；A相通电 ACALL D1MS MOV P1， 04H ；C相通电 ACALL D1MS MOV P1， 02H ；B相通电 ACALL D1MS 2、软件选择三相六拍的工作方式 不难推出与三相六拍相对应的控制字为 P12 P11 P10（C相） （B相） （A相）控制编码 导通情况 0 0

10、1 （01H） A相通电 0 1 1 （03H） AB相通电 0 1 0 （02H） B相通电 1 1 0 （06H） BC相通电 1 0 0 （04H） C相通电 1 0 1 （05H） CA相通电如果按： 001101100110010011001 A CA C CB B BA A的次序输出，就可达到反转的目的。 练习1仿照三相三拍的办法编出反转控制子程序。 FAN： MOV P1， 01H ；A相通电 ACALL D1MS MOV P1，05H ；CA相通电 ACALL D1MS MOV P1，04H ；C相通电 ACALL D1MS MOV P1，06H ；CB相通电 ACALL D1

11、MS MOV P1，02H ；B相通电 ACALL D1MS MOV P1，03H ；BA相通电 ACALL D1MS RET 9.3 应用举例机械手的微机控制 随着科学技术的进步、工业自动化的进程，机械手将进一步取代简单而笨重的人工操作，逐步把在恶劣环境下工作的人们解放出来，这对于改善人们的工作条件、提高工作效率，具有一定的现实意义。 本例系存取邮件机械手的控制，在邮政部门和立体仓库中作自动存职包裹和货物之用。 一、工作原理 通过键盘，将货位（或包位）代码输入微机，启动存（或取）命令键，机械手即可在微机的控制下，作X、Y、Z三个方向的运动，完成存（或取）包操作。控制原理如图所示。 系统主要包

12、括微机控制、步进电机控制、机械传动系统、光控音乐电路、工作电源、货架和柜台等七部分组成。微机根据键入的货物代码，产生相应的脉冲信号，经CH250脉冲分配器和驱动电路，输出具有一定功率的脉冲，驱动有关电机正转或反转及其步数，从而实现货物的存取。机械手行进中，光控音乐电路驱动蜂呜器发出乐曲，从而增强了工作的节奏、控制的旋律。 二、系统组成 1、硬件设计 如图是机械手微机控制系统硬件电路。本系统选用MCS-51系列中的8031芯片，扩展了一片2732，以存放用户程序。由于随机存储的数据不多，只利用片内RAM。采用两位LED显示器和28键盘，P35、P36和P37分别输出X、Y、和Z方向的控制脉冲，P

13、16和P1.7分别用来控制步进电机的正/反转和产生复位信号。 2、机械传动部分 机械传动部分包括导轨、小车、升降盘和机械手等部分。 水平方向位移 步进电机MX调通过滑轮和传送带，使小车在导轨上运动，实现X方向上的位移。 垂直方向升降 作调方向运动的小车上装有一竖直的六棱金属杆，升降盘套于杆上，杆的顶部装有一定滑轮并配有平衡锤。固定于小车上的步进电机MY带动升降盘，实现Y方向上的位移。 机械手动作 机械手装升降盘上，如图所示。图中A点固定，步进电机MZ带动B点，改变A、B间的较小距离，使得机械手移动较大距离。 货架 货架分三层，每层有4个包位，共计12个包位。 图中数字为包位编码，编码的个位数表

14、示X位置，十位数表示Y位置（层数），以供计算机查讯、判断之用。 本例采用SB-2A型步进电机，它工作于三相六拍的工作方式。 电机按顺时针方向旋转（即正转）时，各相脉冲顺序为：A=1A=1，B=1B=1B，C=1C=1C=1，A=1 电机按逆时针方向旋转（即反转）时，各相脉冲顺序为：A=1A=1，C=1C=1C=1，B=1B=1B=1，A=1 三、程序设计 系统软件包括：主程序、取包程序、存包程序、货位判断程序、X、Y方向运动和机械手动作子程序等。 （1）程序流程图 限于篇幅，只给出主要流程图。 2、脉冲序列的生成程序 对于步进电机的控制，实际上是控制步进脉冲的个数和步进脉冲的间隔，而步进电机的

15、间隔又可转化为某基准延时子程序的循环次数。因此，可以很方便地用软件来控制步进电机的运行，达到各种控制目的。 2、货位判断程序 如图是货位判断程序流程图。 功能：根据键入的货位编码判断货位，以确定X、Y方向所需要的脉冲数。 一、实验目的二、实验说明三、实验仪器四、实验内容六、实验报告要求第七次实验单片机步进电机控制实验五、思考题一、实验要求用8255扩展端口控制步进电机，编写程序输出脉冲序列到8255的PA口，控制电机正转、反转，加速，减速。二、实验目的1了解步进电机控制的基本原理。2掌握控制步进电机转动的编程方法。3了解单片机控制外部设备的常用电路。三、实验装置：伟福Lab2000p单片机实验

16、装置。四、实验电路连线框图 五、实验说明步进电机驱动原理是通过对每相线圈中电流的顺序切换来使电机作步进式旋转。切换是通过单片机输出脉冲信号来实现的。所以调节脉冲信号的频率便可以改变步进电机的转速，改变各相脉冲的先后顺序，可以改变电机的旋转方向。步进电机的转速应由慢到快逐步加速。电机驱动方式可以采用双四拍(ABBCCDDAAB)方式，也可以采用单四拍(ABCDA)方式，或单、双八拍(AABBBCCCDDDAA)方式。各种工作方式的时序图如下：（高电平有效）上图中示意的脉冲信号是高有效，但实际控制时公共端是接在VCC上的，所以实际控制脉冲是低有效。8255的PA口输出的脉冲信号经（MC1413或U

17、LN2003A）倒相驱动后，向步进电机输出脉冲信号序列。8051单片机也可以通过P1口输出脉冲信号控制步进电机的运转。也可以通过实验仪上的波形发生器来产生脉冲序列来控制步进电机的运转。 六、实验程序框图8255A可编程并行口芯片 可编程通用接口芯片8255A有三个八位的并行I/O口，它有三种工作方式。本实验采用的是方式0：PA，PC口输出，PB口输入。很多I/O实验都可以通过8255来实现。8255的CS/接地址译码/CS0，则命令字地址为8003H，PA口地址为8000H， PB口地址为8001H，PC口地址为8002H。 数据线、读/写控制、地址线、复位信号板上已接好。附参考程序：mode

18、 equ 082hcontrl equ 08003hctl equ 08000hAstep equ 01hBstep equ 02hCstep equ 04hDstep equ 08hdly_c equ 60h org 0hstep: mov a,#mode mov dptr,#contrl movx dptr,a mov dptr,#8002h mov a,#0 movx dptr,a mov dly_c,#10h jmp loop1; 单/双八拍工作方式loop: mov dptr, #ctl mov a,#Astep movx dptr,a call delay mov a,#Astep

19、+Bstep movx dptr,a call delay mov a,#Bstep movx dptr,a call delay mov a,#Bstep+Cstep movx dptr,a call delay mov a,#Cstep movx dptr,a call delay mov a,#Cstep+Dstep movx dptr,a call delay mov a,#Dstep movx dptr,a call delay mov a,#Dstep+Astep movx dptr,a call delay mov a, dly_c dec a ; 提高转速 cjne a,#1,

20、 nn1 ; 最快速度 inc ann1: mov dly_c,a ljmp Loop; 双四拍工作方式loop1: mov dptr,#ctl mov a, #Astep+Bstep movx dptr,a call delay mov a, #Bstep+Cstep movx dptr,a call delay mov a, #Cstep+Dstep movx dptr,a call delay mov a, #Dstep+Astep movx dptr,a call delay mov a, dly_c dec a cjne a,#2, nn2 inc ann2: mov dly_c,a jmp loop1; 单四拍工作方式loop2: mov dptr,#ctl mov a,#Dstep movx dptr,a call delay mov a,#Cstep movx dptr,a call delay mov a,#Bstep movx dpt