第6章 数字程序控制技术2(步进电机)

4.4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：①快速启停；

②步进速率为200~1000步／秒；

③步进速率增加1~2倍，仍然不会失掉一步；

④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。⑤精度高，可以由每步90°低到每步0．36°；

⑥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4.4.1步进电机的工作原理4.4.2步进电机控制系统的原理4.4.3步进电机与微机接口及程序设计4.4.4步进电机步数及速度的确定方法4.4.5步进电机的变速控制4．4．1步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4—44所示。微机控制技术4．4．1步进电机工作原理图4—44步进电机原理图微机控制技术4．4．1步进电机工作原理1．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4—44所示的结构为三相步进电机(A—A'相，B—B'相，C—C'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4．4．1步进电机工作原理（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．工作原理

当某相绕组通电时，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。4．4．1步进电机工作原理4．4．1步进电机工作原理（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120°／9°＝133/9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4．4．1步进电机工作原理3.几点说明（1）步进电机旋转的根本原因是错齿；

（2）步距角（Zr为转子齿数）

式中，N=McC为运行拍数，其中Mc为控制绕组相数；C为状态系数。采用单三拍或双三拍时，C=1；采用单六拍或双六拍时，C＝2。微机控制技术4．4．2步进电机控制系统原理微机控制技术图4—45步进电机控制系统的组成4．4．2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

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4．4．2步进电机控制系统原理★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。采用计算机控制系统，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）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。典型的微型机控制步进电机系统原理图，如图4—46所示。微机控制技术4．4．2步进电机控制系统原理图4—46用微型机控制步进电机原理系统图微机控制技术4．4．2步进电机控制系统原理图4—46与图4—45相比，区别在于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4．4．2步进电机控制系统原理本课主要解决如下几个问题：

(1)用软件的方法实现脉冲序列；

(2)步进电机的方向控制；

(3)步进电机控制程序的设计。微机控制技术4．4．2步进电机控制系统原理

1．脉冲序列的生成

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。

图4—47脉冲序列微机控制技术4．4．2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表示。

★脉冲高度由数字元件电平来决定的，

TTL0~5V，

CMOS0~10V

★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。微机控制技术4．4．2步进电机控制系统原理但由于步进电机的“步进”是需要一定的时间的，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4．4．2步进电机控制系统原理

2．方向控制

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。三相步进电机有三种工作方式：

★单三拍，通电顺序为ABC；

★双三拍，通电顺序为ABBCCA；

★三相六拍，通电顺序为

AABBBCCCA；微机控制技术4．4．2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

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4．4．2步进电机控制系统原理3.步进电机的方向控制方法是：（1）用微型机输出接口的每一位控制一相绕组，例如，用8255控制三相步进电机时，可用PC.O、PC.1、PC.2分别接至步进电机的A、B、C三相绕组。（2）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方式的数学模型分别为：微机控制技术4．4．2步进电机控制系统原理

★三相单三拍步序控制位工作状态控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2C相P1.1B相P1.0A相100000001A01H200000010B02H300000100C03H微机控制技术4．4．2步进电机控制系统原理

★同理，可以得出双三拍和三相六拍的控制模型：双三拍03H，06H，05H★

三相六拍01H，03H，02H，06H，04H，05H

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。微机控制技术4．4．3步进电机与微型机的接口及程序设计

1.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都需要专门的接口电路及驱动电路。接口电路可以是锁存器，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4—48和4—49所示。微机控制技术4．4．3步进电机与微型机的接口及程序设计图4—48步进电机与微型机接口电路之一微机控制技术4．4．3步进电机与微型机的接口及程序设计在图4—48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＝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，只要按一定的顺序改变P1.0~P1.2三位的状态， 使A、B、C三相依次通电，则可控制步进电机 按一定的方向步进。微机控制技术4．4．3步进电机与微型机的接口及程序设计图4—49与图4—48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4．4．3步进电机与微型机的接口及程序设计图4—49步进电机与微型机接口电路之二微机控制技术4．4．3步进电机与微型机的接口及程序设计2.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；★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。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4.50三相双三拍步进电机控制程序流程图微机控制技术4．4．3步进电机与微型机的接口及程序设计

ORG 0100H ROUNT1：MOV A，#N ；步进电机步数→A JNB 00H，LOOP2 ；反向，转LOOP2 LOOP1：MOV P1，#03H ；正向，输出第一拍

ACALL DELAY ；延时

DEC A ；A＝0，转DONE JZ DONE MOV P1，06H ；输出第二拍

ACALL DELAY ；延时

DEC A ；A＝0，转DONE JZ DONE MOV P1，05H ；输出第三拍

ACALL DELAY ；延时

DEC A ；A≠0，转LOOP1 JNZ LOOP1

（2）程序根据图4-50可写出如下步进电机控制程序微机控制技术4．4．3步进电机与微型机的接口及程序设计微机控制技术

AJMPDONE ；A＝0，转DONELOOP2：

MOV P1，03H ；反向，输出第一拍

ACALLDELAY；延时DECA；A＝0，转DONJZ DONE MOVP1，05H ；输出第二拍

ACALLDELAY ；延时

DEC A JZ DONE ；

MOV P1，06H ；输出第三拍

ACALLDELAY ；延时

DEC A ；A≠0，转LOOP2 JNZ LOOP2DONE：

RETDELAY：

4．4．3步进电机与微型机的接口及程序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4．4．3步进电机与微型机的接口及程序设计（3）循环程序作法：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。节拍越多，优越性越显著。以三相六拍为例进行设计，其流程图如图4—51所示。

微机控制技术图4—51三相六拍步进电机控制程序框图微机控制技术ROUTN2LOOP0LOOP2LOOP14．4．3步进电机与微型机的接口及程序设计

ORG 8100HROUTN2：

MOV R2， COUNT ；步进电机的步数LOOP0：

MOV R3， #00H MOVDPTR，#POINT

；送控制模型指针

JNB 00H， LOOP2

；反转，转LOOP2 LOOP1：

MOV A， R3 ；取控制模型

MOVC A， @A+DPTR JZ LOOP0

；控制模型为00H，转LOOP0 MOV P1， A ；输出控制模型

ACALL DELAY ；延时

INC R3 ；控制步数加1 DJNZ R2， LOOP1

；步数未走完，继续

RET图4-47所示三相六拍步进电机控制程序如下：微机控制技术4．4．3步进电机与微型机的接口及程序设计微机控制技术LOOP2：MOV A，R3 ；求反向控制模型的偏移量

ADD A，#07H MOV R3，A AJAMP LOOP1DELAY：

；延时程序

POINT DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H；正向控制模型

DB 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H；反向控制模型COUNT EQU30H, POINTEQU 0150H

4．4．4步进电机步数及速度的确定方法两个重要的参数:步数N

控制步进电机的定位精度。速度

控制其步进的速率。

微机控制技术4．4．4步进电机步数及速度的确定方法

1. 步进电机步数的确定

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、打印机、数控机床等也都用步进电机精确定位）。

【例】

用步进电机带动一个10圈的多圈电位计来调整电压。假定其调节范围为10V，现在需要把电压从2V升到2.1V。步进电机的行程角度为

微机控制技术4．4．4步进电机步数及速度的确定方法★用三相三拍（步距角为3°）步数为

N＝36°/3°＝12(步)。★用三相六拍（步距角为1.5°），步数为

N＝36°/1.5°＝24(步)。可见：①改变步进电机的控制方式，可以提高精度，②在同样的脉冲周期下，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4．4．4步进电机步数及速度的确定方法2. 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。微机控