單片機(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)電路及程序

9,1,第九章MCS-51單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)接口,特點：步進(jìn)電機(jī)能接受步進(jìn)脈沖的控制一步一步地旋轉(zhuǎn)。用途：步進(jìn)電機(jī)成了計算機(jī)應(yīng)用項目中的主要執(zhí)行元件之一，尤其在精確定位場合中得到了廣泛的應(yīng)用；內(nèi)容：簡述步進(jìn)電機(jī)的工作原理，討論它與單片機(jī)接口的電路以及應(yīng)用的方法。,9,2,91步進(jìn)電機(jī)簡述一、步進(jìn)電機(jī)原理步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上均勻地分布著40個齒，齒間（齒距）夾角為9（360/40）,定子上有6個大齒，相差180的兩個大齒組成一相，共有A、三相。每個大齒上有若干個與轉(zhuǎn)子上一樣的小齒。定子的每一相都有勵磁繞組。,9,3,二、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式1三相三拍運(yùn)行方式(1）當(dāng)A相通電時，B相、相不通電：A相定子上的齒與轉(zhuǎn)子上的齒對齊（通電后磁場力作用的結(jié)果），迫使電機(jī)旋轉(zhuǎn)3B相定子上的齒順時針超前轉(zhuǎn)子上相應(yīng)的齒3C相定子上的齒順時針超前轉(zhuǎn)子上相應(yīng)的齒6,9,4,(2）當(dāng)B相接通電時，A相、C相不通電：B相齒對齊，電機(jī)旋轉(zhuǎn)3；C相超前3相超前(3）當(dāng)C相通電時，B相、A相不通電。C相齒對齊，電機(jī)旋轉(zhuǎn)3；A相超前3；相超前6,9,5,因此，如果定子A、B、C三相按ABCA的順序依次通電，則步進(jìn)電機(jī)將不斷地按順時針方向轉(zhuǎn)動。每一次通電轉(zhuǎn)，每三次通電才走完一個齒距，因此叫三相三拍。每一次通電轉(zhuǎn)動的固定角叫步距角。顯然，三相三拍運(yùn)行時，步距角。,9,6,假如某次通電后，控制脈沖不再來，則電機(jī)轉(zhuǎn)子齒和某相對齊后就停止轉(zhuǎn)動，叫做位狀態(tài)。如果把順時針叫正轉(zhuǎn)，那么當(dāng)通電順序按ACBA進(jìn)行時，則電機(jī)反時針旋轉(zhuǎn)，叫反轉(zhuǎn)。可見控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)只是三相繞組通電順序不同而已。,9,7,2三相六拍運(yùn)行方式當(dāng)A相通電時，A相定子齒與轉(zhuǎn)子齒對齊，此后，如果讓A、B兩相同時通電，可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動15。再讓A相斷電、B相通電，又可發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)1.5。所以按照AABBBCCCAA的順序控制，電機(jī)將按順時針方向旋轉(zhuǎn)，每步轉(zhuǎn)動15，即步距角=15，由于要經(jīng)過6步才走完一個齒距（615=9），所以叫三相六拍。,9,8,如果要使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，只要按AACCCBBBA順序通電就行了。結(jié)論：從上面兩種運(yùn)行方式可看出，錯齒是促使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因，當(dāng)某相通電，相應(yīng)的齒對齊，迫使電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個步距角，未通電的各相的齒出現(xiàn)了新的錯位。改變通電的順序和通電的相數(shù)，可組合出其它的運(yùn)行方式。討論：三項三拍和三項六拍運(yùn)行方式，哪種定位更精確？,9,9,三、步進(jìn)電機(jī)有如下特點：給步進(jìn)脈沖電機(jī)就轉(zhuǎn)，不給步進(jìn)脈沖電機(jī)就不轉(zhuǎn)；步進(jìn)脈沖頻率高，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)得快；步進(jìn)脈沖頻率低，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)得就慢；改變各相的通電方式（叫脈沖分配）可以改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式；改變通電順序，可以控制步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。,9,10,92步進(jìn)電機(jī)與MCS-51單片機(jī)的接口步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的連接一般有兩種形式一、由硬件完成脈沖分配的功能在這種形式里，脈沖分配器（CH250）、驅(qū)動電路由硬件完成。單片機(jī)只提供步進(jìn)脈沖和正、反轉(zhuǎn)控制信號，步進(jìn)脈沖的產(chǎn)生與停止、步進(jìn)脈沖的頻率和個數(shù)都可用軟件控制。,9,11,討論：單片機(jī)輸出步進(jìn)脈沖后，再由脈沖分配電路按事先確定的順序控制各相的通斷。一般來說，硬件一旦確定下來，不易更改，這種方案，硬設(shè)備成本高，它的應(yīng)用受到了限制。怎樣用軟件產(chǎn)生步進(jìn)脈沖呢？所謂軟件產(chǎn)生就是用軟件控制P30為1或為0的次序和長短。如果先令P30=1，延時一段時間，再令P3.00，再延時一段時間后，又令P30=1，如此循環(huán)，就可構(gòu)成脈沖序列。延時時間的長短決定了脈沖序列的周期，而脈沖序列的周期又與步進(jìn)電機(jī)的步矩有關(guān)。下面提供了一個產(chǎn)生步進(jìn)脈沖的子程序。,9,12,SUB：SETBP30SETBP30；保證輸出高電平的時間5sSETBP30CLRP30；變?yōu)榈碗娖組OVR7，30HLOOP：NOP；軟件延時程序：NOP；基本延時（10s時間常數(shù)）NOPDJNZR7,LOOPRET時間常數(shù)事先可裝入30H單元，改變30H單元的內(nèi)容就可改變延時長短P3.0輸出脈沖波形,9,13,2由軟件完成脈沖分配工作特點：由軟件完成脈沖分配工作，不僅使線路簡化，成本下降，而且可根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，靈活地改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案。硬件的主要任務(wù)是完成驅(qū)動功能。如圖單片機(jī)直接帶動步進(jìn)電機(jī)的一種接口方案，接口并不復(fù)雜，單片機(jī)P1的低三位被設(shè)成輸出位，P10控制A相繞組通斷，P11控制B相，P12控制C相。,9,14,以A相控制為例：當(dāng)P10輸出為1，發(fā)光管不發(fā)光，因此光敏二極管截止，使擔(dān)負(fù)驅(qū)動任務(wù)的達(dá)林頓管導(dǎo)通。A相繞組通電。相反，當(dāng)P100發(fā)光管發(fā)光光敏管導(dǎo)通達(dá)林頓管截止A相繞組不通電。,9,15,為什么步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動電路采用光電隔離？步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動電路工作在較大脈沖電流狀態(tài)，采用光電耦合器將單片機(jī)與步機(jī)電機(jī)隔離可以避免單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)功率回路的共地干擾，此外，萬一驅(qū)動電路發(fā)生故障。也不致讓功放中較高的電壓串入單片機(jī)而使其損壞。怎樣用軟件完成脈沖分配呢？所謂脈沖分配就是用軟件改變P1口低三位的輸出值，進(jìn)而達(dá)到控制三相繞組的通電順序和通電方式之目的。,9,16,1、軟件選擇單三拍的工作方式單三拍的通電方式為ABCA，要想達(dá)到這個目的，只需依次向P1口輸出如下控制字：P1.2P11P10編碼（C相）（B相）（A相）001（01H）A相通，B、C相斷010（02H）B相通，A、C相斷100（04H）C相通，A、B相斷,9,17,在控制字間也應(yīng)加入軟件延時來保證一定的時間間隔。假定要求時間間隔為1ms，控制電機(jī)按三相三拍正轉(zhuǎn)的程序是：ZHEN：MOVP1，01H；A相通電ACALLD1MSMOVP1，02H；B相通電ACALLD1MSMOVP1，40H；C相通電ACALLD1MSRETD1MS：MOVR7，64H；延時1ms子程序D1MS1:NOP；2sNOP；2sNOP；2sDJNZR7，D1MSl；4sRET,9,18,要想控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，只需把輸出的控制字的次序按：01H（A）04H（C）02H（B）01H（A）組合即可。反轉(zhuǎn)程序如下：FAN：MOVP1，01H；A相通電ACALLD1MSMOVP1，04H；C相通電ACALLD1MSMOVP1，02H；B相通電ACALLD1MS,9,19,2、軟件選擇三相六拍的工作方式不難推出與三相六拍相對應(yīng)的控制字為P12P11P10（C相）（B相）（A相）控制編碼導(dǎo)通情況001（01H）A相通電011（03H）AB相通電010（02H）B相通電110（06H）BC相通電100（04H）C相通電101（05H）CA相通電,9,20,如果按：001101100110010011001ACACCBBBAA的次序輸出，就可達(dá)到反轉(zhuǎn)的目的。練習(xí)1仿照三相三拍的辦法編出反轉(zhuǎn)控制子程序。,9,21,FAN：MOVP1，01H；A相通電ACALLD1MSMOVP1，05H；CA相通電ACALLD1MSMOVP1，04H；C相通電ACALLD1MSMOVP1，06H；CB相通電ACALLD1MSMOVP1，02H；B相通電ACALLD1MSMOVP1，03H；BA相通電ACALLD1MSRET,9,22,9.3應(yīng)用舉例機(jī)械手的微機(jī)控制隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、工業(yè)自動化的進(jìn)程，機(jī)械手將進(jìn)一步取代簡單而笨重的人工操作，逐步把在惡劣環(huán)境下工作的人們解放出來，這對于改善人們的工作條件、提高工作效率，具有一定的現(xiàn)實意義。本例系存取郵件機(jī)械手的控制，在郵政部門和立體倉庫中作自動存職包裹和貨物之用。,9,23,一、工作原理通過鍵盤，將貨位（或包位）代碼輸入微機(jī)，啟動存（或?。┟铈I，機(jī)械手即可在微機(jī)的控制下，作X、Y、Z三個方向的運(yùn)動，完成存（或?。┌僮??？刂圃砣鐖D所示。系統(tǒng)主要包括微機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)控制、機(jī)械傳動系統(tǒng)、光控音樂電路、工作電源、貨架和柜臺等七部分組成。微機(jī)根據(jù)鍵入的貨物代碼，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號，經(jīng)CH250脈沖分配器和驅(qū)動電路，輸出具有一定功率的脈沖，驅(qū)動有關(guān)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)及其步數(shù)，從而實現(xiàn)貨物的存取。機(jī)械手行進(jìn)中，光控音樂電路驅(qū)動蜂嗚器發(fā)出樂曲，從而增強(qiáng)了工作的節(jié)奏、控制的旋律。,9,24,二、系統(tǒng)組成1、硬件設(shè)計如圖是機(jī)械手微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路。本系統(tǒng)選用MCS-51系列中的8031芯片，擴(kuò)展了一片2732，以存放用戶程序。由于隨機(jī)存儲的數(shù)據(jù)不多，只利用片內(nèi)RAM。采用兩位LED顯示器和28鍵盤，P35、P36和P37分別輸出X、Y、和Z方向的控制脈沖，P16和P1.7分別用來控制步進(jìn)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)和產(chǎn)生復(fù)位信號。,9,25,2、機(jī)械傳動部分機(jī)械傳動部分包括導(dǎo)軌、小車、升降盤和機(jī)械手等部分。水平方向位移步進(jìn)電機(jī)MX調(diào)通過滑輪和傳送帶，使小車在導(dǎo)軌上運(yùn)動，實現(xiàn)X方向上的位移。垂直方向升降作調(diào)方向運(yùn)動的小車上裝有一豎直的六棱金屬桿，升降盤套于桿上，桿的頂部裝有一定滑輪并配有平衡錘。固定于小車上的步進(jìn)電機(jī)MY帶動升降盤，實現(xiàn)Y方向上的位移。,9,26,機(jī)械手動作機(jī)械手裝升降盤上，如圖所示。圖中A點固定，步進(jìn)電機(jī)MZ帶動B點，改變A、B間的較小距離，使得機(jī)械手移動較大距離。貨架貨架分三層，每層有4個包位，共計12個包位。圖中數(shù)字為包位編碼，編碼的個位數(shù)表示X位置，十位數(shù)表示Y位置（層數(shù)），以供計算機(jī)查訊、判斷之用。,9,27,本例采用SB-2A型步進(jìn)電機(jī)，它工作于三相六拍的工作方式。電機(jī)按順時針方向旋轉(zhuǎn)（即正轉(zhuǎn)）時，各相脈沖順序為：A=1A=1，B=1B=1B，C=1C=1C=1，A=1電機(jī)按逆時針方向旋轉(zhuǎn)（即反轉(zhuǎn)）時，各相脈沖順序為：A=1A=1，C=1C=1C=1，B=1B=1B=1，A=1,9,28,三、程序設(shè)計系統(tǒng)軟件包括：主程序、取包程序、存包程序、貨位判斷程序、X、Y方向運(yùn)動和機(jī)械手動作子程序等。（1）程序流程圖限于篇幅，只給出主要流程圖。,9,29,2、脈沖序列的生成程序?qū)τ诓竭M(jìn)電機(jī)的控制，實際上是控制步進(jìn)脈沖的個數(shù)和步進(jìn)脈沖的間隔，而步進(jìn)電機(jī)的間隔又可轉(zhuǎn)化為某基準(zhǔn)延時子程序的循環(huán)次數(shù)。因此，可以很方便地用軟件來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，達(dá)到各種控制目的。,9,30,2、貨位判斷程序如圖是貨位判斷程序流程圖。功能：根據(jù)鍵入的貨位編碼判斷貨位，以確定X、Y方向所需要的脈沖數(shù)。,9,31,主程序功能：管理鍵盤和顯示以及有關(guān)控制。無鍵按下或執(zhí)行有關(guān)命令后，顯示提示符“-”（2）程序清單ORG0000HAJMPMAINMAIN:MOVSP,#60HSUN:SETBP3.5SETBP3.6SETBP3.7CLRP1.6CLRP1.7MOVR0,#40HMOVA,#12H；字符“-”ML0:MOVR0,A;的編碼INCR0CJNER0,#42H,ML0,9,32,SETBP1.7；復(fù)位信號;鍵輸入/顯示/鍵判斷F6H-特殊數(shù)據(jù)R3-鍵號暫存器ML1:ACALLDIRACALLKEYADDA，0F6H；鍵號+F6用于數(shù)字/功能鍵的判斷JCSUN1；功能鍵轉(zhuǎn)移至SUN1MOV41H，40H；數(shù)字鍵號送顯示緩沖區(qū)MOVR0，40HMOVR3，AANLA，0FH；保留低四位MOVR0，AAJMPML1,9,33,功能鍵處理程序（A、B、C鍵）SUN1：MOVA，R3；CJNEA，0AH，SUN2AJMPQBCXSUN2：CJNEA，0BH，SUN3AJMPCBCXSUN3：CJNEA，0CH，ML1AJMPSUN,9,34,鍵盤子程序P1口-P1.6正/反轉(zhuǎn)P1.7復(fù)位P3口-P3.3P3.4鍵盤行輸入口R3-列掃描寄存器初值FEHR4-列號計數(shù)器SBUF-發(fā)送緩沖器發(fā)送列掃描信號KEY：ACALLKS1JNZLK1NI：ACALLDIRAJMPKEYLK1：ACALLDIRACALLDIRACALLKS1JNZLK2AJMPNILK2:MOVP1，00HMOVR3，0FEHMOVR4，00HLK4：MOVSBUF，R3,9,35,MOVR6，05H；延時等待發(fā)送DK6：DJNZR6，DK6JBP33LONEMOVA，00HAJMPLKPLONE：JBP34，NEXTMOVA，08HLKP：ADDA，R4PUSHACCLK3：ACALLDIR；僅做一次處理ACALLKS1JNZLK3POPACC；取鍵值于ACCRET,9,36,NEXT：INCR4MOVA，R3JNBACC.7，KEDRLAMOVR3，AAJMPLK4KED：AJMPKEY判斷鍵盤有無鍵按下子程序無鍵按下A=00HKS1：MOVSBUF，00HMOVR6，05HDS6：DJNZR6，DS6MOVA，P3CPLAANLA，18HRET,9,37,顯示子程序P1口-LED位掃描輸出口R2-位掃描寄存器初值為01HSBUF-LED段碼發(fā)送緩沖器DIR：PUSHPSWSETBPSW，4MOVR0，40HMOVR2，01HD1：MOVP1，R2MOVA，R0ADDA，14HMOVCA，A+PCMOVSBUF，AMOVR7，02HD2：MOVR6，0FFHD3：DJNZR6，D3DJNZR7，D2,9,38,INCR0MOVA，R2RLAMOVR2，AJNBACC.2，D1POPPSWRETDB3FH，06H，5BH，4FHDB66H，60H，70H，07HDB7FH，6rH，77H，7CHDB39H，5EH，79H，71HDB31H，6EH，40H，23HDB00H,9,39,延時子程序YSH：PUSHPSWSETBPSW.3MOVR0，0FFHSH：MOVR1，0FFHSH0：DJNZR1，#H0DJNZR0,SHPOPPSWRET,9,40,機(jī)械手控制示意圖,9,41,取包子程序P1.6-正/反轉(zhuǎn)控制30H、31H步進(jìn)脈沖暫存器（X方向）QBCX:SETBP1.6；正轉(zhuǎn)MOV30H，04H；X0固定脈沖數(shù)MOV31H，0D8HACALLXYXC;調(diào)用X方向運(yùn)行子程序ACALLCSHC；調(diào)用測試子程序MOV30H，33H；X方向列脈沖數(shù)MOV31H,34H；送30H、31H單元ACALLXYXC；調(diào)用X方向運(yùn)行子程序MOV30H，35H；Y方向行脈沖數(shù)MOV31H，36H；送30H、31H單元ACALLYYXC；調(diào)用Y方向運(yùn)行子程序ACALLQWZC；調(diào)用取物子程序CLRP1.6；反轉(zhuǎn),9,42,MOV30H,35HMOV31H，36HACALLYYXC；調(diào)用Y方向運(yùn)行子程序MOV30H，33HMOV31H,34HACALLXYXC；調(diào)用X方向運(yùn)行子程序MOV30H，04H；X0固定脈沖數(shù)MOV31H,#0D8HACALLXYXC；調(diào)用X方向運(yùn)行子程序ACALLFWZC；調(diào)用放物子程序AJMPSUN,9,43,存包子程序P.6-正/反轉(zhuǎn)控制30H、31H步進(jìn)脈沖暫存器（X方向）33H、34H-35H、36HCBCX:ACALLQWZCSETBP16MOV30H，04H；X0固定脈沖數(shù)MOV31H，0D8H；ACALLXYXCACALLCSHCMOV30H，33HMOV31H，34HACALLXYXCMOV30H，35HMOV31H，36HACALLYYXCACALLFWZCCLRP16,9,44,MOV30H，35HMOV31H，36HACALLYYXCMOV30H，33HMOV31H，34HACALLXYXCMOV31H，04HMOV31H，0D8HACALLXYXCAJMPSUN,9,45,X方向運(yùn)行程序P35脈沖信號輸出線-控制MX電機(jī)XYXC：PU3HPSWSETBPSW.4MOVR0，30HABC0：MOVR1，31HABC1：CLRP35ACALLYSHSETBP35ACALLYSHDJNZR1，ABC1DJNZR1，ABC0POPPSWRET,9,46,Y方向運(yùn)行程序P36脈沖信號輸出線-控制MY電機(jī)YYXC：PUSHPSWSETBPSW.4MOVR0,30HADC2：MOVR1，31HADC3：CLRP36ACALLYSHSETBP36ACALLYSHDJNZR1，ADC3DJNZR0,ADC2POPPSWRET,9,47,取物子程序P1.6正/反轉(zhuǎn)P36Y方向脈沖輸出（40H）P3.7Z方向脈沖輸出（66H）QWZC：PUSHPSWSETBPSW.4SETBP1.6MOVR0,66HABC4：CLRP3.7ACALLYSHSETBP37ACALLYSHDJNZR0，ADC4MOVR0，40HABC5：CLRP36ACALLYSHSETBP3.6ACALLYSHDJNZR0,ABC5,9,48,CLRP16MOVR0，66HABC6：CLRP37ACALLYSHSETBP37ACALLYSHDJNZR0,ABC6MOVR0，40HABC7：CLRP36ACALLYSHSETBP36ACALLYSHDJNZR0，ABC7POPPSWRET,9,49,放物子程序P1.6正/反轉(zhuǎn)P36Y方向脈沖輸出（40H）P3.7Z方向脈沖輸出（66H）FWZC：PUSHPSWSETBPSW.4SETBP16MOVR0，40HABC8：CLRP36ACALLYSHSETBP36ACALLYSHDJNZR0,ADC8,9,50,MOVR0，66HABC9：CLRP37ACALLYSHDJNZR0，ABC9CLRP16MOVR0，40HABC10：CLRP36ACALLYSHSETBP36ACALLYSHDJNZR0，ADC10,9,51,MOVR0,66HABC11：CLRP37ACALLYSHSETBP37ACALLYSHDJNZR0，ADC11POPPSWRET,9,52,測試子程序41H貨位列號暫存單元40H貨位層號暫存單元41H40H33H04H03H02H01H35H05H03H0