第6章 數(shù)字程序控制技術(shù)2(步進電機)

4.4步進電機控制接口技術(shù)步進電機是過程控制及儀表中的主要控制元件。1．步進電機的特點：①快速啟停；

②步進速率為200~1000步／秒；

③步進速率增加1~2倍，仍然不會失掉一步；

④定位準確，例如，先正轉(zhuǎn)24步，再反轉(zhuǎn)24步，電 機將精確地回到原始的位置。⑤精度高，可以由每步90°低到每步0．36°；

⑥能直接接收數(shù)字量。微機控制技術(shù)4.4步進電機控制接口技術(shù)2．步進電機的應(yīng)用：正因為步進電機具有快速啟停，精確步進以及能直接接收數(shù)字量的特點，所以使其在定位場合中得到了廣泛的應(yīng)用。如在繪圖機、打印機及光學(xué)儀器中，都采用步進電機來定位繪圖筆，印字頭或光學(xué)鏡頭。在工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)中，做位移傳感器。計算機的軟驅(qū)、光盤驅(qū)動器，用步進電機作精確定位。微機控制技術(shù)4.4步進電機控制接口技術(shù)4.4.1步進電機的工作原理4.4.2步進電機控制系統(tǒng)的原理4.4.3步進電機與微機接口及程序設(shè)計4.4.4步進電機步數(shù)及速度的確定方法4.4.5步進電機的變速控制4．4．1步進電機工作原理步進電機實際上是一個數(shù)字／角度轉(zhuǎn)換器。其結(jié)構(gòu)原理，如圖4—44所示。微機控制技術(shù)4．4．1步進電機工作原理圖4—44步進電機原理圖微機控制技術(shù)4．4．1步進電機工作原理1．步進電機的構(gòu)成（1）定子有6個等分的磁極，A，A'，B，B'，C，C'，相鄰兩個磁極間的夾角為60°。相對的兩個磁極組成一相，如圖4—44所示的結(jié)構(gòu)為三相步進電機(A—A'相，B—B'相，C—C'相)。當(dāng)某一繞組有電流通過時，該繞組相應(yīng)的兩個磁極立即形成N極和S極，每個磁極上各有5個均勻分布的矩形小齒。

微機控制技術(shù)4．4．1步進電機工作原理（2）轉(zhuǎn)子沒有繞組，由40個矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩齒之間的夾角為9°。微機控制技術(shù)2．工作原理

當(dāng)某相繞組通電時，對應(yīng)的磁極就會產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。若此時，定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒和定子齒對齊。

錯齒是促使步進電機旋轉(zhuǎn)的根本原因。4．4．1步進電機工作原理4．4．1步進電機工作原理（1）A相通電時,B、C兩相都不通電，在磁場的作用下，使轉(zhuǎn)子齒和A相的定子齒對齊。若以此作為初始狀態(tài)，設(shè)與A相磁極中心對齊的轉(zhuǎn)子齒為0號齒;（2）由于B相磁極與A相磁極相差120°，且120°／9°＝133/9不為整數(shù)，所以，此時轉(zhuǎn)子齒不能與B相定子齒對齊，只是13號小齒靠近B相磁極的中心線，與中心線相差3°，如果此時突然變?yōu)锽相通電，而A、C兩相都不通電，則B相磁極迫使13號轉(zhuǎn)子齒與之對齊，整個轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動3°，此時，稱電極走了一步。

(3)按照ABCA順序通電一周，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動9°。微機控制技術(shù)4．4．1步進電機工作原理3.幾點說明（1）步進電機旋轉(zhuǎn)的根本原因是錯齒；

（2）步距角（Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)）

式中，N=McC為運行拍數(shù)，其中Mc為控制繞組相數(shù)；C為狀態(tài)系數(shù)。采用單三拍或雙三拍時，C=1；采用單六拍或雙六拍時，C＝2。微機控制技術(shù)4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理微機控制技術(shù)圖4—45步進電機控制系統(tǒng)的組成4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理典型的步進電機控制系統(tǒng)，步進電機控制系統(tǒng)主要是由步進控制器、功率放大器及步進電機組成?！锊竭M控制器

是由緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正、反轉(zhuǎn)控制門等組成。作用:把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)型脈沖，以便控制步進電機，并能進行正、反向控制。微機控制技術(shù)4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理★功率放大器把控制器輸出的環(huán)型脈沖放大，以驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。采用計算機控制系統(tǒng)，由軟件代替上述步進控制器。（簡化了線路，降低了成本，提高可靠性）采用微型機控制，可根據(jù)系統(tǒng)的需要，靈活改變步進電機的控制方案，使用起來很方便。典型的微型機控制步進電機系統(tǒng)原理圖，如圖4—46所示。微機控制技術(shù)4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理圖4—46用微型機控制步進電機原理系統(tǒng)圖微機控制技術(shù)4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理圖4—46與圖4—45相比，區(qū)別在于用微型機代替了步進控制器。由于步進電機的驅(qū)動電流比較大，所以微型機與步進電機的連接都需要專門的接口電路及驅(qū)動電路。微機控制技術(shù)4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理本課主要解決如下幾個問題：

(1)用軟件的方法實現(xiàn)脈沖序列；

(2)步進電機的方向控制；

(3)步進電機控制程序的設(shè)計。微機控制技術(shù)4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理

1．脈沖序列的生成

步進電機控制軟件中必須解決的一個重要問題，就是產(chǎn)生周期性脈沖序列。

圖4—47脈沖序列微機控制技術(shù)4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理脈沖用周期、脈沖高度、接通與斷開電源的時間表示。

★脈沖高度由數(shù)字元件電平來決定的，

TTL0~5V，

CMOS0~10V

★接通和斷開時間可用延時的辦法來控制。要求：確保步進到位。微機控制技術(shù)4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理但由于步進電機的“步進”是需要一定的時間的，所以在送一高脈沖后，需延長一段時間，以使步進電機達到指定的位置。由此可見，用計算機控制步進電機實際上是由計算機產(chǎn)生一系列脈沖。微機控制技術(shù)4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理

2．方向控制

常用的步進電機有三相、四相、五相、六相四種，其旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序有關(guān)。三相步進電機有三種工作方式：

★單三拍，通電順序為ABC；

★雙三拍，通電順序為ABBCCA；

★三相六拍，通電順序為

AABBBCCCA；微機控制技術(shù)4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理改變通電順序可以改變步進電機的轉(zhuǎn)向

關(guān)于四相、五相、六相的步進電機，其通電方式和通電順序與三相步進電機相似，讀者可自行分析。本書主要以三相步進電機為例進行講述。

微機控制技術(shù)4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理3.步進電機的方向控制方法是：（1）用微型機輸出接口的每一位控制一相繞組，例如，用8255控制三相步進電機時，可用PC.O、PC.1、PC.2分別接至步進電機的A、B、C三相繞組。（2）根據(jù)所選定的步進電機及控制方式，寫出相應(yīng)控制方式的數(shù)學(xué)模型，如上面講的三種控制方式的數(shù)學(xué)模型分別為：微機控制技術(shù)4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理

★三相單三拍步序控制位工作狀態(tài)控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2C相P1.1B相P1.0A相100000001A01H200000010B02H300000100C03H微機控制技術(shù)4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理

★同理，可以得出雙三拍和三相六拍的控制模型：雙三拍03H，06H，05H★

三相六拍01H，03H，02H，06H，04H，05H

以上為步進電機正轉(zhuǎn)時的控制順序及數(shù)學(xué)模型，如按逆序進行控制，步進電機將向相反方向轉(zhuǎn)動。微機控制技術(shù)4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設(shè)計

1.步進電機與微型機的接口電路由于步進電機的驅(qū)動電流比較大，所以微型機與步進電機的連接都需要專門的接口電路及驅(qū)動電路。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程接口芯片，如8255、8155等。驅(qū)動器可用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動器。光電隔離器，一是抗干擾，二是電隔離，其原理接口電路如圖4—48和4—49所示。微機控制技術(shù)4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設(shè)計圖4—48步進電機與微型機接口電路之一微機控制技術(shù)4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設(shè)計在圖4—48中，當(dāng)P1口的某一位（如P1.0）輸出為0時，經(jīng)反向驅(qū)動器變?yōu)楦唠娖?，使達林頓管導(dǎo)通，A相繞組通電。反之，當(dāng)P1.0＝1時，A相不通電。由P1.1和P1.2控制的B相和C相亦然。

總之，只要按一定的順序改變P1.0~P1.2三位的狀態(tài)， 使A、B、C三相依次通電，則可控制步進電機 按一定的方向步進。微機控制技術(shù)4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設(shè)計圖4—49與圖4—48的區(qū)別是在微型機與驅(qū)動器之間增加一級光電隔離。當(dāng)P1.0輸出為1，發(fā)光二極管不發(fā)光，因此光敏三極管截止，從而使達林頓管導(dǎo)通，A相繞組通電。反之，當(dāng)P1.0=0，經(jīng)反相后，使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，從而使達林頓管截止，A相繞組不通電?，F(xiàn)在，已經(jīng)生產(chǎn)出許多專門用于步進電機或交流電機的接口器件（或接口板），用戶可根據(jù)需要選用。微機控制技術(shù)4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設(shè)計圖4—49步進電機與微型機接口電路之二微機控制技術(shù)4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設(shè)計2.步進電機程序設(shè)計步進電機程序設(shè)計的主要任務(wù)是：★判斷旋轉(zhuǎn)方向；★按順序傳送控制脈沖；★判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。因此，步進電機控制程序就是完成環(huán)型分配器的任務(wù)，從而控制步進電機轉(zhuǎn)動，以達到控制轉(zhuǎn)動角度和位移之目的（1）程序框圖

下面以三相雙三拍為例說明這類程序的設(shè)計，微機控制技術(shù)圖4.50三相雙三拍步進電機控制程序流程圖微機控制技術(shù)4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設(shè)計

ORG 0100H ROUNT1：MOV A，#N ；步進電機步數(shù)→A JNB 00H，LOOP2 ；反向，轉(zhuǎn)LOOP2 LOOP1：MOV P1，#03H ；正向，輸出第一拍

ACALL DELAY ；延時

DEC A ；A＝0，轉(zhuǎn)DONE JZ DONE MOV P1，06H ；輸出第二拍

ACALL DELAY ；延時

DEC A ；A＝0，轉(zhuǎn)DONE JZ DONE MOV P1，05H ；輸出第三拍

ACALL DELAY ；延時

DEC A ；A≠0，轉(zhuǎn)LOOP1 JNZ LOOP1

（2）程序根據(jù)圖4-50可寫出如下步進電機控制程序微機控制技術(shù)4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設(shè)計微機控制技術(shù)

AJMPDONE ；A＝0，轉(zhuǎn)DONELOOP2：

MOV P1，03H ；反向，輸出第一拍

ACALLDELAY；延時DECA；A＝0，轉(zhuǎn)DONJZ DONE MOVP1，05H ；輸出第二拍

ACALLDELAY ；延時

DEC A JZ DONE ；

MOV P1，06H ；輸出第三拍

ACALLDELAY ；延時

DEC A ；A≠0，轉(zhuǎn)LOOP2 JNZ LOOP2DONE：

RETDELAY：

4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設(shè)計以上程序設(shè)計方法對于節(jié)拍比較少的程序是可行的。但是，當(dāng)步進電機的節(jié)拍數(shù)比較多（如三相六拍、六相十二拍等）時，用這種立即數(shù)傳送法將會使程序很長，因而占用很多個存儲器單元。

所以，對于節(jié)拍比較多的控制程序，通常采用循環(huán)程序進行設(shè)計。微機控制技術(shù)4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設(shè)計（3）循環(huán)程序作法：把環(huán)型節(jié)拍的控制模型按順序存放在內(nèi)存單元中，逐一從單元中取出控制模型并輸出。節(jié)拍越多，優(yōu)越性越顯著。以三相六拍為例進行設(shè)計，其流程圖如圖4—51所示。

微機控制技術(shù)圖4—51三相六拍步進電機控制程序框圖微機控制技術(shù)ROUTN2LOOP0LOOP2LOOP14．4．3步進電機與微型機的接口及程序設(shè)計

ORG 8100HROUTN2：

MOV R2， COUNT ；步進電機的步數(shù)LOOP0：

MOV R3， #00H MOVDPTR，#POINT

；送控制模型指針

JNB 00H， LOOP2

；反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)LOOP2 LOOP1：

MOV A， R3 ；取控制模型

MOVC A， @A+DPTR JZ LOOP0

；控制模型為00H，轉(zhuǎn)LOOP0 MOV P1， A ；輸出控制模型

ACALL DELAY ；延時

INC R3 ；控制步數(shù)加1 DJNZ R2， LOOP1

；步數(shù)未走完，繼續(xù)

RET圖4-47所示三相六拍步進電機控制程序如下：微機控制技術(shù)4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設(shè)計微機控制技術(shù)LOOP2：MOV A，R3 ；求反向控制模型的偏移量

ADD A，#07H MOV R3，A AJAMP LOOP1DELAY：

；延時程序

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步進電機步數(shù)及速度的確定方法兩個重要的參數(shù):步數(shù)N

控制步進電機的定位精度。速度

控制其步進的速率。

微機控制技術(shù)4．4．4步進電機步數(shù)及速度的確定方法

1. 步進電機步數(shù)的確定

步進電機常被用來控制角度和位移。（控制旋轉(zhuǎn)變壓器或多圈電位器的轉(zhuǎn)角。軟盤驅(qū)動系統(tǒng)、打印機、數(shù)控機床等也都用步進電機精確定位）。

【例】

用步進電機帶動一個10圈的多圈電位計來調(diào)整電壓。假定其調(diào)節(jié)范圍為10V，現(xiàn)在需要把電壓從2V升到2.1V。步進電機的行程角度為

微機控制技術(shù)4．4．4步進電機步數(shù)及速度的確定方法★用三相三拍（步距角為3°）步數(shù)為

N＝36°/3°＝12(步)?！镉萌嗔模ú骄嘟菫?.5°），步數(shù)為

N＝36°/1.5°＝24(步)。可見：①改變步進電機的控制方式，可以提高精度，②在同樣的脈沖周期下，步進電機的速率將減慢。 同理，也可以求出位移量與步數(shù)之間的關(guān)系。微機控制技術(shù)4．4．4步進電機步數(shù)及速度的確定方法2. 步進電機控制速度的確定

步進電機的步數(shù)是提高精度的重要參數(shù)之一。在某些場合，不但要求能精確定位，而且還要求在一定的時間內(nèi)到達預(yù)定的位置，這就要求控制步進電機的速率。步進電機速率控制的方法就是改變每個脈沖的時間間隔。 例如，步進電機2秒鐘轉(zhuǎn)動10圈，則每步進一步需要的時間為所以，只要在輸出一個脈沖后，延時833微秒，即可達到速度要求。微機控