第6章 數(shù)字程序控制技術(shù)2(步進(jìn)電機(jī))

4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)步進(jìn)電機(jī)是過(guò)程控制及儀表中的主要控制元件。1．步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：①快速啟停；

②步進(jìn)速率為200~1000步／秒；

③步進(jìn)速率增加1~2倍，仍然不會(huì)失掉一步；

④定位準(zhǔn)確，例如，先正轉(zhuǎn)24步，再反轉(zhuǎn)24步，電 機(jī)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(jī)控制技術(shù)4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)2．步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用：正因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具有快速啟停，精確步進(jìn)以及能直接接收數(shù)字量的特點(diǎn)，所以使其在定位場(chǎng)合中得到了廣泛的應(yīng)用。如在繪圖機(jī)、打印機(jī)及光學(xué)儀器中，都采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)定位繪圖筆，印字頭或光學(xué)鏡頭。在工業(yè)過(guò)程控制的位置控制系統(tǒng)中，做位移傳感器。計(jì)算機(jī)的軟驅(qū)、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，用步進(jìn)電機(jī)作精確定位。微機(jī)控制技術(shù)4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理4.4.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的原理4.4.3步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)接口及程序設(shè)計(jì)4.4.4步進(jìn)電機(jī)步數(shù)及速度的確定方法4.4.5步進(jìn)電機(jī)的變速控制4．4．1步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)數(shù)字／角度轉(zhuǎn)換器。其結(jié)構(gòu)原理，如圖4—44所示。微機(jī)控制技術(shù)4．4．1步進(jìn)電機(jī)工作原理圖4—44步進(jìn)電機(jī)原理圖微機(jī)控制技術(shù)4．4．1步進(jìn)電機(jī)工作原理1．步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)成（1）定子有6個(gè)等分的磁極，A，A'，B，B'，C，C'，相鄰兩個(gè)磁極間的夾角為60°。相對(duì)的兩個(gè)磁極組成一相，如圖4—44所示的結(jié)構(gòu)為三相步進(jìn)電機(jī)(A—A'相，B—B'相，C—C'相)。當(dāng)某一繞組有電流通過(guò)時(shí)，該繞組相應(yīng)的兩個(gè)磁極立即形成N極和S極，每個(gè)磁極上各有5個(gè)均勻分布的矩形小齒。

微機(jī)控制技術(shù)4．4．1步進(jìn)電機(jī)工作原理（2）轉(zhuǎn)子沒(méi)有繞組，由40個(gè)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(jī)控制技術(shù)2．工作原理

當(dāng)某相繞組通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁極就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。若此時(shí)，定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒(méi)有對(duì)齊，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒和定子齒對(duì)齊。

錯(cuò)齒是促使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。4．4．1步進(jìn)電機(jī)工作原理4．4．1步進(jìn)電機(jī)工作原理（1）A相通電時(shí),B、C兩相都不通電，在磁場(chǎng)的作用下，使轉(zhuǎn)子齒和A相的定子齒對(duì)齊。若以此作為初始狀態(tài)，設(shè)與A相磁極中心對(duì)齊的轉(zhuǎn)子齒為0號(hào)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(shí)轉(zhuǎn)子齒不能與B相定子齒對(duì)齊，只是13號(hào)小齒靠近B相磁極的中心線，與中心線相差3°，如果此時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)子齒與之對(duì)齊，整個(gè)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)3°，此時(shí)，稱(chēng)電極走了一步。

(3)按照ABCA順序通電一周，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)9°。微機(jī)控制技術(shù)4．4．1步進(jìn)電機(jī)工作原理3.幾點(diǎn)說(shuō)明（1）步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因是錯(cuò)齒；

（2）步距角（Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)）

式中，N=McC為運(yùn)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(shí)，C=1；采用單六拍或雙六拍時(shí)，C＝2。微機(jī)控制技術(shù)4．4．2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理微機(jī)控制技術(shù)圖4—45步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成4．4．2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要是由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電機(jī)組成。★步進(jìn)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(mén)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(jìn)電機(jī)，并能進(jìn)行正、反向控制。微機(jī)控制技術(shù)4．4．2步進(jìn)電機(jī)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由軟件代替上述步進(jìn)控制器。（簡(jiǎn)化了線路，降低了成本，提高可靠性）采用微型機(jī)控制，可根據(jù)系統(tǒng)的需要，靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案，使用起來(lái)很方便。典型的微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)原理圖，如圖4—46所示。微機(jī)控制技術(shù)4．4．2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖4—46用微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理系統(tǒng)圖微機(jī)控制技術(shù)4．4．2步進(jìn)電機(jī)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(jī)代替了步進(jìn)控制器。由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流比較大，所以微型機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都需要專(zhuān)門(mén)的接口電路及驅(qū)動(dòng)電路。微機(jī)控制技術(shù)4．4．2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理本課主要解決如下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)用軟件的方法實(shí)現(xiàn)脈沖序列；

(2)步進(jìn)電機(jī)的方向控制；

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

1．脈沖序列的生成

步進(jìn)電機(jī)控制軟件中必須解決的一個(gè)重要問(wèn)題，就是產(chǎn)生周期性脈沖序列。

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

★脈沖高度由數(shù)字元件電平來(lái)決定的，

TTL0~5V，

CMOS0~10V

★接通和斷開(kāi)時(shí)間可用延時(shí)的辦法來(lái)控制。要求：確保步進(jìn)到位。微機(jī)控制技術(shù)4．4．2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理但由于步進(jìn)電機(jī)的“步進(jìn)”是需要一定的時(shí)間的，所以在送一高脈沖后，需延長(zhǎng)一段時(shí)間，以使步進(jìn)電機(jī)達(dá)到指定的位置。由此可見(jiàn)，用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一系列脈沖。微機(jī)控制技術(shù)4．4．2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理

2．方向控制

常用的步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)有三種工作方式：

★單三拍，通電順序?yàn)锳BC；

★雙三拍，通電順序?yàn)锳BBCCA；

★三相六拍，通電順序?yàn)?/p>

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

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

微機(jī)控制技術(shù)4．4．2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理3.步進(jìn)電機(jī)的方向控制方法是：（1）用微型機(jī)輸出接口的每一位控制一相繞組，例如，用8255控制三相步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可用PC.O、PC.1、PC.2分別接至步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相繞組。（2）根據(jù)所選定的步進(jìn)電機(jī)及控制方式，寫(xiě)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(jī)控制技術(shù)4．4．2步進(jìn)電機(jī)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(jī)控制技術(shù)4．4．2步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的控制順序及數(shù)學(xué)模型，如按逆序進(jìn)行控制，步進(jìn)電機(jī)將向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。微機(jī)控制技術(shù)4．4．3步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)

1.步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口電路由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流比較大，所以微型機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都需要專(zhuān)門(mén)的接口電路及驅(qū)動(dòng)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(dòng)器可用大功率復(fù)合管，也可以是專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)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(jī)控制技術(shù)4．4．3步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)圖4—48步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)接口電路之一微機(jī)控制技術(shù)4．4．3步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)在圖4—48中，當(dāng)P1口的某一位（如P1.0）輸出為0時(shí)，經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)器變?yōu)楦唠娖?，使達(dá)林頓管導(dǎo)通，A相繞組通電。反之，當(dāng)P1.0＝1時(shí)，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(jìn)電機(jī) 按一定的方向步進(jìn)。微機(jī)控制技術(shù)4．4．3步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)圖4—49與圖4—48的區(qū)別是在微型機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間增加一級(jí)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(dá)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(dá)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(zhuān)門(mén)用于步進(jìn)電機(jī)或交流電機(jī)的接口器件（或接口板），用戶可根據(jù)需要選用。微機(jī)控制技術(shù)4．4．3步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)圖4—49步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)接口電路之二微機(jī)控制技術(shù)4．4．3步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)2.步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)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(jìn)電機(jī)控制程序就是完成環(huán)型分配器的任務(wù)，從而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度和位移之目的（1）程序框圖

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

ORG 0100H ROUNT1：MOV A，#N ；步進(jìn)電機(jī)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(shí)

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

ACALL DELAY ；延時(shí)

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

ACALL DELAY ；延時(shí)

DEC A ；A≠0，轉(zhuǎn)LOOP1 JNZ LOOP1

（2）程序根據(jù)圖4-50可寫(xiě)出如下步進(jìn)電機(jī)控制程序微機(jī)控制技術(shù)4．4．3步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)微機(jī)控制技術(shù)

AJMPDONE ；A＝0，轉(zhuǎn)DONELOOP2：

MOV P1，03H ；反向，輸出第一拍

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

ACALLDELAY ；延時(shí)

DEC A JZ DONE ；

MOV P1，06H ；輸出第三拍

ACALLDELAY ；延時(shí)

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

RETDELAY：

4．4．3步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)以上程序設(shè)計(jì)方法對(duì)于節(jié)拍比較少的程序是可行的。但是，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的節(jié)拍數(shù)比較多（如三相六拍、六相十二拍等）時(shí)，用這種立即數(shù)傳送法將會(huì)使程序很長(zhǎng)，因而占用很多個(gè)存儲(chǔ)器單元。

所以，對(duì)于節(jié)拍比較多的控制程序，通常采用循環(huán)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。微機(jī)控制技術(shù)4．4．3步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)（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(jìn)行設(shè)計(jì)，其流程圖如圖4—51所示。

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

ORG 8100HROUTN2：

MOV R2， COUNT ；步進(jìn)電機(jī)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(shí)

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(jìn)電機(jī)控制程序如下：微機(jī)控制技術(shù)4．4．3步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)微機(jī)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(shí)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(jìn)電機(jī)步數(shù)及速度的確定方法兩個(gè)重要的參數(shù):步數(shù)N

控制步進(jìn)電機(jī)的定位精度。速度

控制其步進(jìn)的速率。

微機(jī)控制技術(shù)4．4．4步進(jìn)電機(jī)步數(shù)及速度的確定方法

1. 步進(jìn)電機(jī)步數(shù)的確定

步進(jìn)電機(jī)常被用來(lái)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(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床等也都用步進(jìn)電機(jī)精確定位）。

【例】

用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)10圈的多圈電位計(jì)來(lái)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(jìn)電機(jī)的行程角度為

微機(jī)控制技術(shù)4．4．4步進(jìn)電機(jī)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)。★用三相六拍（步距角為1.5°），步數(shù)為

N＝36°/1.5°＝24(步)。可見(jiàn)：①改變步進(jìn)電機(jī)的控制方式，可以提高精度，②在同樣的脈沖周期下，步進(jìn)電機(jī)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(jī)控制技術(shù)4．4．4步進(jìn)電機(jī)步數(shù)及速度的確定方法2. 步進(jìn)電機(jī)控制速度的確定

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