《步進電機控制系統(tǒng)原理》

1、1、 步進電進電機工作原理圖圖1 1 步進電機原理圖步進電機原理圖步進電機有如下特點：給步進脈沖電機就轉(zhuǎn)，不給步進脈沖電機就不轉(zhuǎn)；給步進脈沖電機就轉(zhuǎn)，不給步進脈沖電機就不轉(zhuǎn)；步進脈沖頻率高，步進電機轉(zhuǎn)得快；步進脈沖頻率低，步進電機轉(zhuǎn)得就慢；步進脈沖頻率高，步進電機轉(zhuǎn)得快；步進脈沖頻率低，步進電機轉(zhuǎn)得就慢；改變各相的通電方式（叫脈沖分配）可以改變步進電機的運行方式；改變各相的通電方式（叫脈沖分配）可以改變步進電機的運行方式；改變通電順序，可以控制步進電機的正、反轉(zhuǎn)。改變通電順序，可以控制步進電機的正、反轉(zhuǎn)。2、 步進電機控制系統(tǒng)原理圖圖2 2、步進電機控制系統(tǒng)的組成、步進電機控制系統(tǒng)的組成2、

2、步進電機控制系統(tǒng)原理1 1）步進控制器）步進控制器 包括：緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及包括：緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及 正、反轉(zhuǎn)向控制門等。正、反轉(zhuǎn)向控制門等。 作用作用: : 把輸入脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)型脈沖，以控制步進電機的轉(zhuǎn)向。把輸入脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)型脈沖，以控制步進電機的轉(zhuǎn)向。2 2）功率放大器）功率放大器 把環(huán)型脈沖放大，以驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。把環(huán)型脈沖放大，以驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。步進電機與MCS-51單片機的接口 步進電機與單片機的連接一般有兩種形式：步進電機與單片機的連接一般有兩種形式： 一、由硬件完成脈沖分配的功能一、由硬件完成脈沖分配的功能 二、由軟件完成脈沖分配工作二、由軟件

3、完成脈沖分配工作2、步進電機控制系統(tǒng)原理圖圖3 3、用微型機控制步進電機原理、用微型機控制步進電機原理一、由硬件完成脈沖分配的功能 在這種形式里，脈沖分配器（在這種形式里，脈沖分配器（CH250CH250）、驅(qū)動電路由硬件）、驅(qū)動電路由硬件完成。單片機只提供步進脈沖和正、反轉(zhuǎn)控制信號，步進脈完成。單片機只提供步進脈沖和正、反轉(zhuǎn)控制信號，步進脈沖的產(chǎn)生與停止、步進脈沖的頻率和個數(shù)都可用軟件控制。沖的產(chǎn)生與停止、步進脈沖的頻率和個數(shù)都可用軟件控制。 脈沖分配器中由門電路和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的邏輯電路，它根據(jù)指令把脈沖信號按一定的邏輯關(guān)系加在脈沖放大器上，使步進電動機按確定的運行方式工作。下面著重介紹

4、CH250環(huán)形脈沖分配器。 CH250環(huán)形脈沖分配器是三相步進電動機的理想脈沖分配器，通過其控制端的不同接法可以組成三相雙三拍和三相六拍的不同工作方式，如圖7、圖8所示。圖圖7 CH250三相雙三拍接法三相雙三拍接法 圖圖8 CH250三相六拍接法三相六拍接法 CH250CH250環(huán)環(huán)形脈沖分配器的功能形脈沖分配器的功能關(guān)關(guān)系如表系如表1 1所列所列討論：單片機輸出步進脈沖后，再由脈沖分單片機輸出步進脈沖后，再由脈沖分配電路按事先確定的順序控制各相的配電路按事先確定的順序控制各相的通斷。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，它一般來說，硬件一旦確定下來，不易更改，

5、這種方案，硬設(shè)備成本高，它的應(yīng)用受到了限制。的應(yīng)用受到了限制。 怎樣用軟件產(chǎn)生步進脈沖呢？所謂軟件產(chǎn)生就是用軟件控制怎樣用軟件產(chǎn)生步進脈沖呢？所謂軟件產(chǎn)生就是用軟件控制P3P30 0為為1 1 或或為為0 0的次序和長短。如果先令的次序和長短。如果先令P3P30=10=1，延時一段時間，再令，延時一段時間，再令P3.0P3.00 0，再，再延時一段時間后，又令延時一段時間后，又令P3P30=10=1，如此循環(huán)，就可構(gòu)成脈沖序列。延時時，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電機的步矩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電機的步

6、矩有關(guān)。有關(guān)。 用微型機代替了步進控制器把并行二進制碼轉(zhuǎn)換成用微型機代替了步進控制器把并行二進制碼轉(zhuǎn)換成 串行脈沖序列，并實現(xiàn)方向控制。串行脈沖序列，并實現(xiàn)方向控制。 只要負載是在步進電機允許的范圍之內(nèi)，只要負載是在步進電機允許的范圍之內(nèi)， 每個脈沖將使電機轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度。每個脈沖將使電機轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度。 根據(jù)步距角的大小及實際走的步數(shù)，只要知道初始根據(jù)步距角的大小及實際走的步數(shù)，只要知道初始 位置，便可知道步進電機的最終位置。位置，便可知道步進電機的最終位置。 特點特點：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，靈活地改變步進電機的控制方案。

7、二、由軟件完成脈沖分配工作二、由軟件完成脈沖分配工作2、步進電機控制系統(tǒng)原理主要解決如下幾個問題：主要解決如下幾個問題： (1) (1) 用軟件的方法實現(xiàn)脈沖序列；用軟件的方法實現(xiàn)脈沖序列； (2) (2) 步進電機的方向控制；步進電機的方向控制； (3) (3) 步進電機控制程序的設(shè)計。步進電機控制程序的設(shè)計。2 、步進電機控制系統(tǒng)原理 1 1脈沖序列的生成脈沖序列的生成圖圖4 4 脈沖序列脈沖序列2、步進電機控制系統(tǒng)原理 脈沖幅值脈沖幅值 由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。由數(shù)字元件電平?jīng)Q定。 TTL 0 TTL 0 5V 5V CMOS 0 CMOS 0 10V10V 接通和斷開時間可用延時的辦法控制

8、。接通和斷開時間可用延時的辦法控制。 要求：確保步進到位。要求：確保步進到位。 2方向控制 步進電機旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。步進電機旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。 三相步進電機有三種工作方式：三相步進電機有三種工作方式： 單三拍，通電順序為單三拍，通電順序為 A AB BC C ； 雙三拍，雙三拍， 通電順序為通電順序為 ABABBCBCCA CA ； 三相六拍，通電順序為三相六拍，通電順序為 AABBBCCCA ；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)向改變通電順序可以改變步進電機的轉(zhuǎn)向 2、步進電機控制系統(tǒng)原理3.3.步進電機通電模型的建立：步進電機通電模

9、型的建立：（1 1）用微型機輸出接口的每一位控制一相繞組，）用微型機輸出接口的每一位控制一相繞組， 【例如例如】用用 8255 8255 控制三相步進電機時，控制三相步進電機時， 可用可用 PC.OPC.O、PC.1PC.1、PC.2 PC.2 分別接至步進電機的分別接至步進電機的 A A、 B B、 C C 三相繞組。三相繞組。（2 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）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。式的數(shù)學(xué)模型。 上面講的三種控制方式的數(shù)學(xué)模型分別為：上面講的三種控制方式的數(shù)學(xué)模型分別為：2、步進電機控制系統(tǒng)原理 三相單三拍三相單三拍步步 序序

10、 控控 制制 位位 工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài) 控控 制制 模模 型型 PC.PC.7 7PC.PC.6 6PC.PC.5 5PC.PC.4 4PC.PC.3 3PC.PC.2 2C C相相 PC.PC.1 1B B相相 PC.PC.0 0A A相相 1 10 00 00 00 00 00 00 01 1A A01H01H2 20 00 00 00 00 00 01 10 0B B0202H H3 30 00 00 00 00 01 10 00 0C C0404H H2、步進電機控制系統(tǒng)原理 三相雙三拍三相雙三拍用用 P1P1口口 的的 P1.2 P1.2 、P1.1P1.1、P1.0 P1.0

11、對應(yīng)對應(yīng) C C、B B、A A 相相 進進行控行控制制 。2、步進電機控制系統(tǒng)原理 同理同理，可以得出雙三拍和三相六拍的控制模型：，可以得出雙三拍和三相六拍的控制模型： 雙三拍雙三拍 03H03H，06H06H，05H05H 三相六拍三相六拍 01H01H，03H03H，02H02H，06H06H，04H04H，05H05H 以上為步進電機正轉(zhuǎn)時的控制順序及數(shù)學(xué)模型，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。如按逆序進行控制，步進電機將向相反方向轉(zhuǎn)動。3、步進電進電機與與微型機的接口及程序設(shè)計設(shè)計 4. 4.步進電機與微型機的接口電路步進電機與微

12、型機的接口電路（1 1）由于步進電機的驅(qū)動電流較大，所以微型機與步進電機的）由于步進電機的驅(qū)動電流較大，所以微型機與步進電機的 連接都需要專門的接口及驅(qū)動電路。連接都需要專門的接口及驅(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，接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程接口芯片，如如 82558255、81558155等。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。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，光電隔離器，一是抗干擾，二是電隔離，3、步進電進電機與與微型機的接口及程序設(shè)計設(shè)計圖圖5 5 步進電機與微型機接口電路之一步進電機與微

13、型機接口電路之一1 10 00 01 10 00 0 1 10 00 03、步進電進電機與與微型機的接口及程序設(shè)計設(shè)計 總之，總之， 只要按一定的順序只要按一定的順序 改變改變 P1.0P1.0P1.2 P1.2 三位通電的狀況，三位通電的狀況， 即可控制步進電機依選定的方向步進。即可控制步進電機依選定的方向步進。3、步進電進電機與與微型機的接口及程序設(shè)計設(shè)計 由于步進電機運行時功率較大，可在微型機與驅(qū)動器之間增加一級光電由于步進電機運行時功率較大，可在微型機與驅(qū)動器之間增加一級光電隔離器，以防強功率的干擾信號反串進主控系統(tǒng)。隔離器，以防強功率的干擾信號反串進主控系統(tǒng)。 如圖所示。如圖所示。為

14、什么步進電機功率驅(qū)動電路采用光電隔離？為什么步進電機功率驅(qū)動電路采用光電隔離？ 步進電機功率驅(qū)動電路工作在較大脈沖電流狀態(tài)，采用光電耦合器步進電機功率驅(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與步機電機隔離可以避免單片機與步進電機功率回路的共地干將單片機與步機電機隔離可以避免單片機與步進電機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而使其損壞。片機而使其損壞。3、步進電進電機與與微型機的接口及程序設(shè)計設(shè)計圖圖6 6 步進電機與微型機接口電路之二步進電機與微型機接口電路之二0 00

15、01 10 01 11 11 10 00 03、步進電進電機與與微型機的接口及程序設(shè)計設(shè)計2.2.步進電機程序設(shè)計步進電機程序設(shè)計(1)步進電機程序設(shè)計的主要任務(wù)是： 判斷旋轉(zhuǎn)方向；判斷旋轉(zhuǎn)方向； 按順序傳送控制脈沖；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。判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。（2）程序框圖下面以三相雙三拍為例說明這類程序的設(shè)計.圖圖7 7 三相雙三拍步進電機控制程序流程圖三相雙三拍步進電機控制程序流程圖3、步進電進電機與與微型機的接口及程序設(shè)計設(shè)計 ORG ORG0100H0100HROUNT1ROUNT1：MOVMOVA A，#N#N；步進電機步數(shù)；步進電機步

16、數(shù)A A JNB JNB00H00H，LOOP2LOOP2；反向，轉(zhuǎn)；反向，轉(zhuǎn) LOOP2LOOP2LOOP1LOOP1： MOVMOVP1P1，#03H#03H；正向，輸出第一拍；正向，輸出第一拍 ACALLACALL DELAYDELAY；延時；延時 DECDECA A；A A0 0，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)DONEDONE JZ JZDONEDONE MOV MOVP1P1，06H06H；輸出第二拍；輸出第二拍 ACALLACALL DELAYDELAY；延時；延時 DECDECA A；A A0 0，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)DONEDONE JZ JZDONEDONE MOV MOVP1P1，05H05H；輸出第三拍；輸出

17、第三拍 ACALLACALL DELAYDELAY；延時；延時 DECDECA A；A A0 0，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)LOOP1LOOP1 JNZJNZ LOOP1LOOP1（3 3）程序）程序 根據(jù)圖根據(jù)圖4-464-46可寫出如下步進電機控制程序可寫出如下步進電機控制程序3、步進電進電機與與微型機的接口及程序設(shè)計設(shè)計 AJMP DONE AJMP DONE ；A A0 0，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)DONEDONELOOP2LOOP2： MOVMOV P1 P1，03H03H；反向，輸出第一拍；反向，輸出第一拍 ACALL DELAY ACALL DELAY ；延時；延時DEC ADEC A；A A0 0，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)DONDO

18、N JZ JZ DONE DONE MOV P1 MOV P1，05H05H；輸出第二拍；輸出第二拍 ACALL DELAYACALL DELAY；延時；延時 DECDEC A A JZ JZ DONE DONE； MOVMOV P1 P1，06H06H；輸出第三拍；輸出第三拍 ACALL DELAYACALL DELAY；延時；延時 DECDEC A A ；A A0 0，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)LOOP2LOOP2 JNZ JNZ LOOP2 LOOP2DONEDONE： RETRETDELAY： 3、步進電進電機與與微型機的接口及程序設(shè)計設(shè)計 對于節(jié)拍比較多的控制程序，對于節(jié)拍比較多的控制程序， 通常采用循

19、環(huán)程序進行設(shè)計。通常采用循環(huán)程序進行設(shè)計。3、步進電進電機與與微型機的接口及程序設(shè)計設(shè)計（4 4）循環(huán)程序）循環(huán)程序 作法：作法： 把環(huán)型節(jié)拍的控制把環(huán)型節(jié)拍的控制模型模型按順序存放在內(nèi)存單元中，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。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。節(jié)拍越多，優(yōu)越性越顯著。 以三相六拍為例進行設(shè)計，以三相六拍為例進行設(shè)計， 其流程圖如圖其流程圖如圖8 8所示。所示。 圖圖8 8 三相六拍步進電機控制程序框圖三相六拍步進電機控制程序框圖ROUTN2ROUTN2LOOPLOOP0 0LOOP2LOOP2LOOP1LOOP13、步進電進電

20、機與與微型機的接口及程序設(shè)計設(shè)計ORGORG8100H8100HROUTN2ROUTN2：MOVMOVR2R2，COUNTCOUNT；步進電機的步數(shù)；步進電機的步數(shù)LOOP0LOOP0： MOVMOVR3R3，#00H#00HMOV DPTRMOV DPTR，#POINT#POINT；送控制模型指針；送控制模型指針JNBJNB00H00H，LOOP2LOOP2；反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)；反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)LOOP2LOOP2LOOP1LOOP1： MOVMOVA A，R3R3；取控制模型；取控制模型MOVCMOVCA A，A+DPTRA+DPTRJZJZLOOP0LOOP0；控制模型為；控制模型為00H00H，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)LOOP0LOOP0MOVMOVP1P1，A A