2022年步进电机程序控制 .pdf

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1、版权归原版权人所有，请勿用于商业用途！更多资料下载：步进电机程序控制摘要 :步进电机具有控制简便、定位准确等特点。随着科学技术的发展,在许多领域将得到广泛的应用。鉴于传统的脉冲系统移植性不好 ,本文提出微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,用软件的方法产生控制脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态 。以简 化控制电 路,降低 生产 成本,提高系统的运 行效率 和灵活 性。在此基础上 提出 了双三拍 步进电机程序控制的硬件接口 电路、程序 流程图和 汇编程序。步进电机 是自 动控制系统 中常 用的 执行部 件。 步进电机的 输入信号为 脉冲电

2、流,它能 将输入 的脉冲 信号 转换为阶跃型 的角位移或直线 位移 ,因而 步进电机可 看作是一个串行的数 /模转换器。 由于步进电机 能够直接接受 数字信号 ,而不需数/模转换,所以使用微机控制步进电机显得非常 方便。步进电机有以下优点: 通常不需要反馈就能对 位置和速度进 行控制 ; 位置误差 不会积累 ; 与数组设备兼容 ,能够直接接收 数字信号 ; 可以 快速启停 。步进电机的 品种规格很 多,按照它们 的结构 和工作原 理可以 划分为磁阻式 (也称 反应式或变磁阻式 )电机、混合式 电机、永磁式电机和特 种电机等 四种主要型式。步进电机不 需位移传 感器就可精确定位 ,所以在 精确定

3、位系统 中应用广泛。 目前打 字机、 计算 机外部设备、数控机 床、传 真机等设 备中 都使用了步进电机。随着电子计算 机技术的发展 ,步进电机 必将发 挥它的控制方便、控制准确的特点,在工业控制等领域 取得更 为广泛的应用。1. 步进电机的工作原理以磁阻式 步进电机 为例,介绍 一下步进电机的 工作原 理,图 1. 1 是磁阻式 步进电机 工作原 理的示意图。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 版权归原版权人所有，

4、请勿用于商业用途！更多资料下载：图 1. 1磁阻式 步进电机的 工作原 理它的定 子上有六个极,转子有四个极。定 子磁极 上绕有三组 绕组,每组绕组由 相互 串联的两个线 圈构成 。一组 绕组叫做 一相。因此 ,图 1. 1 所示的电机 为三 相步进电机。 直流 电源通过 开关 I、和 ,驱动电 流流 过绕在定 子上的绕组 。状态 (1) , 开关 I 闭合 ,A 相通电。 由于 A 相绕 组受 到激磁 ,空气隙里 出现如箭头 所示的磁场 。A 相上的两个定子磁极 和两个转子齿 对准,转子处 于平衡 状态 。若再闭合开关R 激励 B 相,如状态(2) 所示, B 相的定子磁极 以同样 的方 式

5、产生 磁场 。在 磁力 线的张力 作用下 ,产生 逆时针 方向的转 矩。于 是,转子沿逆时针 方向转过 一个 固定的角度 ,到达状态 (3) 。图中 ,转过的角度 为 15 。如果现 在打开开关 I,去掉 A 相的激磁 ,转子将再转 15 ,到达状态 (4) 。 因此 ,转子的角位 置 可以用 这种开关 方式进行控制。若开关 以某种时序转 换,则转子就能 以步进运动的方式连续 旋转 ;若进一步使时序转 换的速度可 调,则平均 速度 也能用这种开关 方式进行控制。实际 上,驱动步进电机的 开关 是晶体管 ,开关 信号由 数字集 成电路或 微机产生。通过 前面的介绍 可以 看到,步进电机 是一种

6、把开关激励 的变化变换成 精确的转 子位置增量 运动的 执行 机构 。2. 步进电机程序控制的设计2.1步进电机的传动方式2.1.1三相单三拍工作 方式在这种工作 方式下,A、B、C 三相轮流通电 ,电流切换三 次,磁场 旋转 一周,转子向前 转过 一个 齿距角。 因此 这种通电方 式叫做三相单三拍工作 方式。这时 步距角 b (度)为 b = 360 /mz( ) (2-1) 式中:m 定子相 数; z 转子齿 数2.1.2三相六 拍工作 方式在这种工作 方式下,首先 A 相通电 ,转子齿 与 A 相定子齿 对齐。第二 拍,A 相继续通电 ,同时 接通 B 相,A、B 各自建立 的磁场 形成

7、一个 合成磁场 ,这时 转子齿 既不对准 A 相也 不对准 B 相,而是对 准 A、 B 两极 轴线的角等分 线,使转子齿相 对于 A 相定子齿 转过名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 版权归原版权人所有，请勿用于商业用途！更多资料下载：1 /6 齿距,即 1. 5 。第三拍 ,A 相切断,仅 B 相保持 接通。 这时 ,由 B 相建立 的磁场 与单三拍 时 B 相通电的 情况 一样。依次类推 ,绕组以 AABBBC

8、CCAA 时序(或反 时序)转换 6 次,磁场 旋转 一周,转子前 进一个 齿距,每次切换均使转子转动 1. 5 ,故这种通电方 式称 为三 相六 柏工作 方式。其步距角 b 为: b = 360 /2mz = 180 /mz( ) (2-2) 2.1.3双三拍工作 方式这种工作 方式每 次都是有两相 导通,两相绕 组处在相同 电压之 下,以 ABBCCAAB (或反 之)方式通电 ,故称为双三拍工作 方式。以这种方式通电 ,转子齿 所处的位 置相当于六拍控制方 式中去掉 单三拍 后的三个位置。它的步 距角计算 公式与单三拍 时的公式相同 。由上 述分析可知,要使磁阻式 步进电机具有 工作能

9、力,最起码 的条件是定子极 分度角不 能被齿距角整除 ,且应满足 下列方程 : 极分度角 /齿距角= R + k 1/m 进一步化简得 齿数 z: z = q (mR + k) (2-3) 式中:m 相数; q 每相 的极数; k (m - 1) 的正整 数; R 正整 数,为 0、1、2、3 。按选定的 相数和不 同的极数,由上 式就可推算出转 子齿 数。因为三 相双三拍 步进电机不 易失 步,控制 精度比较 高,所以本文 对三 相双三拍 步进电机进 行控制 ,定子有三对 磁极 ,运行时两相同时 通电 ,循环带 动转 子转动。2.2硬件接口 电路传统的步进电机控制系统采用硬件进 行控制 ,用

10、一个 脉冲发生器产生频率变化的脉冲 信号 ,再经一个 脉冲分配器 把方向控制 信号和脉冲 信号 转换成 有一定逻辑 关系的 环形 脉冲 ;经驱动电 路放大后 就可以 来驱动步进电机 了。在 这种控制 中,步进电机的脉冲由硬 件电 路产生 ,如果 系统发生 变化或使 用不 同类型的步进电机 ,需重新 设计硬件电 路,系统的可移植性不好。用微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,就可以 根据 系统 需要通过软件编程的方法任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态 。这样 可简 化控制电 路,降低 生产 成本,提高系统的运 行效率 和灵活 性。 图 2. 1 为单片机控制步进

11、电机接口原 理图。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 版权归原版权人所有，请勿用于商业用途！更多资料下载：图 2.1单片 机控制步进电机 接口 电路原 理图2.3脉冲的 形成实现 对步进电机的控制 ,微机应 能输 出有 一定周期 的控制脉冲。步骤是:先输出一个高 电平,延时一段时间后 ,再输入一个低 电平,然后 再延时。改变延时时 间的长短 ,即可改变脉冲的 周期 ,脉冲的周期 由步进电机的 工作 频率确定。用软件

12、形成环形 脉冲的程序 流程图如图 2.2 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 版权归原版权人所有，请勿用于商业用途！更多资料下载：图 2.2软件法 形成脉冲序 列的程序 流程程序 如下: PULSE:MOVR3 , # NUM PUSH A PUSH PSW LOOP: SETB P1.0 ACALL DELAY1 CLR P1.0 ACALL DELAY2 DJNZ R3,LOOP POP PSW POP A

13、 RET 2. 4旋转方 向控制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 版权归原版权人所有，请勿用于商业用途！更多资料下载：步进电机的旋转方向和内部绕组的通电 顺序及通电方 式有密切 关系。对于三相双三拍工作 方式: 正相旋转 :AB BCCAAB 反相旋转 :AB CABCAB 三相双三拍 控制 模型 如表 2. 1 所示。2. 5转速控制控制步进电机的运行速度 ,实际 上是 控制系统发出 时钟脉冲的 频率或换 相的周

14、期 ,即在升速过程 中,使脉冲的 输出频率逐渐增加;在减速过程 中,使脉冲的 输出频率逐渐减 少。脉冲 信号 的频率可以用软件 延时和硬件中断两种方法 来确定。采用软件 延时,一般是根据 所需 的时间常数来设计一个 子程序 ,该程序 包含 一定的 指令 ,设计者要对这些指令 的执行 时间进行严密的计算 或者精确的 测试 ,以便确定 延时时 间是否符 合要求。每当延 时子 程序 结束后,可以 执行 下面的操作,也可用 输出指令 输出一个信号作为 定时输出。 采用软件定 时, CPU 一直 被占用,因此 CPU 利用率低 。可编程的 硬件定 时器直接对 系统 时钟脉冲 或某一固定频率的时钟脉冲进

15、行计数,计数值则由编程 决定。 当计数到 预定的脉冲数时,产生 中断信号 ,得到 所需 的延时时 间或定时间隔。 由于计数的 初始值 由编程 决定,因而 在不 改动硬件的 情况 下,只通过程序 变化即可满足 不同的定 时和计数要 求,因此使 用很方便。2.6控制程序设 计控制程序的设 计方法 是:通过 标志 位 FLAG 来判断电机的旋转方 向,然后输 出相应的控制脉冲序 列;判断要求的脉冲 信号是 否输出完毕 。三相双三拍 控制 模型 完成的步进电机控制程序设计如 下: 三相双三拍 控制程序 流程图如图 2. 3 和图 2. 4 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

16、 - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 版权归原版权人所有，请勿用于商业用途！更多资料下载：正转控制 模型 03H 、06H、05H 存放在以 RM 为起始地址 的内存单元中,反转控制 模型 03H 、05H、06H 存放在以 LM 为起始地址的内存单元中。图 2.3主程序 流程图图 2.4定时器中断服务 程序 流程图主程序 如下: CON: MOVR3, # N MOV TMOD , # 10H MOV TL1 , # LOW MOV TH1 , # H IGH JNB F

17、LAG ,LEFT 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 版权归原版权人所有，请勿用于商业用途！更多资料下载：MOV R0 , RM AJMP TIME - S LEFT: MOV R0 , LM TIME: SETB EA SETB ET1 SETB TR1 WA IT: SJMP WA IT 中断服务 程序 如下: INTTO: PUSHA PUSH PSW MOV A , R0 MOV P1 ,A INC R0

18、MOV A , # 00H XRL A , R0 JNZ NEXT MOV A , R0 CLR C SUBB A , # 03H MOV R0 , A NEXT: DJNZ R3 , RETU CLR ET1 CLR EA RETU: POP PSW POP A RETI 3. 总结与 展望步进电机 是机电 一体化产品中 的关键组件之一,是一种 性能良好的数 字化执行 元件。随着 计算 机应用技术、电 子技术和 自动控制技术在 国民 经济各个领域 中的普及与深入,步进电机的 需要量越来越大。有资料 说明 ,世界 上步进电机的 年产量以 10% 以上的速度 增长 。国内对步进电机的 需求同样也

19、 与日俱 增。实际 工作中 ,很多工程技术 人员 和技术 工人都希望 比较 全面地了解步进电机及其 控制技术。本文 对步进电机的控制方法进行了 详细 的论述,包括 硬件接口 的设 计、软件方 案的设 计和汇编控制程序的编写。此种 方法 高效、方便、 成本低廉,在实际 应用 中有着 很高 的利用价值 。参考 文献: 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 版权归原版权人所有，请勿用于商业用途！更多资料下载： 1 王鸿钰 .

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