8051单片机

步进电机控制

前 言

步进电动机是数字控制系统的一种执行元件。它是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电动机，因此又被称为脉冲电动机。

给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或前进一步，其角位移量θ（或位移S）与脉冲数k成正比，如图0.0（a）所示。它的转速n（或线速度v）与脉冲频率f成正比，如图0.0（b）所示。这些关系在负载能力范围内不因电压与负载大小以及环境条件的波动而变化。步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，如快速、起-停、正反转控制及制动等，这是步进电动机的突出优点。

图0.0 步进电机脉冲数、频率与步距角转速关系

近年来，电子技术及卫星计算机的迅发展为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。在自控系统中，常常要有数字信号转换为角位移或心位移的电磁装置，步进电动机是工作特点恰好符合此要求。

步进电动机既可以在某一固定频率脉冲电源作用下作为驱动电动机恒速运行，也可以在某一受控脉冲作用下作为伺服电动机运行。当它作为自控系统中的执行元件时，系统对它的基本要求是：

（1）步进电动机在脉冲信号下要能快速起动、停转、正反转及在很宽的范围内调速。

（2）要求步进电动机步距精度高，不得丢步或越步。 （3）快速响应，即起动、停转、正反转要迅速。 （4）能直接带负载，输出一定的转距。

在该设计中我们选用单片机8051做为步进电机的控制器, 用它来实现步进电机的空载时的正反转\\带负荷时的正反转以及各自速度的控制,在设计的最后我们研究了在自动门中单片机对步进电机的控制.

I

摘 要

步进电动机是用脉冲信号控制的，步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受各种环境条件诸如温度、压力、振动、冲击等影响，而仅仅与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低可以大范围地调节电机的转速，并能实现快速起动、制动、反转，而且有自锁的能力，不需要机械制动装置，不经减速器也可获得低速运行。它每转过一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。

图0.1 步进电机在数控机床中的运用

在机电一体化中，步进电机是最常用的一种执行电机，它实现了机械中的角度、位移的数字化控制，从而使机械控制的精度大大提高。现代控制技术中普遍采用的方式为开环控制和闭环控制，开环控制结构简单成本低但其精度不是太高；闭环控制可以实现高精度的控制，但其结构复杂投入成本高。步进电机的出现解决了这一技术难题，它使得开环控制的精度和速度大大提高，由它组成的步进式伺服控制系统实现了数字化机械生产过程。数控机床便是这一技术的成功体现，伺服系统的性能是决定数控机床加工精度和生产效率的主要因素之一。由步进电机执行的机床结构见图1-1所示.

除数控机床广泛采用步进电机外，在数模转换装置、计算机外围设备、自动记录仪、钟表、印刷设备等中亦有应用。

本设计的主要研究对象就是开环伺服系统中最常用的执行器件——步进机。

II

目 录

前 言 ................................................................. I 摘 要 ................................................................ II 目 录 ............................................................... III 1 步进电机的分类、结构、工作原理 ....................................... 1 1.1 步进电机的分类和结构 .............................................. 1 1.2 工作原理 .......................................................... 2 2 实现轻负载时步进电机的正反转 ........................................ 26 2.1 控制要求 ......................................................... 26 2.2 所需器材 ......................................................... 26 2.3 设计原理 ......................................................... 26 2.4 正反转控制程序流程 ............................................... 28 2.5 步进电机正反转程序 ............................................... 28 3 步进电机转速控制 .................................................... 31 3.1 转速控制原理 ..................................................... 31 3.2 转速控制程序流程 ................................................. 32 3.3 转速控制程序 ..................................................... 33 4 设计小结 ............................................................ 37 致 谢 ................................................ 错误！未定义书签。 参考文献 .............................................................. 38

III

1 步进电机的分类、结构、工作原理

1.1 步进电机的分类和结构

步进电机的形式很多,其分类方式也很多,常见的分类方式是按产生力矩的原理,按输出力矩的大小以及定子和转子的数量分类等.根据不同的分类方式,可将步进电机分为多种类型.见表1.1所示。

表1.1 步进电机的分类 分类型式 按力矩产生的原理 具体类型 反应式:转子无绕组,由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行. 励磁式:定,转子均有励磁绕组(或转子用永久磁钢制成)由电磁力矩实现步进运行. 伺服式:输出力矩在几百~几KN.cm,只能驱动较小的负载,要与液压扭矩放大器配用,才能驱动大负载. 功率式:输出力矩在5~50N.m以上,可以直接驱动大负载. (1)单定子式;(2)双定子式;(3)三定子式;(4)多定子式. 径向分相式:电机各相按圆周依次排列 轴向分相式:电机各相按轴向依次排列 按输出力矩的大小 按定转子数 按各相绕组分布

目前,我国使用的步进电机主要是反应式步进电机.如下图1-2所示,这是一台典型的三相反应式步进电机.

图1.1 三相反应式步进电机的结构

1

它的定子和转子是用硅钢片和其他软磁材料制成的.定子上共有六个磁极,每个磁极上都有许多小齿.在径向相对的两个磁极上的线圈串联起来组成一相绕组,沿周围也有许多小齿.根据工作要求,定子磁极上的小齿的齿距与转子磁极上的小齿必须相等,而且转子上齿数有一定的。

1.2 工作原理

反应式步进电机是利用凸极转子横轴阻与直轴不同所产生的反应转矩而转动。为便于讨论,先以一台最简单的三相反应式步进电动机为例。

图1-3所示为一台三相反应式步进电动机,定子有六个磁极,不带小齿,相对的两个磁极绕有一相绕组,三相绕组接成星形。转子上没有绕组,只有四个齿,定子与转子齿宽相同.当A相绕组通电而B,C相绕组不通电时,由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点,因而转子1齿和3齿的轴线与定子A相磁极轴线对齐,如图1-4所示.当A相绕组断电,B相绕组通电时,在B相绕组建立的磁场作用下,转子逆时针方向转过300,使转子2齿和4齿轴线与B相磁极轴线对齐,如图1-5所示.同理,当B相绕组断电,C相绕组通电时,转子又逆时针方向转过300,使转子1齿和3齿的轴线与C相磁极轴线对齐.按此顺序不断地使各相绕组轮流通电和断电,转子就会逆时针方向一步一步地转下去.每一步转过的角度称为步距角,用θb表示.转子相邻两齿轴线间的夹角称为齿距角,用θt表示.若用Zr表示转子齿数,则θt=3600/Zr。

图1.2 三相反应式步进电机的三相单三拍运行方式

上述过程中,如果A相断电时,不是给B相通电而是给C相通电,则在C相绕组建立的磁场作用下,转子将顺时针转过300,使转子2齿和4齿的轴线与C相磁极轴线对齐。

当C相绕组断电,B相绕组通电时,转子又顺时针方向转过300,使转子1齿和3齿的轴线与B相轴线对齐.显然,按A-C-B-A的顺序通电,则转子将按顺时针方向旋转.可见,步进电机的旋转方向由三相绕组轮流通电的顺序决定。

2

步进电机按上述A-B-C-A(或A-C-B-A)的方式运行,称为三相单三拍运行方式.”三相”是指步进电机具有三相定子绕组;”单”是指每个通电状态只有一相绕组通电;”三拍”是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环,第四次通电时又重复第一拍的通电状态.在这种运行方式中,步距角θb=300。

三相反应式步进电机除三相单三拍运行方式外,还有三相双三拍与三相单双六拍运行方式.当采用三相双三拍运行方式时,每次有两相绕组同时通电,其通电顺序为AB-BC-CA-AB或AC-CB-BA-AC.当AB两相绕组同时通电时,转子的齿既不与A相磁极轴线对齐,也不与B相磁极轴线对齐,其步距角θb=300,与单三拍时相同。

把上述两种运行方式结合起来,有A-AB-B-BC-C-CA-A或A-AC-C-CB-B-BA-A运行方式,即一相与两相间隔轮流通电,完成一个循环有六个通电状态.经过六个通电状态完成一个循环,转子转过一个齿距角,步距角θb=900/6=150（见下图1-5所示）.可见三相单双六拍运行时步距角比三相三拍(无论是单三拍还是双三拍)小一半.因此,同一台步进电机采用不同的通电方式,步距角有两个不同的值.如上所述的简单结构的步进电机,三拍运行时, θb=300;六拍运行时, θb=150。

图1.3 三相反应式步进电机的三相单双六拍运行方式

综上所述，我们可以得到步进电机步距角和转速关系式如下：

θb=3600/NZr 式（1.1）

n=60fθb/3600 =60f/NZr 式（1.2）

（1.1）式中：Zr 为转子齿数；N为运行拍数。

（1.2）式中：f为脉冲频率；Zr 为转子齿数；N为运行拍数。

3

2 实现轻负载时步进电机的正反转

2.1 控制要求

A 通过按键控制电机的正转,反转。

B 电机在正转与制动,反转与制动之间的切换。 C 电机在正转,反转,制动三种状态之间的任意切换。

2.2 所需器材

35BY48S03型步机电机 MCS8051单片机及其简单的外围器件 电阻若干 功率晶体管3个 稳压二极管三只 导线若干 计算机一台(装有编程软件)

反相器74LS06 二极管3只 +12V直流电源

2.3 设计原理

单片机的p1口控制步进电机的运行，只要在一定的时间控制p1.0,p1.1,p1.2口的输出情况就可以实现对步进电机的运行控制。其波形情况如下图4.1所示。

图2.1 步进电机控制方式波形显示

4

驱动电路选用功率三极管作为驱动元件见图4.2所示。P1.0,p1.1,p1.2三根线按上图波形依次道通，它们经过反相器74LS06提升至+12V，直接接通功率晶体管的基极。功率晶体管的集电极E1,E2,E3分别经6Ω限流电阻接到步进电机的A,B,C三个绕组上。功率晶体管在时序脉冲的驱动下道通或截至，使步进电机的三个绕组分别加电和断电，完成旋转。在本电路中，二极管D1-D6对功率晶体管起保护作用。

+12V+24VD4D5D6 3-1.3kΩ 8051单片机p0.0p0.1p0.2p1.0p1.1p1.2 74ls06 D1D2D3NPNNPNNPNk3k2+VCCk1

图2.2 步进电机驱动电路

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2.4 正反转控制程序流程

图2.3 正反转控制流程图

2.5 步进电机正反转程序

ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0030H MAIN：

MOV A, #00000011B

MOV P0, A ;给p0口装入初值 CALL ANJAN ;调用按键子程序

ANJAN：

4

JB P1.0, ZHENGZHUAN ;调用正转子程序 JB P1.1, FANZHUAN ;调用反转子程序 JB P1.2, MAIN ;电机停转，返回主程序 RET ZHENGZHUAN:

MOV A, #00000011B MOV P0, A CALL DELAY MOV A, #00000110B MOV P0, A CALL DELAY MOV A, #00000101B MOV P0, A CALL DELAY CALL ANJAN

JNB po, ZHENGZHUAN FANZHUAN:

MOV A, #0000011B MOV P0, A CALL DELAY MOV A, #00000101B MOV P0, A CALL DELAY MOV A, #00000110B MOV P0, A CALL DELAY CALL ANJAN JNB po, FANZHUAN DELAY:

4

MOV R5,#1 ;装入延时时间，控制转速

MOV R7, #100 DJNZ R7, $ DJNZ R6,D1 DJNZ R5,DELAY

RET

4

3 步进电机转速控制

以上我们实现了对步进电机的正反转控制，在空载或轻载时是不会失步的，但步进电机力矩是软特性的，这在负载较重时，就有可能会有失步现象的发生，这就要求我们可以实现其转速的控制。

3.1 转速控制原理

我们只要在其正反转控制的基础上，将p1.0,p1.1,p1.2口输出脉冲的频率改变，就可以实现对它转速的控制。

本实验中选用电机步距角为1.50，控制要求为： A 按下S1键，电机启动； B 按下S2键，电机停止； C 按下S3键，电机速度加1； D按下S4键，电机速度减1。 E 加减速在25-100转/分 分析：

电机每转动1圈需要脉冲数为：n=3600/1.50=240,则每转一圈要240个脉冲，若要求25转/分，则每秒要产生脉冲数为：n1=25/60*240=100。为此我们得出转速与每秒产生的脉冲个数关系为：

N=V/60*240=4V 式（3.1） 式中V为要控制的速度，Ｎ为所需脉冲个数。

有了上述关系我们就不难推出定时时间与速度之间的关系：

T=1/N=1/4V 式（3.2）

若定时器控制位TMOD=01H，那么定时器的计数初值与转速之间的关系为：

X=216-1/4V*foc/12 式（3.3）

式中foc为晶振频率。为此我们可以得出步进电机转速与定时器定时常数关系，见下表（表1.2所示）：

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表1.2 步进电机转速与定时器定器初值设定表 步进电机转速与定时器定时常数关系 速度 25 26 27 28 29 30 31 …… 定时时间(us) 10000 9615 9259 28 8620 8333 80 …… TH1值 D8 DA DB DD DE DF E0 …… TH2值 F0 71 D5 1F 54 73 80 …… 为此我们只要将定时器的初值写入表格，利用查表程序就可以完成电机速度的控制。

3.2 转速控制程序流程

图3.1 转速控制流程图

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3.3 转速控制程序

程序定义如下：

START bit 01H ;起动及停止标志 MinSpd EQU 25 ;起始转动速度 MaxSpd EQU 100 ;Speed DATA 23H ;ORG 0000H LJMP DJSD ORG 0010H LJMP MAIN ORG 0030H MAIN:

MOV SPEED,#MinSpd ;CLR StartEnd ;MOV TMOD,#00000001B SETB EA SETB ET1 LOOP:

ACALL KEY ; JNB P0,m_NEXT1 ; ACALL KEYPROC ;m_NEXT1: MOV A,Speed JB START,m_Next2

CLR TR1 ;JMP LOOP

ORL P1,#11110000B m_Next2:

最高转动速度 流动速度计数

起始转动速度送入计数器停转状态 键盘程序 无键继续

否则调用键盘处理程序 关闭电机 4

SETB TR1 ;启动电机 AJMP LOOP ;主程序结束 KEYPROC:

MOV A,B ;获取键值

JB ACC.0,StartStop ;分析键的代码,某位被按下,则该位为1 JB ACC.3,KeySty JB ACC.1,UpSpd JB ACC.2,DowSpd AJMP KEY_RET StartStop:

SETB StartEnd ; AJMP KEY_RET KeySty:

CLR StartEnd ; AJMP KEY_RET UpSpd:

INC SPEED MOV A,SPEED

CJNE A,#MaxSpd,K1 ; DEC SPEED ;K1:

AJMP KEY_RET DowSpd:

DEC SPEED MOV A,SPEED

CJNE A,#MAXSPD,KEY_RET ; MOV SPEED,#MinSpd; KEY_RET:

启动 停止 到了最多的次数？

是则减去1，保证下次仍为该值 不等（未到最大值），返回 4

RET KEY:

MOV A, P1 MOV B, A RET

DjZS: ;定时器T1用于电机转速控制

PUSH ACC PUSH PSW MOV A,Speed

SUBB A,#MinSpd ;MOV DPTR,#DjH MOVC A,@A+DPTR MOV TH1,A MOV A,Speed SUBB A,#MinSpd MOV DPTR,#DjL MOVC A,@A+DPTR MOV TL1,A MOV A,DjCount CPL A ORL P1,A MOV A,DjCount JNB ACC.7,d_Next1 JMP d_Next2 d_Next1:

MOV DjCount,#11110111B d_Next2: MOV A,DjCount RL A

减基准数 4

MOV DjCount,A ;回存 ANL P1,A POP PSW POP ACC RETI DjH:

DB D8, DA,DB,DD,DE,DF, E0,…DjL:

DB F0,71,D5,1F,54,73,80,…

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4 设计小结

本次设计研究的内容是单片机对步进电机的控制，主要研究了单片机对步进电机的正反转、制动停止、速度的控制，最后结合一实例介绍了步进电机的应用。

此次设计中我们用的控制器是单片机，而对步进电机的控制，我们还可以使用PLC。PLC的优点在于使用方便、可靠性高、抗干扰性强，但其价格较贵，性价比的综合考虑之下，在稳定性、可靠性要求不是太高的场合，选用单片机作为控制器，便是一明智的选择。

做为一简单的设计，我们只是对步进电机的控制做了大概的介绍，步进电机作为一种特殊的电机，它对电源的要求是很高的，控制精度最主要的因素取决于电源。在第3节中我们只是简单提到了常见的驱动电路：单电压供电、高低压切换供电、调频调压供电，设计中我们只对单电压供电做了详尽的介绍，对后两种高级的驱动电路没做过多介绍，有兴趣的读者可以自行研究。

步进电机的应用是很普遍的，塔钟系统，遥控调音，机床控制等场合都有用到步进电机，希望此次研究可以为日后的工作带来帮助。

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参考文献

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[4]何立民.单片机应用技术选编（4）.北京.北京航空航天大学出版社，1996.11 [5]黄庆华，张永格.单片机开发技术与实训.北京.电子工业出版社，2006.7 [6]汪德彪.MCS-51单片机原理及接口技术.北京.电子工业出版社，2003.8

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