4.4步進電機控制接口技術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24步，再反轉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4.4步進電機控制接口技術2．步進電機的應用：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用。如在繪圖機、打印機及光學儀器中，都采用步進電機來定位繪圖筆，印字頭或光學鏡頭。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、光盤驅動器，用步進電機作精確定位。微機控制技術4.4步進電機控制接口技術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／角度轉換器。其結構原理，如圖4—44所示。微機控制技術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4．4．1步進電機工作原理1．步進電機的構成（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所示的結構為三相步進電機(A—A'相，B—B'相，C—C'相)。當某一繞組有電流通過時，該繞組相應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4．4．1步進電機工作原理（2）轉子沒有繞組，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2．工作原理

當某相繞組通電時，對應的磁極就會產生磁場，并與轉子形成磁路。若此時，定子的小齒與轉子的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉子轉動一定的角度，使轉子齒和定子齒對齊。

錯齒是促使步進電機旋轉的根本原因。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，使轉子齒和A相的定子齒對齊。若以此作為初始狀態(tài)，設與A相磁極中心對齊的轉子齒為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號轉子齒與之對齊，整個轉子就轉動3°，此時，稱電極走了一步。

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

（2）步距角（Zr為轉子齒數(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4．4．2步進電機控制系統(tǒng)原理微機控制技術圖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、反轉控制門等組成。作用:把輸入的脈沖轉換成環(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，以驅動步進電機轉動。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動電路。微機控制技術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計。微機控制技術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，就是產生周期性脈沖序列。

圖4—47脈沖序列微機控制技術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生一系列脈沖。微機控制技術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，其旋轉方向與內部繞組的通電順序有關。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向

關于四相、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）根據所選定的步進電機及控制方式，寫出相應控制方式的數(shù)學模型，如上面講的三種控制方式的數(shù)學模型分別為：微機控制技術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時的控制順序及數(shù)學模型，如按逆序進行控制，步進電機將向相反方向轉動。微機控制技術4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設計

1.步進電機與微型機的接口電路由于步進電機的驅動電流比較大，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。驅動器可用大功率復合管，也可以是專門的驅動器。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4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設計圖4—48步進電機與微型機接口電路之一微機控制技術4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設計在圖4—48中，當P1口的某一位（如P1.0）輸出為0時，經反向驅動器變?yōu)楦唠娖?，使達林頓管導通，A相繞組通電。反之，當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4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設計圖4—49與圖4—48的區(qū)別是在微型機與驅動器之間增加一級光電隔離。當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，從而使達林頓管導通，A相繞組通電。反之，當P1.0=0，經反相后，使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導通，從而使達林頓管截止，A相繞組不通電。現(xiàn)在，已經生產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），用戶可根據需要選用。微機控制技術4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設計圖4—49步進電機與微型機接口電路之二微機控制技術4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設計2.步進電機程序設計步進電機程序設計的主要任務是：★判斷旋轉方向；★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，從而控制步進電機轉動，以達到控制轉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計，微機控制技術圖4.50三相雙三拍步進電機控制程序流程圖微機控制技術4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設計

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

ACALL DELAY ；延時

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

ACALL DELAY ；延時

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

ACALL DELAY ；延時

DEC A ；A≠0，轉LOOP1 JNZ LOOP1

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

AJMPDONE ；A＝0，轉DONELOOP2：

MOV P1，03H ；反向，輸出第一拍

ACALLDELAY；延時DECA；A＝0，轉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LOOP2 JNZ LOOP2DONE：

RETDELAY：

4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設計以上程序設計方法對于節(jié)拍比較少的程序是可行的。但是，當步進電機的節(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)程序進行設計。微機控制技術4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設計（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計，其流程圖如圖4—51所示。

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

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，轉LOOP2 LOOP1：

MOV A， R3 ；取控制模型

MOVC A， @A+DPTR JZ LOOP0

；控制模型為00H，轉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4．4．3步進電機與微型機的接口及程序設計微機控制技術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。（控制旋轉變壓器或多圈電位器的轉角。軟盤驅動系統(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整電壓。假定其調節(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)?？梢姡孩俑淖儾竭M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)之間的關系。微機控制技術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到達預定的位置，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