第10章步進(jìn)電機(jī)及其控制10.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理10.2步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)10.3步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)10.4設(shè)計(jì)課目與演練

——步進(jìn)電機(jī)單相驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)小結(jié)

習(xí)題

步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，也是一種能把輸出機(jī)械位移增量和輸入數(shù)字脈沖對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器件。步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停能力，通過(guò)輸入脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)在一瞬間的啟動(dòng)和停止。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周都有既定的步數(shù)，步進(jìn)精確，步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。步進(jìn)電機(jī)的這個(gè)特點(diǎn)非常適合單片機(jī)或者計(jì)算機(jī)的控制，常把它作為測(cè)控系統(tǒng)中一種常用的數(shù)字設(shè)備。本章主要介紹步進(jìn)電機(jī)的種類、工作原理及驅(qū)動(dòng)方法，并深入探討如何用單片機(jī)進(jìn)行加減速運(yùn)行的控制。10.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理10.1.1步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.步進(jìn)電機(jī)的分類根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)可以分為三大類，如圖10-1所示。

(1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VariableReluctance，VR)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能差。

(2)永磁式步進(jìn)電機(jī)(PermanentMagnet，PM)。永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好；轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。圖10-1步進(jìn)電機(jī)按內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分類

(3)混合式步進(jìn)電機(jī)(Hybrid，HB)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，是目前性能最好的步進(jìn)電機(jī)。市面上的步進(jìn)電機(jī)主要按照相數(shù)進(jìn)行分類，又以兩相、五相步進(jìn)電機(jī)為主流。其結(jié)構(gòu)如圖10-2所示。二相步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)最細(xì)可分割為400等份，步進(jìn)角一般為1.8°(200等份)；五相步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)最細(xì)可分割為1000等份，步進(jìn)角一般為0.72°(500等份)。所以，表現(xiàn)出來(lái)的特性以五相步進(jìn)電機(jī)較佳，加減速時(shí)間短，動(dòng)態(tài)慣性較低。圖10-2步進(jìn)電機(jī)按相數(shù)進(jìn)行的分類

2.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖10-3所示為一個(gè)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。由圖可見(jiàn)，它分成轉(zhuǎn)子和定子兩部分。定子是由硅鋼片疊合而成的。定子上有六個(gè)磁極(大極)，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極(N、S極)組成一對(duì)，共有三對(duì)。每對(duì)磁極都纏有同一繞組，也即形成一相，所以三對(duì)磁極上有三對(duì)繞組，形成三相?？梢該?jù)此推理，四相步進(jìn)電機(jī)上有四對(duì)磁極(大)、四相繞組，五相步進(jìn)電機(jī)上有五對(duì)磁極(大)、五相繞組。每個(gè)磁極上都分布著多個(gè)小齒，它們大小相同，間距相同。轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的。其外表面也均勻分布著小齒，這些小齒與定子內(nèi)表面磁極上小齒的齒寬、齒距都相同。圖10-3三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖所以，齒距角的計(jì)算公式為

式中，Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，定子與轉(zhuǎn)子上的小齒之間保持兩種狀態(tài)：對(duì)齒和錯(cuò)齒，如圖10-4所示。把定子與轉(zhuǎn)子之間的小齒對(duì)齊的狀態(tài)稱為對(duì)齒，這個(gè)時(shí)候的磁導(dǎo)率最大(磁阻最小)；把定子與轉(zhuǎn)子之間的小齒不對(duì)齊的狀態(tài)稱之為錯(cuò)齒，這個(gè)狀態(tài)下有較大的磁阻。錯(cuò)齒的存在是步進(jìn)電機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)的前提條件。所以，在步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須保證有錯(cuò)齒存在。保證錯(cuò)齒存在的方法是，轉(zhuǎn)子的齒應(yīng)沿圓周均勻分布，而定子的齒只分布在磁極上，屬于不完全齒。當(dāng)某一相處于對(duì)齒狀態(tài)時(shí)，該相磁極上的所有小齒都與轉(zhuǎn)子上的小齒對(duì)齊，而此時(shí)，其它相都處于錯(cuò)齒狀態(tài)。如圖10-3所示，A相處于對(duì)齒狀態(tài)時(shí)，B相和C相處于錯(cuò)齒狀態(tài)。(10-1)圖10-4定子與轉(zhuǎn)子的對(duì)齒與錯(cuò)齒10.1.2步進(jìn)電機(jī)的工作方式

1.步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)原理如果給處于錯(cuò)齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大(磁阻最小)的位置轉(zhuǎn)動(dòng)，即向趨于對(duì)齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了詳細(xì)說(shuō)明這一點(diǎn)，下面以一種常見(jiàn)的小步距角的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，其剖面圖仍然如圖10-3所示。齒距展開(kāi)圖如圖10-5所示。電機(jī)定子上有6個(gè)等分的磁極(大)，相鄰兩個(gè)磁極間的夾角為60°。磁極上面裝有控制繞組，連成A、B、C三相。轉(zhuǎn)子上均勻分布著40個(gè)齒，每個(gè)齒的齒距為9°。定子的每個(gè)極上分布著5個(gè)齒，定子和轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距都相同。而每個(gè)定子磁極的極距為60°，所以每一個(gè)極距所占的齒距數(shù)不是整數(shù)。圖10-5三相電機(jī)齒距展開(kāi)圖現(xiàn)在假設(shè)A相已經(jīng)對(duì)齒，那么A相旁邊小齒的對(duì)應(yīng)狀態(tài)如圖10-6(a)所示?？梢钥闯觯?dāng)A極下的定子和轉(zhuǎn)子對(duì)齒時(shí)，B極和C極下的齒就分別和轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò)1/3的齒距，即為3°。這時(shí)若給B相通電，電機(jī)中將產(chǎn)生B極軸線方向的磁場(chǎng)，因磁通要按磁阻最小的路徑閉合，這時(shí)B極下的齒就受到減小磁阻趨勢(shì)方向的力，因而轉(zhuǎn)子受到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用而逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)力一直作用到轉(zhuǎn)子齒與B極上的齒對(duì)齊為止。此時(shí)，A極和C極下的齒就分別和轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò)1/3的轉(zhuǎn)子齒距，結(jié)果使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)3°。由此可見(jiàn)，錯(cuò)齒是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。圖10-6三相步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)原理相似地，在B相斷電的同時(shí)，再給C相通電，則轉(zhuǎn)子將繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)3°，此時(shí)A、B相又錯(cuò)齒1/3。當(dāng)C相斷電，再給A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)動(dòng)了1/3個(gè)齒距角，還是3°。此時(shí)，轉(zhuǎn)子與A相形成對(duì)齒，與B、C兩相形成錯(cuò)齒。至此，所有的狀態(tài)恢復(fù)到與最初時(shí)一樣，只不過(guò)轉(zhuǎn)子累計(jì)轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)齒距?？梢?jiàn)，當(dāng)按A—B—C—A順序輪流給各相繞組通電時(shí)，磁場(chǎng)將按A—B—C方向轉(zhuǎn)過(guò)360°，轉(zhuǎn)子則沿相同的方向轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)齒距角。同樣，如果改變通電順序，即按與上面相反的方向(A—C—B—A的順序)通電，則轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向也要改變。如果將對(duì)繞組通電一次的操作稱為一拍，那么前面所述的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的三相輪流一次就需要三拍。轉(zhuǎn)子每拍走一步，轉(zhuǎn)一個(gè)齒距角需要三拍。轉(zhuǎn)子走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角，計(jì)算公式為

式中，N為步進(jìn)電機(jī)的工作拍數(shù)。

2.單三拍工作方式三相步進(jìn)電機(jī)如果按A—B—C—A的方式循環(huán)通電工作，則稱這種方式為單三拍工作方式。其中：“單”是指每拍對(duì)一相通電；“三拍”是指磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周需要換相三次，這時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。步距角的計(jì)算可使用式(10-2)。如果是多相步進(jìn)電機(jī)，每次只對(duì)一相通電，則磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周就需要多拍。(10-2)用單三拍方式工作時(shí)，各相通電的波形如圖10-7所示。其中：電壓波形是方波；由于電機(jī)是感性負(fù)載，因此電流是指數(shù)規(guī)律變化的虛線部分。由于步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，我們希望繞組中的電流也可以像電壓那樣突變，這樣就可以使繞組在通電時(shí)迅速建立磁場(chǎng)，而在斷電時(shí)不會(huì)干擾其它相磁場(chǎng)。實(shí)際上，我們不可能把電流做到像電壓那樣可以突變，因?yàn)檫@是感性電路的特性。但是，我們可以通過(guò)改變電路的設(shè)置來(lái)盡量靠近這個(gè)目標(biāo)。比如：在通電時(shí)考慮增加短時(shí)的高電壓，目的就是迅速提升電流；而在斷電時(shí)，要迅速消耗繞組中存在的續(xù)流，可以給續(xù)流二極管串接一只功率電阻來(lái)消耗能量。在10.3節(jié)中，還會(huì)有詳細(xì)的介紹。圖10-7單三拍工作方式時(shí)相電壓、相電流的波形

3.雙三拍工作方式雙三拍的工作方式是指：每次對(duì)兩相同時(shí)通電，即“雙”；磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周需要換相三次，即“三拍”，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。這與單三拍是一樣的，所以步距角的計(jì)算也是使用式(10-2)。在雙三拍工作方式中，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)锳B—BC—CA；反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)锽A—AC—CB。用雙三拍方式工作時(shí)，各相通電的波形如圖10-8所示。在每一拍中，都有兩相通電，每一相的通電時(shí)間都持續(xù)兩拍。所以，雙三拍通電的時(shí)間長(zhǎng)，消耗的電功率大，當(dāng)然，它可以獲得較大的電磁轉(zhuǎn)矩。雙三拍工作時(shí)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)形狀如圖10-9所示。圖10-8雙三拍工作方式時(shí)相電壓、相電流的波形圖10-9雙三拍工作時(shí)的磁場(chǎng)情況注意，雙三拍工作時(shí)磁導(dǎo)率的最大位置并不是轉(zhuǎn)子處于對(duì)齒的位置。當(dāng)某兩相通電時(shí)，最大磁導(dǎo)率的位置是轉(zhuǎn)子齒與兩個(gè)通電相磁極的齒分別錯(cuò)±1/6個(gè)齒距角的位置，而此時(shí)轉(zhuǎn)子齒與另一個(gè)未通電相錯(cuò)1/2個(gè)齒距角。也就是說(shuō)，在最大磁導(dǎo)率位置時(shí)，沒(méi)有對(duì)齒存在。在這個(gè)位置上，兩個(gè)通電相的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使定子與轉(zhuǎn)子相互作用的電磁轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反，從而使轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)。雙三拍工作方式的優(yōu)點(diǎn)是，不易產(chǎn)生失步。這是因?yàn)楫?dāng)兩相通電后，兩相繞組中的電流幅值不同，產(chǎn)生的電磁力作用方向也不同，所以，其中一相產(chǎn)生的電磁力起了阻尼作用。繞組中的電流越大，阻尼作用就越大。這有利于步進(jìn)電機(jī)在低頻區(qū)工作。4.六拍工作方式六拍工作方式是三相步進(jìn)電機(jī)中單三拍與雙三拍交替使用的一種方法，也稱為單雙六拍或1—2相勵(lì)磁法。正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篈—AB—B—BC—C—CA；反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋篈—AC—C—CB—B—BA。可見(jiàn)，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周需要換相六次(即六拍)，轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角，所以根據(jù)式(10-2)，六拍工作時(shí)的步距角是單三拍和雙三拍的步距角的一半，也就是步進(jìn)精度高一倍。此工作方式的相電壓、相電流的波形如圖10-10示。在使用六拍工作方式時(shí)，總是單相雙相交替通電；對(duì)任一相來(lái)說(shuō)，有三拍連續(xù)通電，然后有三拍連續(xù)斷電。圖10-10六拍工作方式時(shí)相電壓、相電流的波形單三拍、雙三拍、六拍這三種工作方式的區(qū)別如表10-1所示?？梢钥闯觯@三種工作方式的差別較大，但是總體以六拍方式的性能為最佳。在步進(jìn)電機(jī)控制的應(yīng)用中，選擇合適的工作方式非常重要，所以，下一節(jié)將結(jié)合工作方式來(lái)進(jìn)行控制方法的探討。表10-1三種工作方式的比較10.2步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)直接接交、直流電源是不能夠工作的，必須有一套專門的控制系統(tǒng)，用來(lái)產(chǎn)生符合步進(jìn)電機(jī)特色的脈沖和序列，并提供必要的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)措施。典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖10-11所示。其中：脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生頻率變化的脈沖信號(hào)；脈沖分配器可根據(jù)方向控制信號(hào)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成有一定邏輯關(guān)系的環(huán)形脈沖；功率放大器可將脈沖分配器輸出的環(huán)形脈沖放大，用于控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。這些部分都可以由專門的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果用單片機(jī)加上專門的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，則可以簡(jiǎn)化電路，提高可靠性。步進(jìn)電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)是由控制繞組中輸入脈沖的有無(wú)來(lái)控制的，每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度和方向是由三相控制繞組中的通電方式?jīng)Q定的。因此，步進(jìn)電機(jī)的控制是要求單片機(jī)程序產(chǎn)生按一定規(guī)律變化的時(shí)序脈沖，然后通過(guò)接口和驅(qū)動(dòng)放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的控制繞組工作。時(shí)序脈沖的控制分為硬件方法和軟件方法。硬件方法可用脈沖分配器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是該方法的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且成本也很高。軟件方法可通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這不但可以簡(jiǎn)化電路，而且也可降低成本。使用單片機(jī)以軟件方式來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，可以通過(guò)編程方法在一定范圍之內(nèi)自由設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、往返運(yùn)動(dòng)的角度等，還可以方便靈活地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)而滿足不同用戶的要求。圖10-11步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的原理框圖10.2.1步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配步進(jìn)電機(jī)的通電換相順序是嚴(yán)格按照步進(jìn)電機(jī)的工作方式進(jìn)行的，通常把通電換相這一過(guò)程稱為“脈沖分配”。實(shí)現(xiàn)脈沖分配的方法主要有兩種：軟件法和硬件法。

1.通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配比如，用51單片機(jī)的P1口控制實(shí)現(xiàn)三相六拍工作方式，其接口如圖10-12所示。P1.0～P1.2分別對(duì)應(yīng)控制A、B、C三相的換相順序。輸出為0時(shí)，該相對(duì)應(yīng)線圈通電；輸出為1時(shí)，該相對(duì)應(yīng)線圈斷電。三相六拍對(duì)應(yīng)的控制字如表10-2所示。圖10-12用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配的接口示意圖表10-2三相六拍控制模式的控制字對(duì)應(yīng)的控制程序設(shè)計(jì)如下：

STEPPROC:MOVR0,#STEPNUM ;執(zhí)行步控制，R0中對(duì)應(yīng)步數(shù)

MOVR1,#00H ;?R1初始化

NEXTSTEP:JBF0,ROLLBACK ;正反轉(zhuǎn)判斷

MOVDPTR,#TABLE ;正轉(zhuǎn)控制字地址

SJMPGO_ON

ROLLBACK:MOVDPTR,#TABLE1 ;反轉(zhuǎn)控制字地址

GO_ON:

MOVA,R1 ;?R1用于設(shè)定步序,總是在0～2之間變化

MOVCA,@A+DPTR ;取出對(duì)應(yīng)控制字

MOVP1,A ;輸出控制字

ACALLDELAY ;延時(shí)

INCR1 ;修改進(jìn)入下一個(gè)步序

CJNER1,#03H,NEXT;如果已經(jīng)全部結(jié)束,則重新設(shè)置

MOVR1,#00H

NEXT: DJNZR0,NEXTSTEP;當(dāng)前是否已經(jīng)全部走完設(shè)定步數(shù)

RET

DELAY: ;請(qǐng)讀者自己完成

RET

TABLE:

DB0FEH,0FCH,0FDH,0F9H,0FBH,0FAH;正轉(zhuǎn)控制字

TABLE1:

DB0FEH,0FAH,0FBH,0F9H,0FDH,0FCH;反轉(zhuǎn)控制字進(jìn)一步解釋：

這里沒(méi)有設(shè)計(jì)延時(shí)程序，請(qǐng)讀者自己完成?？梢詤⒖?1.3.1節(jié)給出的例程，那里對(duì)延時(shí)程序作了詳細(xì)的使用和計(jì)算說(shuō)明。

R1用于步序的控制，而R0用于步數(shù)的控制。

在此設(shè)置F0作為正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位，也可以單獨(dú)設(shè)置。

對(duì)于其它節(jié)拍和相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)，也可按照這種方法進(jìn)行分析。

2.通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配所謂硬件法，實(shí)際上就是使用脈沖分配器來(lái)進(jìn)行通電換相控制。脈沖分配器有很多種，如CH224、CH250、PMM8713等。這里介紹8713集成電路芯片。

8713屬于單極性控制，用于控制三相和四相步進(jìn)電機(jī)。對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)的工作方式有單三拍、雙三拍、六拍；對(duì)四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式有單四拍、雙四拍、八拍。

8713可以選擇單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入，具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)位、工作方式和輸入脈沖狀態(tài)檢測(cè)等功能；所有輸入端內(nèi)部都設(shè)有施密特整形電路，以提高抗干擾能力。8713使用4～18V直流電源，輸出電流為20mA。

8713的引腳分布如圖10-13所示。各引腳功能如表10-3所示。圖10-138713引腳圖表10-38713引腳功能續(xù)表

8713與8031單片機(jī)的接口電路如圖10-14所示。本例選用單時(shí)鐘輸入方式，8713的3腳為步進(jìn)脈沖輸入端，4腳為轉(zhuǎn)向控制端，分別由P1.0和P1.1控制，工作方式為三相六拍方式。圖10-148713脈沖分配器與8031單片機(jī)接口對(duì)應(yīng)的控制程序段如下：

ORG0000H LJMPSTART ORG000BH ;?T0中斷

LJMPT0_ISR ;轉(zhuǎn)到T0中斷服務(wù)

ORG0100H

STEPNUMEQU100 ;定義步數(shù)

DATA1 EQU55H ;設(shè)置T1定時(shí)初始值

DATA2 EQU55H ;這個(gè)值要根據(jù)實(shí)際速度計(jì)算,下一小節(jié)會(huì)給出解釋

START: MOVSP,#60H MOVTMOD,#01H ;?T0定時(shí)器方式1,16位方式

MOVTH0,#DATA1 ;賦初始值

MOVTL0,#DATA2 SETBET0 ;開(kāi)T0中斷

SETBEA ;開(kāi)中斷

CLRP1.1 ;正反轉(zhuǎn)控制位,0—反轉(zhuǎn)，1—正轉(zhuǎn)

MOVA,#STEPNUM ;兩次中斷產(chǎn)生一拍脈沖

RLA ;所以，步數(shù)乘以2 MOVR0,A ;?R0作為計(jì)數(shù)器

SETBTR0 ;開(kāi)始輸出步進(jìn)脈沖

SJMP$

T0_ISR: CLREA CLRTR0 MOVTH0,#DATA1 MOVTL0,#DATA2 CPLP1.0 ;取反步進(jìn)脈沖，50%的占空比 DJNZR0,CONTINUE ;如果已經(jīng)全部走完，則不再置位TR0

SJMPRETU ;

CONTINUE:SETBTR0

RETU: SETBEA RETI END進(jìn)一步解釋：

步進(jìn)脈沖的產(chǎn)生使用中斷方式進(jìn)行控制。用TR0控制步進(jìn)脈沖的開(kāi)始與停止。

用R0作為步數(shù)的計(jì)數(shù)器。因?yàn)橐徊叫枰粋€(gè)“拍”，即一個(gè)周期的脈沖，所以需要定時(shí)器中斷兩次。故R0里面存放的實(shí)際是步數(shù)的二倍值。用8位R0作計(jì)數(shù)器，則可以算得最大步數(shù)是127步。思考：如果步數(shù)超過(guò)127呢？還可以考慮用R0、R1兩個(gè)作為計(jì)數(shù)器，這樣就大大增加了計(jì)數(shù)范圍。當(dāng)然還有很多其它的方法，請(qǐng)讀者自己考慮改進(jìn)方案。

可以看出，這種方法的好處是節(jié)省了單片機(jī)硬件資源，并且簡(jiǎn)化了程序。在復(fù)雜的變速控制系統(tǒng)中，我們還是優(yōu)先選擇單片機(jī)(更多的會(huì)使用DSP)直接進(jìn)行脈沖分配的方式。10.2.2步進(jìn)電機(jī)的位置和速度控制上一節(jié)中的脈沖分配我們重點(diǎn)解決了步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制問(wèn)題：如果按照給定的工作方式正序通電換相，則步進(jìn)電機(jī)就會(huì)正轉(zhuǎn)；如果按照相反的順序通電換相，則步進(jìn)電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。另外，還有兩個(gè)控制因素：位置和速度。

如果給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)控制脈沖，則它就會(huì)轉(zhuǎn)一個(gè)步距角θN，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。如果發(fā)出n個(gè)脈沖，那么步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)n個(gè)步距角。所以，步進(jìn)電機(jī)的角位移ω嚴(yán)格與脈沖個(gè)數(shù)成正比，并且有θ?=?θN·n這是角位移的計(jì)算公式。所以，只要控制脈沖個(gè)數(shù)，就可以控制步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)位置。

兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，并且有ω?=?θN·f這是角速度的計(jì)算公式。所以，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的工作方式確定后，只要調(diào)整步進(jìn)脈沖的頻率就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行控制。在上一節(jié)的例程中，我們通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一定的步數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的位置控制，所以，本節(jié)將重點(diǎn)放在速度的控制上。步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)，要經(jīng)歷加速、勻速、減速的過(guò)程。如果啟動(dòng)時(shí)一次將速度升到給定速度則由于啟動(dòng)頻率超過(guò)極限啟動(dòng)頻率fq，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)發(fā)生失步現(xiàn)象，從而導(dǎo)致定位的偏差甚至不能正常啟動(dòng)。如果高速運(yùn)行到終點(diǎn)時(shí)突然停下來(lái)，則由于慣性作用，步進(jìn)電機(jī)會(huì)發(fā)生過(guò)沖現(xiàn)象，也會(huì)導(dǎo)致位置精度降低。如果用非常緩慢的升降速控制電機(jī)，則步進(jìn)電機(jī)雖然不會(huì)產(chǎn)生失步和過(guò)沖現(xiàn)象，但影響了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率。所以要研究步進(jìn)電機(jī)的加減速，保證在不失步和不過(guò)沖的前提下，使工作機(jī)構(gòu)用最快的速度(或最短的時(shí)間)移動(dòng)到指定位置。為了滿足起步和停止時(shí)的加減速控制，通常按照加減速曲線進(jìn)行控制。最簡(jiǎn)單的曲線是勻加速和勻減速曲線，如圖10-15所示，加、減速曲線都是直線，因此容易編程實(shí)現(xiàn)。但要注意，曲線的斜率不要太大，否則也會(huì)因?yàn)榧铀俣忍蠖鴮?dǎo)致失步或過(guò)沖。圖10-15勻加、減速曲線步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行還可根據(jù)距離的長(zhǎng)短分如下三種情況進(jìn)行處理：

短距離：由于距離較近，步進(jìn)電機(jī)來(lái)不及升到最高速，因此在這種情況下，步進(jìn)電機(jī)以接近啟動(dòng)頻率運(yùn)行，運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有加、減速過(guò)程。

中短距離：在這樣的距離里，步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有勻速過(guò)程，只有加、減速過(guò)程。

中長(zhǎng)距離：不僅有加、減速過(guò)程，還有勻速過(guò)程。由于距離較遠(yuǎn)，要盡量縮短用時(shí)，保證快速反應(yīng)，因此，在加速時(shí)，盡量用接近啟動(dòng)頻率啟動(dòng)；在勻速時(shí)，盡量用最高速運(yùn)行；減速段不應(yīng)無(wú)原則地延長(zhǎng)，要在不過(guò)沖的前提下，盡量縮短時(shí)間。這些數(shù)據(jù)需要根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段來(lái)獲得。前面的例程都采用了勻速的控制方式。減速過(guò)程是加速過(guò)程的逆過(guò)程，為了理解加、減速過(guò)程，這里單獨(dú)給出一個(gè)啟動(dòng)加速的程序設(shè)計(jì)。

1.功能說(shuō)明仍然采用如圖10-14所示的電路，使用P1.0產(chǎn)生步進(jìn)脈沖?，F(xiàn)在要求在啟動(dòng)后的250步內(nèi)使用逐漸加速啟動(dòng)的方法，然后維持在最后輸出的頻率值上。本程序設(shè)計(jì)的輸出脈沖波形如圖10-16所示。假設(shè)使用的晶振頻率為12MHz，即機(jī)器周期T?=?1μs。圖10-16步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)加速過(guò)程的脈沖波形

2.設(shè)計(jì)原理分析類似這種持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)計(jì)，我們優(yōu)先選擇的還是定時(shí)中斷方式，否則，會(huì)占用大量的CPU資源，對(duì)于動(dòng)態(tài)顯示或者其他需要變化的檢測(cè)等操作無(wú)暇顧及。定時(shí)器每一次中斷都要讓P1.0取反，要連續(xù)兩次中斷才會(huì)發(fā)送一個(gè)完整的步進(jìn)脈沖，計(jì)為一步，所以取R0賦初值02H，每次中斷后執(zhí)行減1判零操作，為0時(shí)則一步完成。定時(shí)器使用模式1，使用16位計(jì)數(shù)器，可以提供較大的計(jì)數(shù)范圍。本程序中定時(shí)器的初始值為00E0H，此時(shí)定時(shí)時(shí)間為t?=?(10000H?-?00E0H)?×?1μs?=?65312μs為半周期，所以，第一個(gè)步進(jìn)脈沖的頻率為如果我們每步給計(jì)數(shù)初始值增加00E0H，那么，第二個(gè)步進(jìn)脈沖的頻率為故第250個(gè)步進(jìn)脈沖的頻率為應(yīng)當(dāng)保證第一個(gè)步進(jìn)脈沖的頻率不大于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率，最后一個(gè)步進(jìn)脈沖的頻率不大于步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率。用R2來(lái)計(jì)數(shù)250步，步數(shù)到以后就不再修改計(jì)數(shù)器的初始值，否則繼續(xù)加OE0H。所以，設(shè)計(jì)標(biāo)志位F0作為是否繼續(xù)改變頻率的標(biāo)志，F(xiàn)0置位后將不再加速。

3.程序設(shè)計(jì)

ORG0000H LJMPSTART ORG000BH

LJMPT0_ISR ORG0100H

STEPWIDTH EQU0E0H ;計(jì)數(shù)初值增進(jìn)量

STEPNUM EQU250 ;加速階段步數(shù)

TNL

EQU0E0H ;定時(shí)器初始值

TNH

EQU00H

START: MOVSP,#60H MOVTMOD,01H ;?T0定時(shí)器方式1,16位

MOVTL0,#TNL ;初始值MOVTH0,#TNH MOVR2,TL0 ;?R2、R3用于遞增計(jì)數(shù)初始值

MOVR3,TH0 SETBP1.0 ;初始狀態(tài)為高電平

CLRF0 ;加速結(jié)束標(biāo)志位,置位則結(jié)束

SETBET0 ;開(kāi)定時(shí)器0中斷

SETBEA ;開(kāi)中斷

MOVR0,#02H ;計(jì)數(shù)兩次中斷為一個(gè)脈沖周期

MOVR1,#STEPNUM ;加速步數(shù)

SETBTR0 ;開(kāi)始工作

SJMP$

T0_ISR: CLRTR0 ;關(guān)定時(shí)器

MOVTL0,R2 ;重新賦值

MOVTH0,R3 DJNZR0,HALFPULS ;判已經(jīng)是第二次中斷？

MOVR0,#02H ;重新賦值

SETBP1.0 ;置高

SJMPCHECKADD ;去檢測(cè)是否還在加速段

HALFPULS: CLRP1.0 ;半周期脈沖，直接返回

SJMPREP

CHECKADD: JBF0,REP ;檢測(cè)加速結(jié)束？

MOVA,#STEPWIDTH ;累加計(jì)數(shù)初值

ADDA,TL0

MOVTL0,A MOVR2,A

MOVA,TH0 ADDCA,#00H MOVTH0,A MOVR3,A DJNZR1,REP ;加速步數(shù)已經(jīng)全部完成？

SETBF0 ;則置位F0

REP: SETBTR0 ;重啟定時(shí)器

OUT: RETI END進(jìn)一步：

本程序是從易于理解的角度來(lái)設(shè)計(jì)的，所以每次給計(jì)數(shù)器直接遞加一個(gè)值，從而使頻率逐漸增加。但這種方法得到的脈沖頻率并不是線性增加的，讀者可以自行驗(yàn)證。

在加速過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)移動(dòng)到位怎么辦？根據(jù)前面的分析，我們首先要對(duì)步進(jìn)電機(jī)欲移動(dòng)的步數(shù)作分析，然后找出加速段、勻速段和減速段的合理配置方案。在設(shè)計(jì)程序時(shí)要考慮這些情況。思考題：步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)500步，前面的200步加速，后面的200步減速，中間的100步勻速，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)這個(gè)程序。10.3步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有多種，這里介紹幾種常用驅(qū)動(dòng)方式的工作原理及與單片機(jī)的接口。10.3.1雙電壓驅(qū)動(dòng)雙電壓驅(qū)動(dòng)的基本思路是：在低頻段使用較低的電壓驅(qū)動(dòng)，目的是減弱低速時(shí)因能量過(guò)大而易造成的震蕩和過(guò)沖現(xiàn)象；在高頻段使用較高的電壓驅(qū)動(dòng)，以補(bǔ)償高速時(shí)因換相頻率過(guò)高而造成能量供給不足的現(xiàn)象。雙電壓驅(qū)動(dòng)原理及與單片機(jī)的接口電路如圖10-17所示。圖10-17雙電壓驅(qū)動(dòng)原理及與8031的接口電路當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在低頻段時(shí)，P1.2關(guān)閉V1管，此時(shí)由UL供電。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在高頻段時(shí)，P1.2控制打開(kāi)V1管，此時(shí)繞組電壓由高電壓UH提供。V2管則是由步進(jìn)脈沖控制通斷，給繞組提供步進(jìn)脈沖。這種驅(qū)動(dòng)可以很好地提高步進(jìn)電機(jī)的高頻性能。10.3.2斬波驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)常用于開(kāi)環(huán)控制，頻繁的換相使電流的波形起伏較大，這樣會(huì)影響轉(zhuǎn)矩的變化。斬波恒流驅(qū)動(dòng)可以解決這個(gè)問(wèn)題。斬波恒流驅(qū)動(dòng)的原理圖如圖10-18所示。V1是一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)管。V2開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極接一只小電阻R(電流取樣電阻)，電機(jī)繞組的電流經(jīng)這個(gè)電阻接地。比較器的一端接參考電壓UREF，另一端接取樣電阻上壓降，當(dāng)取樣電壓低于參考電壓時(shí)，比較器輸出高電平。圖10-18斬波恒流驅(qū)動(dòng)的原理圖和波形圖當(dāng)控制脈沖ui為低電平時(shí)，V1和V2兩個(gè)開(kāi)關(guān)管均截