步进电机控制系统原理-课件

1、步进电机工作原理图图1 1 步进电机原理图步进电机原理图步进电机有如下特点：给步步进脉冲脉冲电机就机就转，不，不给步步进脉冲脉冲电机就不机就不转；步步进脉冲脉冲频率高，步率高，步进电机机转得快；步得快；步进脉冲脉冲频率低，步率低，步进电机机转得就慢；得就慢；改改变各相的通各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改方式（叫脉冲分配）可以改变步步进电机的运行方式；机的运行方式；改改变通通电顺序，可以控制步序，可以控制步进电机的正、反机的正、反转。2、步进电机控制系统原理图图2 2、步进电机控制系统的组成、步进电机控制系统的组成2、步进电机控制系统原理1 1）步进控制器）步进控制器 包括：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及包括：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及 正、反转向控制门等。正、反转向控制门等。作用作用:把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。2 2）功率放大器）功率放大器 把环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。把环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。步进电机与MCS-51单片机的接口 步进电机与单片机的连接一般有两种形式：步进电机与单片机的连接一般有两种形式：一、由硬件完成脉冲分配的功能一、由硬件完成脉冲分配的功能 二、由软件完成脉冲分配工作二、由软件完成脉冲分配工作2、步进电机控制系统原理图图3 3、用微型机控制步进电机原理、用微型机控制步进电机原理一、由硬件完成脉冲分配的功能 在在这这种种形形式式里里，脉脉冲冲分分配配器器（CH250CH250）、驱驱动动电电路路由由硬硬件件完完成成。单单片片机机只只提提供供步步进进脉脉冲冲和和正正、反反转转控控制制信信号号，步步进进脉脉冲冲的产生与停止、步进脉冲的频率和个数都可用软件控制的产生与停止、步进脉冲的频率和个数都可用软件控制。脉冲分配器中由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电动机按确定的运行方式工作。下面着重介绍CH250环形脉冲分配器。CH250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式，如图7、图8所示。图图7 CH250三相双三拍接法三相双三拍接法 图图8 CH250三相六拍接法三相六拍接法 CH250CH250环环形脉冲分配器的功能形脉冲分配器的功能关关系如表系如表1 1所列所列讨论：单片片机机输出出步步进脉脉冲冲后后，再再由由脉脉冲冲分分配配电电路路按按事事先先确确定定的的顺顺序序控控制制各各相相的的通断。通断。一一般般来来说说，硬硬件件一一旦旦确确定定下下来来，不不易易更更改改，这这种种方方案案，硬硬设设备备成成本本高高，它它的应用受到了限制。的应用受到了限制。怎怎样样用用软软件件产产生生步步进进脉脉冲冲呢呢？所所谓谓软软件件产产生生就就是是用用软软件件控控制制P3P30 0为为1 1 或或为为0 0的的次次序序和和长长短短。如如果果先先令令P3P30=10=1，延延时时一一段段时时间间，再再令令P3.0P3.00 0，再再延延时时一一段段时时间间后后，又又令令P3P30=10=1，如如此此循循环环，就就可可构构成成脉脉冲冲序序列列。延延时时时时间间的的长长短短决决定定了了脉脉冲冲序序列列的的周周期期，而而脉脉冲冲序序列列的的周周期期又又与与步步进进电电机机的的步步矩矩有关。有关。用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成 串行脉冲序列，并实现方向控制。串行脉冲序列，并实现方向控制。只要负载是在步进电机允许的范围之内，只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始 位置，便可知道步进电机的最终位置。位置，便可知道步进电机的最终位置。特点特点：由软件完成脉冲分配工作，不仅使线路简化，成本下降，而且可根据应用系统的需要，灵活地改变步进电机的控制方案。二、由软件完成脉冲分配工作二、由软件完成脉冲分配工作2、步进电机控制系统原理主要解决如下几个问题：主要解决如下几个问题：(1)(1)用软件的方法实现脉冲序列；用软件的方法实现脉冲序列；(2)(2)步进电机的方向控制；步进电机的方向控制；(3)(3)步进电机控制程序的设计。步进电机控制程序的设计。2、步进电机控制系统原理 1 1脉冲序列的生成脉冲序列的生成图图4 4 脉冲序列脉冲序列2、步进电机控制系统原理 脉冲幅值脉冲幅值 由数字元件电平决定。由数字元件电平决定。TTL 0 TTL 0 5V 5V CMOS 0 CMOS 0 10V 10V 接通和断开时间可用延时的办法控制。接通和断开时间可用延时的办法控制。要求：确保步进到位。要求：确保步进到位。2方向控制 步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。三相步进电机有三种工作方式：三相步进电机有三种工作方式：单三拍，通电顺序为单三拍，通电顺序为 A AB BC C ；双三拍，双三拍，通电顺序为通电顺序为 AB ABBCBCCA CA ；三相六拍，通电顺序为三相六拍，通电顺序为 AABBBCCCA ；2、步进电机控制系统原理 改变通电顺序可以改变步进电机的转向改变通电顺序可以改变步进电机的转向 2、步进电机控制系统原理3.3.步进电机通电模型的建立：步进电机通电模型的建立：（1 1）用微型机输出接口的每一位控制一相绕组，）用微型机输出接口的每一位控制一相绕组，【例如】用【例如】用 8255 8255 控制三相步进电机时，控制三相步进电机时，可用可用 PC.O PC.O、PC.1PC.1、PC.2 PC.2 分别接至步进电机的分别接至步进电机的 A A、B B、C C 三相绕组。三相绕组。（2 2）根据所选定的步进电机及控制方式，写出相应控制方）根据所选定的步进电机及控制方式，写出相应控制方 式的数学模型。式的数学模型。上面讲的三种控制方式的数学模型分别为：上面讲的三种控制方式的数学模型分别为：2、步进电机控制系统原理 三相单三拍三相单三拍步步 序序 控控 制制 位位 工工 作作 状状 态态 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 B02H02H3 30 00 00 00 00 01 10 00 0C C04H04H2、步进电机控制系统原理 三相双三拍三相双三拍用用 P1 P1口口 的的 P1.2 P1.2、P1.1P1.1、P1.0 P1.0 对应对应 C C、B B、A A 相相 进进行控制行控制 。2、步进电机控制系统原理 同理同理，可以得出双三拍和三相六拍的控制模型：，可以得出双三拍和三相六拍的控制模型：双三拍双三拍 03H 03H，06H06H，05H05H 三相六拍三相六拍 01H 01H，03H03H，02H02H，06H06H，04H04H，05H05H 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型，以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型，如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。如按逆序进行控制，步进电机将向相反方向转动。3、步进电机与微型机的接口及程序设计 4.4.步进电机与微型机的接口电路步进电机与微型机的接口电路（1 1）由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的）由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的 连接都需要专门的接口及驱动电路。连接都需要专门的接口及驱动电路。接口电路可以是锁存器，也可以是可编程接口芯片，接口电路可以是锁存器，也可以是可编程接口芯片，如如 8255 8255、81558155等。等。驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。光电隔离器，一是抗干扰，二是电隔离，光电隔离器，一是抗干扰，二是电隔离，3、步进电机与微型机的接口及程序设计图图5 5 步进电机与微型机接口电路之一步进电机与微型机接口电路之一1 10 00 01 10 00 0 1 10 00 03、步进电机与微型机的接口及程序设计 总之，总之，只要按一定的顺序只要按一定的顺序 改变改变 P1.0 P1.0P1.2 P1.2 三位通电的状况，三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。即可控制步进电机依选定的方向步进。3、步进电机与微型机的接口及程序设计 由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离器，以防强功率的干扰信号反串进主控系统。电隔离器，以防强功率的干扰信号反串进主控系统。如图所示。如图所示。为什么步进电机功率驱动电路采用光电隔离？为什么步进电机功率驱动电路采用光电隔离？步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态，采用光电耦合器步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态，采用光电耦合器将单片机与步机电机隔离可以避免单片机与步进电机功率回路的共地干将单片机与步机电机隔离可以避免单片机与步进电机功率回路的共地干扰，此外，万一驱动电路发生故障。也不致让功放中较高的电压串入单扰，此外，万一驱动电路发生故障。也不致让功放中较高的电压串入单片机而使其损坏。片机而使其损坏。3、步进电机与微型机的接口及程序设计图图6 6 步进电机与微型机接口电路之二步进电机与微型机接口电路之二0 00 01 10 01 11 11 10 00 03、步进电机与微型机的接口及程序设计2.2.步进电机程序设计步进电机程序设计(1)步进电机程序设计的主要任务是：判断旋转方向；判断旋转方向；按顺序传送控制脉冲；按顺序传送控制脉冲；判断所要求的控制步数是否传送完毕。判断所要求的控制步数是否传送完毕。（2）程序框图下面以三相双三拍为例说明这类程序的设计.图图7 7 三相双三拍步进电机控制程序流程图三相双三拍步进电机控制程序流程图3、步进电机与微型机的接口及程序设计 ORG ORG0100H0100HROUNT1ROUNT1：MOVMOVA A，#N#N；步；步进电机步数机步数A A JNB JNB00H00H，LOOP2LOOP2；反向，；反向，转 LOOP2LOOP2LOOP1LOOP1：MOVMOVP1P1，#03H#03H；正向，；正向，输出第一拍出第一拍 ACALL ACALL DELAYDELAY；延；延时 DEC DECA A；A A0 0，转DONEDONE JZ JZDONEDONE MOV MOVP1P1，06H06H；输出第二拍出第二拍 ACALL ACALL DELAYDELAY；延；延时 DEC DECA A；A A0 0，转DONEDONE JZ JZDONEDONE MOV MOVP1P1，05H05H；输出第三拍出第三拍 ACALL ACALL DELAYDELAY；延；延时 DEC DECA A；A A0 0，转 LOOP1LOOP1 JNZ JNZLOOP1LOOP1（3 3）程序）程序 根据图根据图4-464-46可写出如下步进电机控制程序可写出如下步进电机控制程序3、步进电机与微型机的接口及程序设计 AJMP DONE AJMP DONE ；A A0 0，转DONEDONELOOP2LOOP2：MOV MOV P1 P1，03H03H；反向，；反向，输出第一拍出第一拍 ACALL DELAY ACALL DELAY ；延；延时DEC ADEC A；A A0 0，转DONDON JZ JZ DONE DONE MOV P1 MOV P1，05H05H；输出第二拍出第二拍 ACALL DELAY ACALL DELAY；延；延时 DEC DEC A A JZ JZ DONE DONE；MOV MOV P1 P1，06H06H；输出第三拍出第三拍 ACALL DELAY ACALL DELAY；延；延时 DEC DEC A A ；A A0 0，转LOOP2LOOP2 JNZ JNZ LOOP2 LOOP2DONEDONE：RET RETDELAY：3、步进电机与微型机的接口及程序设计 对于节拍比较多的控制程序，对于节拍比较多的控制程序，通常采用循环程序进行设计。通常采用循环程序进行设计。3、步进电机与微型机的接口及程序设计（4 4）循环程序）循环程序 作法：作法：把环型节拍的控制把环型节拍的控制模型模型按顺序存放在内存单元中，按顺序存放在内存单元中，逐一从单元中取出控制模型并输出。逐一从单元中取出控制模型并输出。节拍越多，优越性越显著。节拍越多，优越性越显著。以三相六拍为例进行设计，以三相六拍为例进行设计，其流程图如图其流程图如图8 8所示。所示。图图8 8 三相六拍步进电机控制程序框图三相六拍步进电机控制程序框图ROUTN2ROUTN2LOOPLOOP0 0LOOP2LOOP2LOOP1LOOP13、步进电机与微型机的接口及程序设计ORGORG8100H8100HROUTN2ROUTN2：MOVMOVR2R2，COUNTCOUNT；步；步进电机的步数机的步数LOOP0LOOP0：MOV MOVR3R3，#00H#00HMOV DPTRMOV DPTR，#POINT#POINT；送控制模型指；送控制模型指针JNBJNB00H00H，LOOP2LOOP2；反；反转，转LOOP2LOOP2LOOP1LOOP1：MOVMOVA A，R3R3；取控制模型；取控制模型MOVCMOVCA A，A+DPTRA+DPTRJZJZLOOP0LOOP0；控制模型；控制模型为00H00H，转LOOP0LOOP0MOVMOVP1P1，A A；输出控制模型出控制模型ACALLACALLDELAYDELAY；延；延时INCINCR3R3；控制步数加；控制步数加1 1DJNZDJNZR2R2，LOOP1LOOP1；步数未走完，；步数未走完，继续RETRET图图8 8所示三相六拍步进电机控制程序如下：所示三相六拍步进电机控制程序如下：3、步进电机与微型机的接口及程序设计LOOP2LOOP2：MOVMOV A A，R3R3；求反向控制模型的偏移量；求反向控制模型的偏移量 ADD ADD A A，#07H#07H MOV MOV R3 R3，A A AJAMP AJAMP LOOP1 LOOP1DELAYDELAY：；延；延时程序程序 POINTPOINT DB DB01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H；正向控制；正向控制模型模型 DB DB 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H；反向控制模型；反向控制模型COUNTCOUNT EQU 30H,EQU 30H,POINT EQU 0150H