步进电机细分控制的单片机实现.pdf

第 3 0卷 第 2期 2 0 1 2年 3月 贵州师范大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f G u i z h o u N o r m al U n i v e r s i t y N a t u r al S c i e n c e s Vo 1 3O No 2 M a r 2 01 2 文章编号 1 0 0 4 5 5 7 0 2 0 1 2 0 2 0 1 0 6 0 4 步进电机细分控制的单片机实现 郑 宇 贵州师范大学 机械与电气工程学院 贵州 贵阳5 5 0 0 1 4 摘要 步进电机是机电一体化执行元件的重要产品之一 由于其易于精确控制的良好性能而受到广泛的应用 根据步进电机细分控制的原理 提出了由 D A转换模块配合单片机控制来实现细分控制的方法 为提高步进电 机的控制精度提供了一种可行的参考方案 关键词 步进电机 细分控制 单片机 中图分类号 T M 3 0 1 2 文献标识码 B Re s e a r c h o n t he mi c r o s t e p pi ng d m o s o f s t e pmo t o r us i n g s i ng l e c h i p c o mp ut e r ZHENG Yu S c h o o l o f Me c h a n i c al a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g G u i z h o u N o r m a l U n i v e r s i t y G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 1 4 C h i n a Ab s t r a c t S t e p mo t o r i s t h e i n t e g r a t i o n o f me c h a ni c a l a nd e l e c t r i c a l a c t u a t o r i s o n e o f t he i mp o r t a nt p r o d u c t s b e c a u s e o f i t s e a s y a n d a c c u r a t e c o n t r o l o f g o o d p e r f o r ma n c e a n d h a s b e e n w i d e l y a p p l i e d Ac c o r di n g t o t he s t e p mo t o r mi c r o s t e p p i n g d mo s c o n t r o l p rin c i p l e p u t f o r wa r d by D A c o n v e r s i o n mo d u l e wi t h s i n g l e c h i p c o mp u t e r c o n t r o l t o a c h i e v e t he mi c r o s t e p p i n g d mo s c o n t r o l me t h o d i n o r d e r t o i mp r o v e t h e c o n t r o l a c c u r a c y o f t h e s t e p mo t o r t o p r o v i d e a f e a s i b l e r e f e r e n c e p l a n Ke y wo r d s s t e p mo t o r mi c r o s t e p p i n g d mo s c o n t r o l s i n g l e c h i p c o mp u t e r 0 引言 步进电机作为执行元件 是机电一体化的关键 产品之一 步进 电机和普通 电动机的不 同之处在 于它是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机 构 由于步进电机每个控制脉冲所运转的角度都 是固定的 结合传动轮半径就能计算实现距离的控 制 所 以步进电机不仅用作角位移 的控制 同样也 常用于需要精确控制运行距离的场合 在很多老 式的控制系统中 步进电机的控制都是用固定大小 的脉冲来控制的 控制精度通常不高 在旧设备上 拆下来 的步进电机更需要重新设计驱动器 以做它 用 对于步进电机的控制要求 也越来越多地 出现 了精确控制及运行平 滑的要求 这些都需要能满 足较高控制精度需求的驱动器 而步进电机的细 分控制就成 为 了这 些改造 和设 计 的最佳选 择方 案 收稿 日期 2 0 l l 一1 0 1 5 作者简介 郑宇 1 9 7 6一 男 工学硕士 讲师 研究方向为 单片机及嵌入式控制系统 1 0 6 第 2期 郑宇 步进电机细分控制的单片机实现 1 步进 电机细分控制原理 1 1 步进电机工作原理 以图 1四相反应式步进电机为例 只要对步进 电机的各相绕组按合适的时序通电 就能使步进电 机步进转动 图 1 四相步进 电机步进 示意图 F i g 1 S k e t c h ma p f o r f o u r p h a s e s t e p p i n g mo t o r 开始时 开关 S B接通电源 S A S C S D断开 B 相磁极和转子 0 3号齿对齐 同时 转子的 1 4号 齿就和 C D相 绕组磁极产 生错齿 2 5号齿就 和 D A相绕组磁极产生错齿 当开关 s C接通电源 S B S A S D断开时 由于 c相绕组的磁力线和 1 4号齿之间磁力线的作用 使转子转动 1 4号齿和 c相绕组的磁极对齐 而 0 3号齿 和 A B相绕组产 生错齿 2 5号齿就 和 A D相绕组磁极产生错齿 依次类推 A B C D 四相绕组轮流供电 则转子会沿着 A B C D方向 转动 J 四相步进电机按照通电顺序 的不同 可分为单 四拍 双四拍 八拍 3种工作方式 图 2是 3种方 式的控制波形图 单四拍与双 四拍的步距角相等 但单四拍的转动力矩小 八拍工作方式的步距角 是单四拍与双四拍 的一半 因此 八拍工作方式既 可以保持较高 的转动 力矩又可 以提高 控制精度 如果在不改变相数的情况下 还能实现更加精确的 步距角度控制吗 这个就是 步进 电机细分控制理 论想要解决 的问题 脉 冲 A相 几 n n B 相 f 1 n几r 1 l n r 厂 1 n n几 几r r a 单 四拍 b 双 四拍 图 2步进 电机工作时序波形 图 F i g 2 S t e p p i n g mo t o r t i mi n g d i a g r a m o f w o r k 1 2 步进 电机细分控制原理 我们以二相步进 电机为例 我们按照图 3上所 示的 8个状态周而复始进行变化 电机就顺 时针转 动 每转动一步 为 4 5 8个 脉冲电机转一周 其 中 当 A相和 B相同时通电时 A B相 的合力刚好 使转子在 4 5 平衡 这是 因为 A B相的电流大小一 样大 产生的合力正好 在 4 5 获得平衡 那么 如 果改变 A B相电流I 大小 让它们在两相夹角范围 内产生几个不 同的平衡位置 就可以不用改变相数 的情况下 在两相 的夹 角间实现细分转动角 的控 制 J 即图示的两相步进 电机也 能实现 8拍 的控 制 AA AA BB BB BB AA AA AA BB BB BB AA 图 3 步进 电机细分原 理图 F i g 3 S t e p p i n g mo t o r s u b d i v i s i o n c o n t r o l p r i n c i p l e d i a gra m 该理论对两相步进 电机 的控制 可 以实现 l 2 1 4 1 8 1 2 5 6的细分 但是 当细分 数大于 1 4 之后 电机的定位精度并不能获得提高 只是 使电动机的转动更加平稳 B 2 步进电机细分控制的硬件结构设计 2 1 方案的确定 在控制对象是两相步进电机时 如果要进行细 1 07 一 一舢 贵州师范大学学报 自然科学版 第 3 0卷 分控制 可以选择使用专用的细分控制芯片来进行 设计 比如东芝公 司生产 的 T A 8 4 3 5 美 国 A l l e g r o Mi c r o S y s t e m s 公 司生产的 A 3 9 7 7系列细分转角 精 确控制芯片及其制成品 它能根据设定来生成 指 定细分数的两相电流控制信号 但是该方法只适用 于两相步进 电机 对四相步进电机就不能产生所需 的四路电流值 考虑到细分控制的关键是各相 电流的变化不 再是 0和最大值的交替变化 而是此消彼长 J 同 时 对于四相步进电机而言 也不需要各相有反相 电流的变化 采用单片机控制 4个 D A转换器产 生变化的模拟电流来控制四相线圈的交替接通 即 可以实现在 四相步进电机的控制基础上 提高电机 的运转平稳度 本 设计就采 用 S T C 8 9 C 5 1配合 4 个 D A转换 芯片 D A C 0 8 3 2来完成 对小型 四相 步 进电机的控制 2 2 系统硬件结构 系统的主要结构 图如图 4所示 整个系统主要 利用 D A C 0 8 3 2的双缓冲特性 将各 D A C数模转换 芯片的第一级锁存信号各 自分配独立的地址线进 行连接 方便单片机使能不 同的地址线 将各 自需 转换的数字量送入各 D A C芯片的第 1级锁存器进 行锁存 当4个 D A C 0 8 3 2要转换输 出的数字量都 装入以后 同时使 能连接在一起 的第 2级缓存 信 号 达到同时启动 4个 D A C数模转换器同时转 换 输出的目的 A B C D P 2 O I D O A I c o u 8 t l 3 2 1 I o u t l Io u t l I o u t l I WR 2 D A C 0 8 3 2 2 D AC 0 8 3 2 3 DA C 0 8 3 2 4 P 2 4 I WnL W R1 D7 DO W R2 W Rl D7 D0 W R2 W R1 D7 D0 S T C 8 9 C 5 1 J P 2 5 P 0 7 P o O P 2 6 P 2 7 图 4 系统主要信号硬件连接图 Fi g 4 S y s t e m ma i nl y s i g n a l h a r d wa r e c o nn e c t i o n d i a g r a m 由于 D A转换的特点 随着数字量的增加或 据量的大小系数即可 如 A相系数按余弦从 1 一 减少 输出的电流I o u t l 值相应地增加或减少 就可0 则 B相正弦从 0 1 此过程 c D相系数都为 0 以实现输出到步进电机各相电流大小的控制 在 某一相系数升到 1 后 改余弦来求系数 其下一相 实验型四相小型步进电机的控制中 可以直接使用 按正弦求系数 其余相保持为0 按上述过程可以 D A C 0 8 3 2的输出作为各相电流的输入信号 如果 按所 需 的 细 分 数 求 出 若 干 组 数 据 存 放 在 要用于控制大中型的步进电机 那么就需要进行输 S T C 8 9 C 5 1的 E E P R O M里面 然后采用查表 的方式 出信号的放大 以达到系统的需要 相关 的放大电 来进行细分控制 的软件设 计 查 表部分 的程序 路这里就不再给出 流程 图如图 5所示 3 步进电机细分控制程序设计 4 结束语 本设计使用的是 S T C 8 9 C 5 1单片机 编程软件 环境为 K E I L 用 C 5 1 语言进行源程序 的设计 采用 S T C I S P专用下载程序将编译成功的 H E X文件装 载进单片机 的手段来完 成软件 的设计及调试 6 J 在细分控制的软件设计中 最重要的就是确定细分 控制信号波形的数据 四相步进 电机 中 相邻两相 电流按一个正弦变化 相邻一个余弦变化 的关系 按 r r 2 细分数 求正弦和余弦值来作为转换数 1 08 针对步进 电机的细分控制进行分析研究 提 出 了采 用 S T C 8 9 C 5 1单 片 机 作 为 主 控 芯 片 通 过 D A C 0 8 3 2数模转换 芯片构成 转换 电路 产 生 了 4 路可控大小的电流输 出用 以控制 四相 步进 电机的 方法 实现了四相步进 电机的细分控制 使四相 电 机可以产生大于8 拍的转角控制 在连续运行时更 加平滑和稳定 能够在加深认识步进 电机控制过 程的基础上 理解 步进 电机 的细分实现方法 并为 第 2 期 郑宇 步进电机细分控制的单片机实现 四相步进电机的控制改造提供一种参考方案 在 制 目的 进而使控制更加的灵活和方便 此基础上 完全可以实现更加精确和功能丰富的控 参考文献 图 5 步进电机细分控制查表部分程序流程 图 F i g 5 S t e p p i n g mo t o r s u b d i v i s i o n c o n t r o l t a b l e l o o k u p p a r t o f t h e p r o g r a m fl o w c h a r t 4 时念科 吴美莲 脉宽调制 P WM 实现步进 电机的细 1 邹丽新 朱桂荣 精密控制系统中步进电机的电细分技 术研究 J 电子技术应用 2 0 0 5 5 3 9 41 2 许大中 贺益康 电机控制