步进电机控制系统原理

1 步进电机工作原理 图1步进电机原理图 步进电机有如下特点 给步进脉冲电机就转 不给步进脉冲电机就不转 步进脉冲频率高 步进电机转得快 步进脉冲频率低 步进电机转得就慢 改变各相的通电方式 叫脉冲分配 可以改变步进电机的运行方式 改变通电顺序 可以控制步进电机的正 反转 2 步进电机控制系统原理 图2 步进电机控制系统的组成 2 步进电机控制系统原理 1 步进控制器 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 作用 把输入脉冲转换成环型脉冲 以控制步进电机的转向 2 功率放大器把环型脉冲放大 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 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 2 步进电机控制系统原理 图3 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 在这种形式里 脉冲分配器 CH250 驱动电路由硬件完成 单片机只提供步进脉冲和正 反转控制信号 步进脉冲的产生与停止 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7CH250三相双三拍接法 图8CH250三相六拍接法 CH250环形脉冲分配器的功能关系如表1所列 讨论 单片机输出步进脉冲后 再由脉冲分配电路按事先确定的顺序控制各相的通断 一般来说 硬件一旦确定下来 不易更改 这种方案 硬设备成本高 它的应用受到了限制 怎样用软件产生步进脉冲呢 所谓软件产生就是用软件控制P3 0为1或为0的次序和长短 如果先令P3 0 1 延时一段时间 再令P3 0 0 再延时一段时间后 又令P3 0 1 如此循环 就可构成脉冲序列 延时时间的长短决定了脉冲序列的周期 而脉冲序列的周期又与步进电机的步矩有关 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 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 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 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 2 步进电机控制系统原理 主要解决如下几个问题 1 用软件的方法实现脉冲序列 2 步进电机的方向控制 3 步进电机控制程序的设计 2 步进电机控制系统原理 1 脉冲序列的生成 图4脉冲序列 2 步进电机控制系统原理 脉冲幅值由数字元件电平决定 TTL0 5VCMOS0 10V 接通和断开时间可用延时的办法控制 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 三相步进电机有三种工作方式 单三拍 通电顺序为A B C 双三拍 通电顺序为AB BC CA 三相六拍 通电顺序为A AB B BC C CA 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 2 步进电机控制系统原理 3 步进电机通电模型的建立 1 用微型机输出接口的每一位控制一相绕组 例如 用8255控制三相步进电机时 可用PC O PC 1 PC 2分别接至步进电机的A B C三相绕组 2 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 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 2 步进电机控制系统原理 三相双三拍 用P1口的P1 2 P1 1 P1 0对应C B A相进行控制 2 步进电机控制系统原理 同理 可以得出双三拍和三相六拍的控制模型 双三拍03H 06H 05H 三相六拍01H 03H 02H 06H 04H 05H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 3 步进电机与微型机的接口及程序设计 4 步进电机与微型机的接口电路 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 如8255 8155等 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 3 步进电机与微型机的接口及程序设计 图5步进电机与微型机接口电路之一 1 0 0 1 0 0 1 0 0 3 步进电机与微型机的接口及程序设计 总之 只要按一定的顺序改变P1 0 P1 2三位通电的状况 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 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6步进电机与微型机接口电路之二 0 0 1 0 1 1 1 0 0 3 步进电机与微型机的接口及程序设计 2 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 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 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7三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 ORG0100HROUNT1 MOVA N 步进电机步数 AJNB00H LOOP2 反向 转LOOP2LOOP1 MOVP1 03H 正向 输出第一拍ACALLDELAY 延时DECA A 0 转DONEJZDONEMOVP1 06H 输出第二拍ACALLDELAY 延时DECA A 0 转DONEJZDONEMOVP1 05H 输出第三拍ACALLDELAY 延时DECA A 0 转LOOP1JNZLOOP1 3 程序根据图4 46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 AJMPDONE A 0 转DONELOOP2 MOVP1 03H 反向 输出第一拍ACALLDELAY 延时DECA A 0 转DONJZDONEMOVP1 05H 输出第二拍ACALLDELAY 延时DECAJZDONE MOVP1 06H 输出第三拍ACALLDELAY 延时DECA A 0 转LOOP2JNZLOOP2DONE 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 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 循环程序作法 把环型节拍的控制模型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 节拍越多 优越性越显著 以三相六拍为例进行设计 其流程图如图8所示 图8三相六拍步进电机控制程序框图 ROUTN2 LOOP0 LOOP2 LOOP1 3 步进电机与微型机的接口及程序设计 ORG8100HROUTN2 MOVR2 COUNT 步进电机的步数LOOP0 MOVR3 00HMOVDPTR POINT 送控制模型指针JNB00H LOOP2 反转 转LOOP2LOOP1 MOVA R3 取控制模型MOVCA A DPTRJZLOOP0 控制模型为00H 转LOOP0MOVP1 A 输出控制模型ACALLDELAY 延时INCR3 控制步数加1DJNZR2 LOOP1 步数未走完 继续RET 图8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 LOOP2 MOVA R3 求反向控制模型的偏移量ADDA 07HMOVR3 AAJAMPLO