步进电机控制系统原理

1、1、 步进电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：给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；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；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。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、

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

3、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 在这种形式里，脉冲分配器（在这种形式里，脉冲分配器（CH250CH250）、驱动电路由硬件）、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。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

4、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：单片机输出步进脉冲后，再由脉冲分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配电路按事先确定的顺序控制各相的通断。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，它一般来说，硬件一旦确定下来，不易更改，

5、这种方案，硬设备成本高，它的应用受到了限制。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P3P30 0为为1 1 或或为为0 0的次序和长短。如果先令的次序和长短。如果先令P3P30=10=1，延时一段时间，再令，延时一段时间，再令P3.0P3.00 0，再，再延时一段时间后，又令延时一段时间后，又令P3P30=10=1，如此循环，就可构成脉冲序列。延时时，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

6、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。

7、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 10V10V 接通和断开时间可用延时的办法控制

8、。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 ABABBCBCCA 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

9、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.OPC.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

10、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 B0202H H3 30 00 00 00 00 01 10 00 0C C0404H H2、步进电机控制系统原理 三相双三拍三相双三拍用用 P1P1口口 的的 P1.2 P1.2 、P1.1P1.1、P1.0 P1.

11、0 对应对应 C C、B B、A A 相相 进进行控行控制制 。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 03H03H，06H06H，05H05H 三相六拍三相六拍 01H01H，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、步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计 4. 4.步进电机与微型机的接口电路步进电机

12、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 82558255、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、步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计图图5 5 步进电机与微型机接口电路之一步进电机

13、与微型机接口电路之一1 10 00 01 10 00 0 1 10 00 03、步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计 总之，总之， 只要按一定的顺序只要按一定的顺序 改变改变 P1.0P1.0P1.2 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、步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计 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。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

14、。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、步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计图图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 0

15、0 01 10 01 11 11 10 00 03、步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计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、步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计 ORGORG0100H0100HROUNT1ROUNT1：MOVMOVA A，#N#N；步进电机步数；步进电机

16、步数A A JNB JNB00H00H，LOOP2LOOP2；反向，转；反向，转 LOOP2LOOP2LOOP1LOOP1： MOVMOVP1P1，#03H#03H；正向，输出第一拍；正向，输出第一拍 ACALLACALL DELAYDELAY；延时；延时 DECDECA A；A A0 0，转，转DONEDONE JZ JZDONEDONE MOV MOVP1P1，06H06H；输出第二拍；输出第二拍 ACALLACALL DELAYDELAY；延时；延时 DECDECA A；A A0 0，转，转DONEDONE JZ JZDONEDONE MOV MOVP1P1，05H05H；输出第三拍；输

17、出第三拍 ACALLACALL DELAYDELAY；延时；延时 DECDECA A；A A0 0，转，转LOOP1LOOP1 JNZJNZ LOOP1LOOP1（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、步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计 AJMP DONE AJMP DONE ；A A0 0，转，转DONEDONELOOP2LOOP2： MOVMOV P1 P1，03H03H；反向，输出第一拍；反向，输出第一拍 ACALL DELAY ACALL DELAY ；延时；延时DEC ADEC A；A A0 0，转，转DOND

18、ON JZ JZ DONE DONE MOV P1 MOV P1，05H05H；输出第二拍；输出第二拍 ACALL DELAYACALL DELAY；延时；延时 DECDEC A A JZ JZ DONE DONE； MOVMOV P1 P1，06H06H；输出第三拍；输出第三拍 ACALL DELAYACALL DELAY；延时；延时 DECDEC A A ；A A0 0，转，转LOOP2LOOP2 JNZ JNZ LOOP2 LOOP2DONEDONE： RETRETDELAY： 3、步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计 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

19、循环程序进行设计。通常采用循环程序进行设计。3、步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计（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、步进电进电机与与微型机的接口及程序设计设计ORGORG8100H8100HROUTN2ROUTN2：MOVMOVR2R2，COUNTCOUNT；步进电机的步数；步进电机的步数LOOP0LOOP0： MOVMOVR3R3，#00H#00HMOV DPTRMOV DPTR，#POINT#POINT；送控制模型指针；送控制模型指针JNBJNB00H00H，LOOP2LOOP2；反转，转；反转，转LOOP2LOOP2LOOP1LOOP1： MOVMOVA A，R3R3；取控制模型；取控制模型MOVCMOVCA A，A+DPTRA+DPTRJZJZLOOP0LOOP0；控制模型为；