《单片机原理及应用》课件1第10章

第10章步进电机及其控制10.1步进电机的工作原理10.2步进电机的控制系统10.3步进电机的驱动10.4设计课目与演练

——步进电机单相驱动设计小结

习题

步进电机是一种将脉冲信号转换成角位移或线位移的电磁机械装置，也是一种能把输出机械位移增量和输入数字脉冲对应的驱动器件。步进电机具有快速启停能力，通过输入脉冲来控制步进电机在一瞬间的启动和停止。步进电机每转一周都有既定的步数，步进精确，步距误差不会长期积累。步进电机的这个特点非常适合单片机或者计算机的控制，常把它作为测控系统中一种常用的数字设备。本章主要介绍步进电机的种类、工作原理及驱动方法，并深入探讨如何用单片机进行加减速运行的控制。10.1步进电机的工作原理10.1.1步进电机的结构

1.步进电机的分类根据内部结构步进电机可以分为三大类，如图10-1所示。

(1)反应式步进电机(VariableReluctance，VR)。反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能差。

(2)永磁式步进电机(PermanentMagnet，PM)。永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性能好；转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。图10-1步进电机按内部结构的分类

(3)混合式步进电机(Hybrid，HB)。混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好，步距角小，是目前性能最好的步进电机。市面上的步进电机主要按照相数进行分类，又以两相、五相步进电机为主流。其结构如图10-2所示。二相步进电机每转最细可分割为400等份，步进角一般为1.8°(200等份)；五相步进电机每转最细可分割为1000等份，步进角一般为0.72°(500等份)。所以，表现出来的特性以五相步进电机较佳，加减速时间短，动态惯性较低。图10-2步进电机按相数进行的分类

2.步进电机的结构图10-3所示为一个三相反应式步进电机的结构图。由图可见，它分成转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠合而成的。定子上有六个磁极(大极)，每两个相对的磁极(N、S极)组成一对，共有三对。每对磁极都缠有同一绕组，也即形成一相，所以三对磁极上有三对绕组，形成三相。可以据此推理，四相步进电机上有四对磁极(大)、四相绕组，五相步进电机上有五对磁极(大)、五相绕组。每个磁极上都分布着多个小齿，它们大小相同，间距相同。转子是由软磁材料制成的。其外表面也均匀分布着小齿，这些小齿与定子内表面磁极上小齿的齿宽、齿距都相同。图10-3三相反应式步进电机的结构图所以，齿距角的计算公式为

式中，Z为转子的齿数。在运动过程中，定子与转子上的小齿之间保持两种状态：对齿和错齿，如图10-4所示。把定子与转子之间的小齿对齐的状态称为对齿，这个时候的磁导率最大(磁阻最小)；把定子与转子之间的小齿不对齐的状态称之为错齿，这个状态下有较大的磁阻。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提条件。所以，在步进电机的结构设计中，必须保证有错齿存在。保证错齿存在的方法是，转子的齿应沿圆周均匀分布，而定子的齿只分布在磁极上，属于不完全齿。当某一相处于对齿状态时，该相磁极上的所有小齿都与转子上的小齿对齐，而此时，其它相都处于错齿状态。如图10-3所示，A相处于对齿状态时，B相和C相处于错齿状态。(10-1)图10-4定子与转子的对齿与错齿10.1.2步进电机的工作方式

1.步进电机的步进原理如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大(磁阻最小)的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。为了详细说明这一点，下面以一种常见的小步距角的三相反应式步进电机为例，其剖面图仍然如图10-3所示。齿距展开图如图10-5所示。电机定子上有6个等分的磁极(大)，相邻两个磁极间的夹角为60°。磁极上面装有控制绕组，连成A、B、C三相。转子上均匀分布着40个齿，每个齿的齿距为9°。定子的每个极上分布着5个齿，定子和转子的齿宽和齿距都相同。而每个定子磁极的极距为60°，所以每一个极距所占的齿距数不是整数。图10-5三相电机齿距展开图现在假设A相已经对齿，那么A相旁边小齿的对应状态如图10-6(a)所示。可以看出，当A极下的定子和转子对齿时，B极和C极下的齿就分别和转子齿相错1/3的齿距，即为3°。这时若给B相通电，电机中将产生B极轴线方向的磁场，因磁通要按磁阻最小的路径闭合，这时B极下的齿就受到减小磁阻趋势方向的力，因而转子受到转动力矩的作用而逆时针方向转动。这个力一直作用到转子齿与B极上的齿对齐为止。此时，A极和C极下的齿就分别和转子齿相错1/3的转子齿距，结果使转子逆时针旋转3°。由此可见，错齿是步进电机旋转的根本原因。图10-6三相步进电机的步进原理相似地，在B相断电的同时，再给C相通电，则转子将继续逆时针旋转3°，此时A、B相又错齿1/3。当C相断电，再给A相通电时，转子又转动了1/3个齿距角，还是3°。此时，转子与A相形成对齿，与B、C两相形成错齿。至此，所有的状态恢复到与最初时一样，只不过转子累计转过了一个齿距。可见，当按A—B—C—A顺序轮流给各相绕组通电时，磁场将按A—B—C方向转过360°，转子则沿相同的方向转过了一个齿距角。同样，如果改变通电顺序，即按与上面相反的方向(A—C—B—A的顺序)通电，则转子的转向也要改变。如果将对绕组通电一次的操作称为一拍，那么前面所述的三相反应式步进电机的三相轮流一次就需要三拍。转子每拍走一步，转一个齿距角需要三拍。转子走一步所转过的角度称为步距角，计算公式为

式中，N为步进电机的工作拍数。

2.单三拍工作方式三相步进电机如果按A—B—C—A的方式循环通电工作，则称这种方式为单三拍工作方式。其中：“单”是指每拍对一相通电；“三拍”是指磁场旋转一周需要换相三次，这时转子转动一个齿距角。步距角的计算可使用式(10-2)。如果是多相步进电机，每次只对一相通电，则磁场旋转一周就需要多拍。(10-2)用单三拍方式工作时，各相通电的波形如图10-7所示。其中：电压波形是方波；由于电机是感性负载，因此电流是指数规律变化的虚线部分。由于步进电机的特点，我们希望绕组中的电流也可以像电压那样突变，这样就可以使绕组在通电时迅速建立磁场，而在断电时不会干扰其它相磁场。实际上，我们不可能把电流做到像电压那样可以突变，因为这是感性电路的特性。但是，我们可以通过改变电路的设置来尽量靠近这个目标。比如：在通电时考虑增加短时的高电压，目的就是迅速提升电流；而在断电时，要迅速消耗绕组中存在的续流，可以给续流二极管串接一只功率电阻来消耗能量。在10.3节中，还会有详细的介绍。图10-7单三拍工作方式时相电压、相电流的波形

3.双三拍工作方式双三拍的工作方式是指：每次对两相同时通电，即“双”；磁场旋转一周需要换相三次，即“三拍”，转子转动一个齿距角。这与单三拍是一样的，所以步距角的计算也是使用式(10-2)。在双三拍工作方式中，步进电机正转的通电顺序为AB—BC—CA；反转的通电顺序为BA—AC—CB。用双三拍方式工作时，各相通电的波形如图10-8所示。在每一拍中，都有两相通电，每一相的通电时间都持续两拍。所以，双三拍通电的时间长，消耗的电功率大，当然，它可以获得较大的电磁转矩。双三拍工作时所产生的磁场形状如图10-9所示。图10-8双三拍工作方式时相电压、相电流的波形图10-9双三拍工作时的磁场情况注意，双三拍工作时磁导率的最大位置并不是转子处于对齿的位置。当某两相通电时，最大磁导率的位置是转子齿与两个通电相磁极的齿分别错±1/6个齿距角的位置，而此时转子齿与另一个未通电相错1/2个齿距角。也就是说，在最大磁导率位置时，没有对齿存在。在这个位置上，两个通电相的磁极所产生的磁场，使定子与转子相互作用的电磁转矩大小相等，方向相反，从而使转子处于平衡状态。双三拍工作方式的优点是，不易产生失步。这是因为当两相通电后，两相绕组中的电流幅值不同，产生的电磁力作用方向也不同，所以，其中一相产生的电磁力起了阻尼作用。绕组中的电流越大，阻尼作用就越大。这有利于步进电机在低频区工作。4.六拍工作方式六拍工作方式是三相步进电机中单三拍与双三拍交替使用的一种方法，也称为单双六拍或1—2相励磁法。正转通电顺序为：A—AB—B—BC—C—CA；反转通电顺序为：A—AC—C—CB—B—BA。可见，磁场旋转一周需要换相六次(即六拍)，转子才转动一个齿距角，所以根据式(10-2)，六拍工作时的步距角是单三拍和双三拍的步距角的一半，也就是步进精度高一倍。此工作方式的相电压、相电流的波形如图10-10示。在使用六拍工作方式时，总是单相双相交替通电；对任一相来说，有三拍连续通电，然后有三拍连续断电。图10-10六拍工作方式时相电压、相电流的波形单三拍、双三拍、六拍这三种工作方式的区别如表10-1所示。可以看出，这三种工作方式的差别较大，但是总体以六拍方式的性能为最佳。在步进电机控制的应用中，选择合适的工作方式非常重要，所以，下一节将结合工作方式来进行控制方法的探讨。表10-1三种工作方式的比较10.2步进电机的控制系统步进电机直接接交、直流电源是不能够工作的，必须有一套专门的控制系统，用来产生符合步进电机特色的脉冲和序列，并提供必要的驱动和保护措施。典型的步进电机控制系统的原理框图如图10-11所示。其中：脉冲发生器用于产生频率变化的脉冲信号；脉冲分配器可根据方向控制信号将脉冲信号转换成有一定逻辑关系的环形脉冲；功率放大器可将脉冲分配器输出的环形脉冲放大，用于控制步进电机的运转。这些部分都可以由专门的电路来实现。如果用单片机加上专门的驱动芯片来控制步进电机，则可以简化电路，提高可靠性。步进电机是否转动是由控制绕组中输入脉冲的有无来控制的，每步转过的角度和方向是由三相控制绕组中的通电方式决定的。因此，步进电机的控制是要求单片机程序产生按一定规律变化的时序脉冲，然后通过接口和驱动放大电路来驱动步进电机的控制绕组工作。时序脉冲的控制分为硬件方法和软件方法。硬件方法可用脉冲分配器来实现，但是该方法的结构复杂，而且成本也很高。软件方法可通过单片机来实现，这不但可以简化电路，而且也可降低成本。使用单片机以软件方式来驱动步进电机，可以通过编程方法在一定范围之内自由设定步进电机的转速、往返运动的角度等，还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态而满足不同用户的要求。图10-11步进电机控制系统的原理框图10.2.1步进电机的脉冲分配步进电机的通电换相顺序是严格按照步进电机的工作方式进行的，通常把通电换相这一过程称为“脉冲分配”。实现脉冲分配的方法主要有两种：软件法和硬件法。

1.通过软件实现脉冲分配比如，用51单片机的P1口控制实现三相六拍工作方式，其接口如图10-12所示。P1.0～P1.2分别对应控制A、B、C三相的换相顺序。输出为0时，该相对应线圈通电；输出为1时，该相对应线圈断电。三相六拍对应的控制字如表10-2所示。图10-12用软件实现脉冲分配的接口示意图表10-2三相六拍控制模式的控制字对应的控制程序设计如下：

STEPPROC:MOVR0,#STEPNUM ;执行步控制，R0中对应步数

MOVR1,#00H ; R1初始化

NEXTSTEP:JBF0,ROLLBACK ;正反转判断

MOVDPTR,#TABLE ;正转控制字地址

SJMPGO_ON

ROLLBACK:MOVDPTR,#TABLE1 ;反转控制字地址

GO_ON:

MOVA,R1 ; R1用于设定步序,总是在0～2之间变化

MOVCA,@A+DPTR ;取出对应控制字

MOVP1,A ;输出控制字

ACALLDELAY ;延时

INCR1 ;修改进入下一个步序

CJNER1,#03H,NEXT;如果已经全部结束,则重新设置

MOVR1,#00H

NEXT: DJNZR0,NEXTSTEP;当前是否已经全部走完设定步数

RET

DELAY: ;请读者自己完成

RET

TABLE:

DB0FEH,0FCH,0FDH,0F9H,0FBH,0FAH;正转控制字

TABLE1:

DB0FEH,0FAH,0FBH,0F9H,0FDH,0FCH;反转控制字进一步解释：

这里没有设计延时程序，请读者自己完成。可以参考11.3.1节给出的例程，那里对延时程序作了详细的使用和计算说明。

R1用于步序的控制，而R0用于步数的控制。

在此设置F0作为正反转标志位，也可以单独设置。

对于其它节拍和相数的步进电机，也可按照这种方法进行分析。

2.通过硬件实现脉冲分配所谓硬件法，实际上就是使用脉冲分配器来进行通电换相控制。脉冲分配器有很多种，如CH224、CH250、PMM8713等。这里介绍8713集成电路芯片。

8713属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电机。对三相步进电机的工作方式有单三拍、双三拍、六拍；对四相步进电机的工作方式有单四拍、双四拍、八拍。

8713可以选择单时钟输入或双时钟输入，具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态检测等功能；所有输入端内部都设有施密特整形电路，以提高抗干扰能力。8713使用4～18V直流电源，输出电流为20mA。

8713的引脚分布如图10-13所示。各引脚功能如表10-3所示。图10-138713引脚图表10-38713引脚功能续表

8713与8031单片机的接口电路如图10-14所示。本例选用单时钟输入方式，8713的3脚为步进脉冲输入端，4脚为转向控制端，分别由P1.0和P1.1控制，工作方式为三相六拍方式。图10-148713脉冲分配器与8031单片机接口对应的控制程序段如下：

ORG0000H LJMPSTART ORG000BH ; T0中断

LJMPT0_ISR ;转到T0中断服务

ORG0100H

STEPNUMEQU100 ;定义步数

DATA1 EQU55H ;设置T1定时初始值

DATA2 EQU55H ;这个值要根据实际速度计算,下一小节会给出解释

START: MOVSP,#60H MOVTMOD,#01H ; T0定时器方式1,16位方式

MOVTH0,#DATA1 ;赋初始值

MOVTL0,#DATA2 SETBET0 ;开T0中断

SETBEA ;开中断

CLRP1.1 ;正反转控制位,0—反转，1—正转

MOVA,#STEPNUM ;两次中断产生一拍脉冲

RLA ;所以，步数乘以2 MOVR0,A ; R0作为计数器

SETBTR0 ;开始输出步进脉冲

SJMP$

T0_ISR: CLREA CLRTR0 MOVTH0,#DATA1 MOVTL0,#DATA2 CPLP1.0 ;取反步进脉冲，50%的占空比 DJNZR0,CONTINUE ;如果已经全部走完，则不再置位TR0

SJMPRETU ;

CONTINUE:SETBTR0

RETU: SETBEA RETI END进一步解释：

步进脉冲的产生使用中断方式进行控制。用TR0控制步进脉冲的开始与停止。

用R0作为步数的计数器。因为一步需要一个“拍”，即一个周期的脉冲，所以需要定时器中断两次。故R0里面存放的实际是步数的二倍值。用8位R0作计数器，则可以算得最大步数是127步。思考：如果步数超过127呢？还可以考虑用R0、R1两个作为计数器，这样就大大增加了计数范围。当然还有很多其它的方法，请读者自己考虑改进方案。

可以看出，这种方法的好处是节省了单片机硬件资源，并且简化了程序。在复杂的变速控制系统中，我们还是优先选择单片机(更多的会使用DSP)直接进行脉冲分配的方式。10.2.2步进电机的位置和速度控制上一节中的脉冲分配我们重点解决了步进电机的正反转控制问题：如果按照给定的工作方式正序通电换相，则步进电机就会正转；如果按照相反的顺序通电换相，则步进电机就会反转。另外，还有两个控制因素：位置和速度。

如果给步进电机一个控制脉冲，则它就会转一个步距角θN，再发一个脉冲，它会再转一个步距角。如果发出n个脉冲，那么步进电机就会转过n个步距角。所以，步进电机的角位移ω严格与脉冲个数成正比，并且有θ = θN·n这是角位移的计算公式。所以，只要控制脉冲个数，就可以控制步进电机的移动位置。

两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转得越快。步进电机的转速与脉冲频率成正比，并且有ω = θN·f这是角速度的计算公式。所以，当步进电机的工作方式确定后，只要调整步进脉冲的频率就可以对步进电机的速度进行控制。在上一节的例程中，我们通过控制步进电机运行一定的步数来实现一定的位置控制，所以，本节将重点放在速度的控制上。步进电机在驱动执行机构从A点移动到B点时，要经历加速、匀速、减速的过程。如果启动时一次将速度升到给定速度则由于启动频率超过极限启动频率fq，步进电机就会发生失步现象，从而导致定位的偏差甚至不能正常启动。如果高速运行到终点时突然停下来，则由于惯性作用，步进电机会发生过冲现象，也会导致位置精度降低。如果用非常缓慢的升降速控制电机，则步进电机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。所以要研究步进电机的加减速，保证在不失步和不过冲的前提下，使工作机构用最快的速度(或最短的时间)移动到指定位置。为了满足起步和停止时的加减速控制，通常按照加减速曲线进行控制。最简单的曲线是匀加速和匀减速曲线，如图10-15所示，加、减速曲线都是直线，因此容易编程实现。但要注意，曲线的斜率不要太大，否则也会因为加速度太大而导致失步或过冲。图10-15匀加、减速曲线步进电机的运行还可根据距离的长短分如下三种情况进行处理：

短距离：由于距离较近，步进电机来不及升到最高速，因此在这种情况下，步进电机以接近启动频率运行，运行过程中没有加、减速过程。

中短距离：在这样的距离里，步进电机没有匀速过程，只有加、减速过程。

中长距离：不仅有加、减速过程，还有匀速过程。由于距离较远，要尽量缩短用时，保证快速反应，因此，在加速时，尽量用接近启动频率启动；在匀速时，尽量用最高速运行；减速段不应无原则地延长，要在不过冲的前提下，尽量缩短时间。这些数据需要根据实践经验和现场测试手段来获得。前面的例程都采用了匀速的控制方式。减速过程是加速过程的逆过程，为了理解加、减速过程，这里单独给出一个启动加速的程序设计。

1.功能说明仍然采用如图10-14所示的电路，使用P1.0产生步进脉冲。现在要求在启动后的250步内使用逐渐加速启动的方法，然后维持在最后输出的频率值上。本程序设计的输出脉冲波形如图10-16所示。假设使用的晶振频率为12MHz，即机器周期T = 1μs。图10-16步进电机启动加速过程的脉冲波形

2.设计原理分析类似这种持续较长时间的设计，我们优先选择的还是定时中断方式，否则，会占用大量的CPU资源，对于动态显示或者其他需要变化的检测等操作无暇顾及。定时器每一次中断都要让P1.0取反，要连续两次中断才会发送一个完整的步进脉冲，计为一步，所以取R0赋初值02H，每次中断后执行减1判零操作，为0时则一步完成。定时器使用模式1，使用16位计数器，可以提供较大的计数范围。本程序中定时器的初始值为00E0H，此时定时时间为t = (10000H - 00E0H) × 1μs = 65312μs为半周期，所以，第一个步进脉冲的频率为如果我们每步给计数初始值增加00E0H，那么，第二个步进脉冲的频率为故第250个步进脉冲的频率为应当保证第一个步进脉冲的频率不大于步进电机的启动频率，最后一个步进脉冲的频率不大于步进电机的最高运行频率。用R2来计数250步，步数到以后就不再修改计数器的初始值，否则继续加OE0H。所以，设计标志位F0作为是否继续改变频率的标志，F0置位后将不再加速。

3.程序设计

ORG0000H LJMPSTART ORG000BH

LJMPT0_ISR ORG0100H

STEPWIDTH EQU0E0H ;计数初值增进量

STEPNUM EQU250 ;加速阶段步数

TNL

EQU0E0H ;定时器初始值

TNH

EQU00H

START: MOVSP,#60H MOVTMOD,01H ; T0定时器方式1,16位

MOVTL0,#TNL ;初始值MOVTH0,#TNH MOVR2,TL0 ; R2、R3用于递增计数初始值

MOVR3,TH0 SETBP1.0 ;初始状态为高电平

CLRF0 ;加速结束标志位,置位则结束

SETBET0 ;开定时器0中断

SETBEA ;开中断

MOVR0,#02H ;计数两次中断为一个脉冲周期

MOVR1,#STEPNUM ;加速步数

SETBTR0 ;开始工作

SJMP$

T0_ISR: CLRTR0 ;关定时器

MOVTL0,R2 ;重新赋值

MOVTH0,R3 DJNZR0,HALFPULS ;判已经是第二次中断？

MOVR0,#02H ;重新赋值

SETBP1.0 ;置高

SJMPCHECKADD ;去检测是否还在加速段

HALFPULS: CLRP1.0 ;半周期脉冲，直接返回

SJMPREP

CHECKADD: JBF0,REP ;检测加速结束？

MOVA,#STEPWIDTH ;累加计数初值

ADDA,TL0

MOVTL0,A MOVR2,A

MOVA,TH0 ADDCA,#00H MOVTH0,A MOVR3,A DJNZR1,REP ;加速步数已经全部完成？

SETBF0 ;则置位F0

REP: SETBTR0 ;重启定时器

OUT: RETI END进一步：

本程序是从易于理解的角度来设计的，所以每次给计数器直接递加一个值，从而使频率逐渐增加。但这种方法得到的脉冲频率并不是线性增加的，读者可以自行验证。

在加速过程中步进电机已经移动到位怎么办？根据前面的分析，我们首先要对步进电机欲移动的步数作分析，然后找出加速段、匀速段和减速段的合理配置方案。在设计程序时要考虑这些情况。思考题：步进电机移动500步，前面的200步加速，后面的200步减速，中间的100步匀速，请设计这个程序。10.3步进电机的驱动步进电机的驱动方式有多种，这里介绍几种常用驱动方式的工作原理及与单片机的接口。10.3.1双电压驱动双电压驱动的基本思路是：在低频段使用较低的电压驱动，目的是减弱低速时因能量过大而易造成的震荡和过冲现象；在高频段使用较高的电压驱动，以补偿高速时因换相频率过高而造成能量供给不足的现象。双电压驱动原理及与单片机的接口电路如图10-17所示。图10-17双电压驱动原理及与8031的接口电路当电动机工作在低频段时，P1.2关闭V1管，此时由UL供电。当电动机工作在高频段时，P1.2控制打开V1管，此时绕组电压由高电压UH提供。V2管则是由步进脉冲控制通断，给绕组提供步进脉冲。这种驱动可以很好地提高步进电机的高频性能。10.3.2斩波驱动步进电机常用于开环控制，频繁的换相使电流的波形起伏较大，这样会影响转矩的变化。斩波恒流驱动可以解决这个问题。斩波恒流驱动的原理图如图10-18所示。V1是一个高频开关管。V2开关管的发射极接一只小电阻R(电流取样电阻)，电机绕组的电流经这个电阻接地。比较器的一端接参考电压UREF，另一端接取样电阻上压降，当取样电压低于参考电压时，比较器输出高电平。图10-18斩波恒流驱动的原理图和波形图当控制脉冲ui为低电平时，V1和V2两个开关管均截