步進電機是機電控制中一種常用的執行機構,它的用途是將電脈沖轉化為角位移,通俗地說:當步進驅動器接收到一個脈沖信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(及步進角)。通過控制脈沖個數即可以控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調速的目的。
一、步進電機常識 常見的步進電機分三種:永磁式(PM),反應式(VR)和混合式(HB),永磁式步進一般為兩相,轉矩和體積較小,步進角一般為7.5度 或15度;反應式步進一般為三相,可實現大轉矩輸出,步進角一般為1.5度,但噪聲和振動都很大。在歐美等發達國家80年代已被淘汰;混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相:兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。
二、永磁式步進電機的控制 下面以電子愛好者業余制作中常用的永磁式步進電機為例,來介紹如何用單片機控制步進電機。 圖1是35BY型永磁步進電機的外形圖,圖2是該電機的接線圖,從圖中可以看出,電機共有四組線圈,四組線圈的一個端點連在一起引出,這樣一共有5根引出線。要使用步進電機轉動,只要輪流給各引出端通電即可。將COM端標識為C,只要AC、 C、BC、 C,輪流加電就能驅動步進電機運轉,加電的方式可以有多種,如果將COM端接正電源,那么只要用開關元件(如三極管),將A、 、B、 輪流接地。 下表列出了該電機的一些典型參數: 表1 35BY48S03型步機電機參數 型號 步距角 相數 電壓 電流 電阻 最大靜轉距 定位轉距 轉動慣量 35BY48S03 7.5 4 12 0.26 47 180 65 2.5 有了這些參數,不難設計出控制電路,因其工作電壓為12V,最大電流為0.26A,因此用一塊開路輸出達林頓驅動器(ULN2003)來作為驅動,通過P1.4~P1.7來控制各線圈的接通與切斷,電路如圖3所示。開機時,P1.4~P1.7均為高電平,依次將P1.4~P1.7切換為低電平即可驅動步進電機運行,注意在切換之前將前一個輸出引腳變為高電平。如果要改變電機的轉動速度只要改變兩次接通之間的時間,而要改變電機的轉動方向,只要改變各線圈接通的順序。

圖1 35BY48S03型步進電機外形圖
 圖2 35BY48S03型步進電機的接線圖

圖3 單片機控制35BY48S03型步進電機的電路原理圖
三、步進電機的驅動實例 要求:控制電路如圖3所示,開機后,電機不轉,按下啟動鍵,電機旋轉,速度為25轉/分,按下加1鍵,速度增加,按下減1鍵,速度降低,最高速度為100轉/分,最低轉帶為25轉/分,按下停止鍵,電機停轉。速度值要求在數碼管上顯示出來。
1.要求分析 按上面的分析,改變轉速,只要改變P1.0~P1.3輪流變低電平的時間即可達到要求,這個時間不應采用延時來實現,因為會影響到其他功能的實現。這里以定時的方式來實現。下面首先計算一下定時時間。 按要求,最低轉速為25轉/分,而上述步進電機的步距角為7.5,即每48個脈沖為1周,即在最低轉速時,要求為1200脈沖/分,相當于50ms/脈沖。而在最高轉速時,要求為100轉/分,即48000脈沖/分,相當于12.5ms/脈沖?梢粤谐鱿卤 表1 步進電機轉速與定時器定時常數關系 速度 單步時間(us) TH1 TL1 實際定時(us) 25 50000 76 0 49996.8 26 48077 82 236 48074.18 27 46296 89 86 46292.61 28 44643 95 73 44640.155 … … … … … 100 12500 211 0 12499.2 表中不僅計算出了TH1和TL1,而且還計算出了在這個定時常數下,真實的定時時間,可以根據這個計算值來估算真實速度與理論速度的誤差值。 表中TH1和TL1是根據定時時間算出來的定時初值,這里用到的晶振是11.0592M。有了上述表格,程序就不難實現了,使用定時/計數器T1為定時器,定時時間到后切換輸出腳即可。
2.程序實現 定義DSB-1A實驗板的S1為啟動鍵,S2為停止鍵,S3為加1鍵,S4為減1鍵,程序如下: StartEnd bit 01H ;起動及停止標志 MinSpd EQU 25 ;起始轉動速度 MaxSpd EQU 100 ;最高轉動速度 Speed DATA 23H ;流動速度計數 DjCount DATA 24H ;控制電機輸出的一個值,初始為11110 111 Hidden EQU 10H ;消隱碼 Counter DATA 57H ;顯示計數器 DISPBUF DATA 58H ;顯示緩沖區
ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH JMP DISP ORG 001BH JMP DJZD ORG 30H MAIN: MOV SP,#5FH MOV P1,#0FFH MOV A,#Hidden MOV DispBuf,A MOV DispBuf+1,A MOV DispBuf+2,A
MOV DjCount,#11110111B MOV SPEED,#MinSpd ;起始轉動速度送入計數器 CLR StartEnd ;停轉狀態 MOV TMOD,#00010001B ; MOV TH0,#HIGH(65536-3000) MOV TL0,#LOW(65536-3000) MOV TH1,#0FFH; MOV TL1,#0FFH SETB TR0 SETB EA SETB ET0 SETB ET1
LOOP: ACALL KEY ;鍵盤程序 JNB F0,m_NEXT1 ;無鍵繼續 ACALL KEYPROC ;否則調用鍵盤處理程序 m_NEXT1: MOV A,Speed MOV B,#10 DIV AB MOV DispBuf+5,B ;最低位 MOV B,#10 DIV AB MOV DispBuf+4,B MOV DispBuf+3,A JB StartEnd,m_Next2 CLR TR1 ;關閉電機 JMP LOOP ORL P1,#11110000B m_Next2: SETB TR1 ;啟動電機 AJMP LOOP ;主程序結束 ;--------------------------------------- D10ms: …… ;---------延時程序,鍵盤處理中調用 KEYPROC: MOV A,B ;獲取鍵值 JB ACC.2,StartStop ;分析鍵的代碼,某位被按下,則該位為1 JB ACC.3,KeySty JB ACC.4,UpSpd JB ACC.5,DowSpd AJMP KEY_RET StartStop: SETB StartEnd ;啟動 AJMP KEY_RET KeySty: CLR StartEnd; ;停止 AJMP KEY_RET UpSpd: INC SPEED; MOV A,SPEED CJNE A,#MaxSpd,K1 ;到了最多的次數? DEC SPEED ;是則減去1,保證下次仍為該值 K1: AJMP KEY_RET DowSpd: DEC SPEED MOV A,SPEED CJNE A,#MAXSPD,KEY_RET ;不等(未到最大值),返回 MOV SPEED,#MinSpd; KEY_RET: RET
KEY: ……獲取鍵值的程序 RET
DjZd: ;定時器T1用于電機轉速控制 PUSH ACC PUSH PSW MOV A,Speed SUBB A,#MinSpd ;減基準數 MOV DPTR,#DjH MOVC A,@A+DPTR MOV TH1,A MOV A,Speed SUBB A,#MinSpd MOV DPTR,#DjL MOVC A,@A+DPTR MOV TL1,A MOV A,DjCount CPL A ORL P1,A MOV A,DjCount JNB ACC.7,d_Next1 JMP d_Next2 d_Next1: MOV DjCount,#11110111B d_Next2: MOV A,DjCount RL A MOV DjCount,A ;回存 ANL P1,A POP PSW POP ACC RETI
DjH: DB 76,82,89,95,100,106,110,115,119,123,12…… DjL: DB 0,236,86,73,212,0,214,96,163,165 ……
DISP: ;顯示程序 POP PSW POP ACC …… RETI BitTab: DB 7Fh,0BFH,0DFH,0EFH,0F7H,0FBH DISPTAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH END
3.程序分析 本程序主要由鍵盤程序、顯示器程序、步進電機驅動程序三部份組成,主程序首先初始化各變量,將顯示器的高3位消隱,步進電機驅動的各引腳均輸出高電平,然后調用鍵盤程序,并作判斷,如果有鍵按下,則調用鍵盤處理程序,否則直接轉下一步。下一步是將當前的轉速值轉換為BCD碼,送入顯示緩沖區;接著判斷StartEnd這個位變量,是“1”還是“0”,如果是“1”,則開啟定時器T1,否則關閉定時器T1,為防止關閉時某一相線圈長期通電,因此,在關閉定時器T1時,將P1.0~P1.3均置高。至此,主程序的工作即結束。這里為簡便起見,這里沒有做高位“0”消隱的工作,即如果速度為10轉/分,則顯示值“010”,讀者可以自行加入相關的代碼來處理這一工作。 步進電機的驅動工作是在定時器T1的中斷服務程序中實現的,由前述分析,每次的定時時間到達以后,需要將P1.0~P1.3依次接通,程度中用了一個變量DjCntr來實現這一功能,在主程序初始化時,該變量被賦予初值11110111B,進入到定時中斷以后,將該變量取出送ACC累加器,并在累加器中進行左移,這樣,該數值就變為1110 1111,然后將該數與P1相“與”,此時,P1.4即輸出低電平,第二次進入中斷時,先將該數取反,成為 0001 0000,然后將該數與P1相“或”,這樣,P1.4即輸出高電平,關斷了相應的線圈,然后將該數重新取出,并作左移,即 1110,1111右移成為1101 1111,將該數與P1相“與”,這樣P1.5即輸出低電平,依次類推,P1.7~P1.4即循環輸出低電平。當這一數據變為0111 1111后,需要作適當的改動,將數據重新變回 1111 0111,進行第二次循環,相關代碼,請讀者自行分析。 定時時間又是如何確定的呢?這里用的是查表的方法,首先用Excel計算得出在每一種轉速下的TH值和TL值,然后,分別放入DjH和DjL表中,在進入T1中斷程序之后,將速度值變量Speed送入累加器ACC,然后減去基數25,使其基數從0開始計數,然后分別查表,送入TH1和TL1,實現重置定時初值的目的。 看完這一部份內容以后,請讀者自行完成以下工作:
1. 更改程序,將S1定義為“啟動/停止”,而S2定義為“方向”,按下S2,切換電機旋轉方向。
2. 更改程序,要求轉速從1到100。
3. 更改程序,實現首位無效零消隱。 |