4.4 步进电机控制接口技术

4.4 步进电机控制接口技术 • 步进电机是过程控制及仪表中的主要控制元件。 1．步进电机的特点： ①快速启停； ②步进速率为200~1000步／秒； ③步进速率增加1~2倍，仍然不会失掉一步； ④定位准确，例如，先正转24步，再反转24步，电机将精确地回到原始的位置。 ⑤精度高，可以由每步90°低到每步0．36°； ⑥能直接接收数字量。微机控制技术

4.4 步进电机控制接口技术 2．步进电机的应用： • 正因为步进电机具有快速启停，精确步进以及能直接接收数字量的特点，所以使其在定位场合中得到了广泛的应用。 • 如在绘图机、打印机及光学仪器中，都采用步进电机来定位绘图笔，印字头或光学镜头。 • 在工业过程控制的位置控制系统中，做位移传感器。 • 计算机的软驱、光盘驱动器，用步进电机作精确定位。微机控制技术

4.4 步进电机控制接口技术 4.4.1 步进电机的工作原理 4.4.2 步进电机控制系统的原理 4.4.3 步进电机与微机接口及程序设计 4.4.4 步进电机步数及速度的确定方法 4.4.5 步进电机的变速控制

4．4．1 步进电机工作原理 步进电机实际上是一个数字／角度转换器，也是一个串行的数／模转换器。其结构原理，如图4—44所示。微机控制技术

4．4．1 步进电机工作原理 图4—44 步进电机原理图微机控制技术

4．4．1 步进电机工作原理 1．步进电机的构成（1）定子有6个等分的磁极，A，A'，B，B'，C，C'，相邻两个磁极间的夹角为60°。相对的两个磁极组成一相，如图4—44所示的结构为三相步进电机(A—A'相，B—B'相，C—C'相)。当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极立即形成N极和S极，每个磁极上各有5个均匀分布的矩形小齿。微机控制技术

4．4．1 步进电机工作原理 （2）转子没有绕组，由40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9°。当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度，使转子齿和定子齿对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。微机控制技术

4．4．1 步进电机工作原理 2．运行（1）A相通电时,B、C两相都不通电，在磁场的作用下，使转子齿和A相的定子齿对齐。若以此作为初始状态，设与A相磁极中心对齐的转子齿为0号齿; （2）由于B相磁极与A相磁极相差120°，且120°／9°＝13 3/9 不为整数，所以，此时转子齿不能与B相定子齿对齐，只是13号小齿靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3°，如果此时突然变为B相通电，而A、C两相都不通电，则B相磁极迫使13号转子齿与之对齐，整个转子就转动3°，此时，称电极走了一步。 (3) 按照ABCA顺序通电一周，则转子转动9°。微机控制技术

4．4．1 步进电机工作原理 3.几点说明（1）步进电机旋转的根本原因是错齿；（2）齿距角= （Zr为转子齿数）（3）步距角 (4—3) 式中，N=McC为运行拍数，其中Mc为控制绕组相数；C为状态系数。采用单三拍或双三拍时，C=1，采用单六拍或双六拍时，C＝2。（4）通电一周，转子转过一个齿距角，N为几，一个齿距角分几步走完。微机控制技术

4．4．2 步进电机控制系统原理 图4—45 步进电机控制系统的组成微机控制技术

4．4．2 步进电机控制系统原理 典型的步进电机控制系统，步进电机控制系统主要是由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。 ★ 步进控制器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。作用:把输入的脉冲转换成环型脉冲，以便控制步进电机，并能进行正、反向控制。微机控制技术

4．4．2 步进电机控制系统原理 ★ 功率放大器 • 把控制器输出的环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。 • 采用计算机控制系统，由软件代替上述步进控制器。（简化了线路，降低了成本，提高可靠性） • 采用微型机控制，可根据系统的需要，灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。典型的微型机控制步进电机系统原理图，如图4—46所示。微机控制技术

4．4．2 步进电机控制系统原理 图4—46 用微型机控制步进电机原理系统图微机控制技术

4．4．2 步进电机控制系统原理 图4—46与图4—45相比， • 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。 • 每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲，它便沿着转向控制线信号所确定的方向走一步。 • 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。微机控制技术

4．4．2 步进电机控制系统原理 本课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。微机控制技术

4．4．2 步进电机控制系统原理 1．脉冲序列的生成步进电机控制软件中必须解决的一个重要问题，就是产生周期性脉冲序列。图4—47 脉冲序列微机控制技术

4．4．2 步进电机控制系统原理 脉冲用周期、脉冲高度、接通与断开电源的时间表示。 ★ 脉冲幅值由数字元件电平来决定的， TTL 0~5V， CMOS 0~10V ★ 接通和断开时间可用延时的办法来控制。要求：确保步进到位。微机控制技术

4．4．2 步进电机控制系统原理 但由于步进电机的“步进”是需要一定的时间的，所以在送一高脉冲后，需延长一段时间，以使步进电机达到指定的位置。由此可见，用计算机控制步进电机实际上是由计算机产生一系列脉冲波。微机控制技术

4．4．2 步进电机控制系统原理 2．方向控制常用的步进电机有三相、四相、五相、六相四种，其旋转方向与内部绕组的通电顺序有关。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 ；微机控制技术

4．4．2 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关于四相、五相、六相的步进电机，其通电方式和通电顺序与三相步进电机相似，读者可自行分析。本书主要以三相步进电机为例进行讲述。微机控制技术

4．4．2 步进电机控制系统原理 3.步进电机的方向控制方法是：（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，如上面讲的三种控制方式的数学模型分别为：微机控制技术

4．4．2 步进电机控制系统原理 ★三相单三拍微机控制技术

4．4．2 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。微机控制技术

4．4．3 步进电机与微型机的接口及程序设计 1.步进电机与微型机的接口电路由于步进电机的驱动电流比较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口电路及驱动电路。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，其原理接口电路如图4—48和4—49所示。微机控制技术

4．4．3 步进电机与微型机的接口及程序设计 图4—48 步进电机与微型机接口电路之一微机控制技术

4．4．3 步进电机与微型机的接口及程序设计 在图4—48中，当PC口的某一位（如PC0）输出为0时，经反向驱动器变为高电平，使达林顿管导通，A相绕组通电。反之，当PC0＝1时，A相不通电。由PC1和PC2控制的B相和C相亦然。总之，只要按一定的顺序改变PC0~PC2三位通电的顺序，则可控制步进电机按一定的方向步进。微机控制技术

4．4．3 步进电机与微型机的接口及程序设计 图4—49与图4—48的区别是在微型机与驱动器之间增加一级光电隔离。当PC 0输出为1，发光二极管不发光，因此光敏三极管截止，从而使达林顿管导通，A相绕组通电。反之，当PC0=0，经反相后，使发光二极管发光，光敏三极管导通，从而使达林顿管截止，A相绕组不通电。现在，已经生产出许多专门用于步进电机或交流电机的接口器件（或接口板），用户可根据需要选用。微机控制技术

4．4．3 步进电机与微型机的接口及程序设计 图4—49 步进电机与微型机接口电路之二微机控制技术

4．4．3 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。因此，步进电机控制程序就是完成环型分配器的任务，从而控制步进电机转动，以达到控制转动角度和位移之目的（1）程序框图下面以三相双三拍为例说明这类程序的设计，微机控制技术

微机控制技术 图4.50 三相双三拍步进电机控制程序流程图

ORG 0100H ROUNT1：MOV A，#N ；步进电机步数→A JNB 00H，LOOP2 ；反向，转 LOOP2 LOOP1： MOV P1，#03H ；正向，输出第一拍 ACALL DELAY ；延时 DEC A ；A＝0，转DONE JZ DONE MOV P1，06H ；输出第二拍 ACALL DELAY ；延时 DEC A ；A＝0，转DONE JZ DONE MOV P1，05H ；输出第三拍 ACALL DELAY ；延时 DEC A ；A≠0，转LOOP1 JNZ LOOP1 4．4．3 步进电机与微型机的接口及程序设计（2）程序根据图4-50 可写出如下步进电机控制程序微机控制技术

4．4．3 步进电机与微型机的接口及程序设计 AJMP DONE ；A＝0，转DONE LOOP2：MOV P1，03H ；反向，输出第一拍 ACALL DELAY ；延时DEC A；A＝0，转DON JZ DONE MOV P1，05H ；输出第二拍 ACALL DELAY ；延时 DEC A JZ DONE ； MOV P1，06H ；输出第三拍 ACALL DELAY ；延时 DEC A ；A≠0，转LOOP2 JNZ LOOP2 DONE： RET DELAY： 微机控制技术

4．4．3 步进电机与微型机的接口及程序设计 以上程序设计方法对于节拍比较少的程序是可行的。但是，当步进电机的节拍数比较多（如三相六拍、六相十二拍等）时，用这种立即数传送法将会使程序很长，因而占用很多个存储器单元。所以，对于节拍比较多的控制程序，通常采用循环程序进行设计。微机控制技术

4．4．3 步进电机与微型机的接口及程序设计 （3）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4—51所示。微机控制技术

ROUTN2 LOOP0 LOOP2 LOOP1 微机控制技术图4—51 三相六拍步进电机控制程序框图

ORG 8100H ROUTN2：MOV R2， COUNT ；步进电机的步数 LOOP0：MOV R3， #00H MOV DPTR，#POINT；送控制模型指针 JNB 00H， LOOP2 ；反转，转LOOP2 LOOP1： MOV A， R3 ；取控制模型 MOVC A， @A+DPTR JZ LOOP0；控制模型为00H，转LOOP0 MOV P1， A ；输出控制模型 ACALL DELAY ；延时 INC R3 ；控制步数加1 DJNZ R2， LOOP1；步数未走完，继续 RET 4．4．3 步进电机与微型机的接口及程序设计图4-47所示三相六拍步进电机控制程序如下：微机控制技术

4．4．3 步进电机与微型机的接口及程序设计 LOOP2： MOV A，R3 ；求反向控制模型的偏移量 ADD A，#07H MOV R3，A AJAMP LOOP1 DELAY：；延时程序  POINT DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H ；正向控制模型 DB 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H ；反向控制模型 COUNT EQU 30H, POINT EQU 0150H 微机控制技术

4．4．4 步进电机步数及速度的确定方法 两个重要的参数: • 步数 N 控制步进电机的定位精度。 • 延时时间 DELAY 控制其步进的速率。微机控制技术

4．4．4 步进电机步数及速度的确定方法 1. 步进电机步数的确定步进电机常被用来控制角度和位移。（控制旋转变压器或多圈电位器的转角。穿孔机的进给机构、软盘驱动系统、光电阅读机、打印机、数控机床等也都用步进电机精确定位）。【例】用步进电机带动一个10圈的多圈电位计来调整电压。假定其调节范围为10V，现在需要把电压从 2V 升到 2.1V。步进电机的行程角度为微机控制技术

4．4．4 步进电机步数及速度的确定方法 ★ 用三相三拍（步距角为3°）步数为 N＝36°/3°＝12(步)。 ★ 用三相六拍（步距角为1.5°），步数为 N＝36°/1.5°＝24(步)。可见： ① 改变步进电机的控制方式，可以提高精度， ② 在同样的脉冲周期下，步进电机的速率将减慢。同理，也可以求出位移量与步数之间的关系。微机控制技术

4．4．4 步进电机步数及速度的确定方法 2. 步进电机控制速度的确定步进电机的步数是提高精度的重要参数之一。在某些场合，不但要求能精确定位，而且还要求在一定的时间内到达预定的位置，这就要求控制步进电机的速率。步进电机速率控制的方法就是改变每个脉冲的时间间隔，也即改变延时时间。例如，步进电机转动10圈需要2秒钟，则每步进一步需要的时间为所以，只要在输出一个脉冲后，延时833微秒，即可达到上述之目的。微机控制技术

4.4.5 步进电机的变速控制 即电机每秒钟转过的角度和控制脉冲频率相对应的工作状态 • 多数任务都希望能尽快地达到控制终点。要求步进电机的速率尽可能快一些。 • 速度太快，可能产生失步。 • 一般步进电机对空载最高启动频率都有所限制。带负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。 • 步进电机的矩频特性：启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差。转子从静止状态不失步地步入同步状态的最大控制脉冲频率。微机控制技术

4.4.5 步进电机的变速控制 措施： • 启动的瞬间采取加速的措施。升频的时间约为 0.1～1s 之间。 • 从高速运行到停止也应该有减速的措施。减速时的加速度绝对值常比加速时的加速度大。即引入变速控制程序：以最快的速度走完所规定的步数，而又不出现失步。如图4.52所示。微机控制技术

4.4.5 步进电机的变速控制 图4.52 变速控制中频率与步长之间的关系微机控制技术

4.4.5 步进电机的变速控制 几种变速控制的方法。 1. 改变控制方式的变速控制例如: 在三相步进电机中， • 启动/停止时，用三相六拍，(0.1s) • 高速运行时改用三相三拍的分配方式； • 快到终点时，再用三相六拍的控制方式。微机控制技术

4.4.5 步进电机的变速控制 2. 均匀改变脉冲时间间隔的变速控制 ① 步进电机的加速/减速控制，可用均匀地改变脉冲时间间隔来实现。 ( 即均匀地减少（或增加）延时程序中的延时时间常数 )。 ②优点:由于延时的长短不受限制，使步进电机的工作频率变化范围较宽。微机控制技术

4.4.5 步进电机的变速控制 3. 采用定时器的变速控制 ① 方法:将定时器初始化，每隔一定的时间，向CPU申请一次中断。 CPU 响应中断后，便发出一次控制脉冲。 ② 只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加速（或减速）的目的。微机控制技术

4.4 步进电机控制接口技术