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1、91第九章第九章 MCS-51单片机与步进电机接口单片机与步进电机接口 特点：步进电机能接受步进脉冲的控特点：步进电机能接受步进脉冲的控 制一步一步地旋转。制一步一步地旋转。 用途：步进电机成了计算机应用项目中的主要执行元件之一，用途：步进电机成了计算机应用项目中的主要执行元件之一，尤其在精确定位场合中得到了广泛的应用；尤其在精确定位场合中得到了广泛的应用； 内容：简述步进电机的工作原理，讨论它与单片机接口的电内容：简述步进电机的工作原理，讨论它与单片机接口的电路以及应用的方法。路以及应用的方法。 。9291 步进电机简述一、步进电机原理 步进电机的转子上均匀地分布着步进电机的转子上均匀地分布
2、着4040个齿，齿间个齿，齿间（齿距）夹角为（齿距）夹角为9 9（360360/40/40）, ,定子上有定子上有6 6个大个大齿，相差齿，相差180180的两个大齿组成一相，共有的两个大齿组成一相，共有A A、三相。每个大齿上有若干个与转子上一样的小三相。每个大齿上有若干个与转子上一样的小齿。定子的每一相都有励磁绕组。齿。定子的每一相都有励磁绕组。93二、步进电机的运行方式二、步进电机的运行方式 1 1三相三拍运行方式三相三拍运行方式 (1(1）当）当A A相通电时，相通电时，B B相、相不通电：相、相不通电： A A相定子上的齿与转子上的齿对齐（通电后磁场相定子上的齿与转子上的齿对齐（通电
3、后磁场力作用的结果），迫使电机旋转力作用的结果），迫使电机旋转3 3 B B相定子上的齿顺时针超前转子上相应的齿相定子上的齿顺时针超前转子上相应的齿3 3 C C相定子上的齿顺时针超前转子上相应的齿相定子上的齿顺时针超前转子上相应的齿6 6 94 (2(2）当）当B B相接通电时，相接通电时，A A相、相、C C相不通电：相不通电： B B相齿对齐，电机旋转相齿对齐，电机旋转3 3；C C相超前相超前3 3相超前相超前 (3 (3）当）当C C相通电时，相通电时，B B相、相、A A相相不通电。不通电。 C C相齿对齐，电机旋转相齿对齐，电机旋转3 3；A A相超前相超前3 3；相超前；相超前
4、6 6 95 因此，如果定子因此，如果定子A A、B B、C C三相按三相按 ABCAABCA 的顺序依次通电，则步进电机将不断地按顺时的顺序依次通电，则步进电机将不断地按顺时针方向转动。每一次通电转针方向转动。每一次通电转，每三次通电，每三次通电才走完一个齿距，因此叫三相三拍。才走完一个齿距，因此叫三相三拍。 每一次通电转动的固定角叫步距角每一次通电转动的固定角叫步距角 。 显然，三相三拍运行时，步距角显然，三相三拍运行时，步距角 。 96 假如某次通电后，控制脉冲不再来，则电机转假如某次通电后，控制脉冲不再来，则电机转子齿和某相对齐后就停止转动，叫做位状态。子齿和某相对齐后就停止转动，叫做
5、位状态。 如果把顺时针叫正转，那么当通电顺序按如果把顺时针叫正转，那么当通电顺序按 ACBAACBA 进行时，则电机反时针旋转，叫反转。进行时，则电机反时针旋转，叫反转。 可见控制步进电机正转反转只是三相绕组通电可见控制步进电机正转反转只是三相绕组通电顺序不同而已。顺序不同而已。97 2 2三相六拍运行方式三相六拍运行方式 当当A A相通电时，相通电时，A A相定子齿与转子齿对齐，相定子齿与转子齿对齐，此后，如果让此后，如果让A A、B B两相同时通电，可以发两相同时通电，可以发现转子转动现转子转动1 15 5。再让。再让A A相断电、相断电、B B相通相通电，又可发现转子再转电，又可发现转子
6、再转1.51.5。 所以按照所以按照 AABBBCCCAAAABBBCCCAA 的顺序控制，电机将按顺时针方向旋转，的顺序控制，电机将按顺时针方向旋转，每步转动每步转动1 15 5，即步距角，即步距角 =1=15 5， 由 于 要 经 过由 于 要 经 过 6 6 步 才 走 完 一 个 齿 距步 才 走 完 一 个 齿 距（6 61 15 5=9=9），所以叫三相六拍。），所以叫三相六拍。98 如果要使步进电机反转，只要按如果要使步进电机反转，只要按 AACCCBBBAAACCCBBBA顺序通电就行了。顺序通电就行了。 结论结论：从上面两种运行方式可看出，从上面两种运行方式可看出，错齿是促使
7、步错齿是促使步进电机旋转的根本原因进电机旋转的根本原因，当某相通电，相应的齿对，当某相通电，相应的齿对齐，迫使电机旋转一个步距角，未通电的各相的齿齐，迫使电机旋转一个步距角，未通电的各相的齿出现了新的错位。改变通电的顺序和通电的相数，出现了新的错位。改变通电的顺序和通电的相数，可组合出其它的运行方式。可组合出其它的运行方式。 讨论讨论：三项三拍和三项六拍运行方式，哪种定位三项三拍和三项六拍运行方式，哪种定位更精确？更精确？ 99三、三、步进电机有如下特点步进电机有如下特点：v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；v步进脉冲频率高，步进电机转得快
8、；步进脉冲频率步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢；低，步进电机转得就慢；v改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进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；电机的运行方式；v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。 91092 步进电机步进电机与与MCS-51MCS-51单片机的接口单片机的接口 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 在这种形式里，脉冲分配器（在这种形式里，脉冲分配器（CH250CH250）
9、、驱动电路由硬）、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的产生与停止、步进脉冲的频率和个数都可用软件控制。 911 讨论：讨论： v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配电路按事先确定的顺序控制各相的通断。顺序控制各相的通断。v一般来说，硬件一旦确定下来，不易更改，这种方案，硬一般来说，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。设备成本高，它的应用受到了限制。 v怎样用软件产生步进脉冲呢
10、？所谓软件产生就是用软件控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制P3P30 0为为1 1 或为或为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，延时一段时间，再令一段时间，再令P3.0P3.00 0，再延时一段时间后，又令，再延时一段时间后，又令P3P30=10=1，如此循环，就可构成脉冲序列。延时时间的长短，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。下面提供了一个产生步进脉冲的子程序。的步矩有关。下面提供了一个产生步进脉冲的子程序。9
11、12 SUBSUB： SETB P3SETB P30 0 SETB P3 SETB P30 0 ；保证输出高电平的时间；保证输出高电平的时间5s5s SETB P3 SETB P30 0 CLR P3 CLR P30 0 ；变为低电平；变为低电平 MOV R7MOV R7，30H30H LOOP LOOP： NOP NOP ；软件延时程序：；软件延时程序： NOP NOP ；基本延时（；基本延时（10s10s时间常数）时间常数） NOP NOP DJNZ R7,LOOP DJNZ R7,LOOP RET RET时间常数事先可装入时间常数事先可装入30H30H单元，改变单元，改变30H30H单元
12、的内容就可改单元的内容就可改变延时长短变延时长短 P3.0P3.0输出脉冲波形输出脉冲波形913 2 2由软件完成脉冲分配工作由软件完成脉冲分配工作 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。 硬件的主要任务是完成驱动功能硬件的主要任务是完成驱动功能。如图单片机直接带动步进电机的一种接口方案，接口并不复杂，单片机P1的低三位被设成输出位，P10控制A相绕组通断，P11控制B相，P12控制C相。914以以A A相控制为例相控制为例： 当当P1P10 0输出为输出为1 1，发，发光管不发光，因此光敏二极光管不发光，因此光敏二
13、极管截止，使担负驱动任务的管截止，使担负驱动任务的达林顿管导通。达林顿管导通。A A相绕组通电。相绕组通电。 相反，当相反，当P100发发光管发光光管发光光敏管导通光敏管导通达达林顿管截止林顿管截止A相绕组不通相绕组不通电。电。 915v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，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，万一驱动电机与步进电机功率回路的共地干扰，此外，万一驱动电
14、路发生故障。也不致让功放中较高的电压串入单片机而路发生故障。也不致让功放中较高的电压串入单片机而使其损坏。使其损坏。v怎样用软件完成脉冲分配呢？怎样用软件完成脉冲分配呢？ 所谓脉冲分配就是用软件改变所谓脉冲分配就是用软件改变P1P1口低三位的输出值，口低三位的输出值，进而达到控制三相绕组的通电顺序和通电方式之目的。进而达到控制三相绕组的通电顺序和通电方式之目的。 9161 1、软件选择单三拍的工作方式、软件选择单三拍的工作方式 单三拍的通电方式为单三拍的通电方式为ABCAABCA，要想达到这个，要想达到这个目的，只需依次向目的，只需依次向P1P1口输出如下控制字：口输出如下控制字： P1.2
15、P1P1.2 P11 P11 P10 0 编码编码 （C C相）（相）（B B相）相） （A A相）相） 0 0 1 0 0 1 （01H01H）A A相通，相通，B B、C C相断相断 0 1 0 0 1 0 （02H02H） B B相通，相通，A A、C C相断相断 1 0 0 1 0 0 （04H04H） C C相通，相通，A A、B B相断相断917 在控制字间也应加入软件延时来保证一定的时间间隔。在控制字间也应加入软件延时来保证一定的时间间隔。假定要求时间间隔为假定要求时间间隔为1ms，控制电机按三相三拍正转的程序是：，控制电机按三相三拍正转的程序是：ZHEN：MOV P1， 01H
16、 ；A相通电相通电 ACALL D1MS MOV P1， 02H ；B相通电相通电 ACALL D1MS MOV P1， 40H ；C相通电相通电 ACALL D1MS RETD1MS： MOV R7， 64H ；延时；延时1ms子程序子程序D1MS1: NOP ；2s NOP ；2s NOP ；2s DJNZ R7，D1MSl ；4s RET 918 要想控制步进电机反转，只需把输出的控制字的次序按：要想控制步进电机反转，只需把输出的控制字的次序按： 01H（A）04H（C）02H（B）01H（A）组合即可。组合即可。 反转程序如下：反转程序如下：FAN：MOV P1， 01H ；A相通电相通电 ACALL D1MS MOV P1， 04H ；C相通电相通电 ACALL D1MS MOV P1， 02H ；B相通电相通电 ACALL D1MS 919 2 2、软件选择三相六拍的工作方式、软件选择三相六拍的工作方式 不难推出与三相六拍相对应的控制字为不难推出与三相六拍相对应的控制字为 P1P12 P12 P11 P11 P10 0（C C相）相） （B B相）相） （A A相）相）控制
