步進(jìn)電機(jī)的控制原理及其單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)

摘要：采用8051單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，給出了步進(jìn)電機(jī)的控制原理及其單片機(jī)控制的具體實(shí)現(xiàn)方法。 關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；控制 步進(jìn)電機(jī)可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。步進(jìn)電機(jī)作為控制執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械等領(lǐng)域。例如，在儀器儀表，機(jī)床設(shè)備以及計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備中（如打印機(jī)和繪圖儀等），凡需要對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行精確控制的情況下，使用步進(jìn)電機(jī)最為理想。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 上個(gè)世紀(jì)就出現(xiàn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，動(dòng)作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有什么區(qū)別，也是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在本世紀(jì)初，由于資本主義列強(qiáng)爭(zhēng)奪殖民地，造船工業(yè)發(fā)展很快，同時(shí)也使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。到了80年代后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式更加靈活多樣。原來(lái)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路。計(jì)算機(jī)則通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，更好地挖掘出電動(dòng)機(jī)的潛力。因此，用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代趨勢(shì)。 　　步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處是步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號(hào)的控制。步進(jìn)電機(jī)靠一種叫環(huán)形分配器的電子開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)功率放大器使勵(lì)磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵(lì)磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流和直流電源接通后，就會(huì)在空間形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子步進(jìn)式的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著脈沖頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會(huì)增大。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)同時(shí)與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)。 　　現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)階段，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)獲得最多的應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動(dòng)的形式，正是這個(gè)特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。不過(guò)步進(jìn)電機(jī)在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)。在精度不是需要特別高的場(chǎng)合就可以使用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和成本低的特點(diǎn)。使用恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候，甚至可以和直流伺服電動(dòng)機(jī)性能相媲美。 　　步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在數(shù)控機(jī)床的制造中，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無(wú)法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達(dá)。隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在這個(gè)應(yīng)用中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)完成兩個(gè)工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進(jìn)電機(jī)也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機(jī)同步系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也可以并用在其他的機(jī)械上，比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動(dòng)器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中。 　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 一、 步進(jìn)電機(jī)的控制原理 步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)相鄰磁極之間的夾角為60。。線圈繞過(guò)相對(duì)的兩個(gè)磁極，構(gòu)成一相（A-A^{’，B-B’，C-C’）。磁極上有5個(gè)均勻分布的矩形小齒，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，而有40個(gè)小齒均勻分布在其圓周上，且相鄰兩個(gè)齒之間的夾角為9。。 當(dāng)某組繞組通電時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)磁極就分別形成N-S極，產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。如果這時(shí)定子的小齒與轉(zhuǎn)子沒(méi)有對(duì)齊，則在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，從而使步進(jìn)電機(jī)向前“走”一步。 1、 步進(jìn)電機(jī)的控制方式 如果通過(guò)單片機(jī)按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字 角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)方向則與脈沖的順序有關(guān)。以三相步進(jìn)電機(jī)為例，電流脈沖的施加共有三種方式。 （1） 單相三拍方式------按單相繞組施加電流脈沖 （2） 雙相三拍方式-----按雙相繞組施加電流脈沖 （3）三相六拍方式------單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖 單相三拍方式的每一拍步進(jìn)角為3。，三相六拍的步進(jìn)角則為1.5。,因此，在三相六拍下，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行反轉(zhuǎn)平穩(wěn)柔和，但在同樣的運(yùn)行角度與速度下，三相六拍驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率需提高一倍，對(duì)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)特性要求較高。 2、 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式 步進(jìn)電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)方式是全電壓驅(qū)動(dòng)，即在電機(jī)移步與鎖步時(shí)都加載額定電壓。為了防止電機(jī)過(guò)流及改善驅(qū)動(dòng)特性，需加限流電阻。由于步進(jìn)電機(jī)鎖步時(shí)，限流電阻要消耗掉大量的功率，故限流電阻要有較大的功率容量，并且開(kāi)關(guān)管也要有較高的負(fù)載能力。 步進(jìn)電機(jī)的另一種驅(qū)動(dòng)方式是高低壓驅(qū)動(dòng)，即在電機(jī)移步時(shí)，加額定或超過(guò)額定值的電壓，以便在較大的電流驅(qū)動(dòng)下，使電機(jī)快速移步；而在鎖步時(shí)，則加低于額定值的電壓，只讓電機(jī)繞組流過(guò)鎖步所需的電流值。這樣，既可以減少限流電阻的功率消耗，又可以提高電機(jī)的運(yùn)行速度，但這種驅(qū)動(dòng)方式的電路要復(fù)雜一些。 驅(qū)動(dòng)脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，脈沖分配器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、芯片化，市場(chǎng)上可以買到。但硬件方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也較高。 步進(jìn)電機(jī)控制（包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配）也可以使用軟件方法，即用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這樣既簡(jiǎn)化了電路，也降低了成本。使用單片機(jī)以軟件方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，不但可以通過(guò)編程方法，在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、往返轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)等，而且還可以方便靈活地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求。因此，常把單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制電路稱之為可編程步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器。 二、 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 步進(jìn)電機(jī)控制的最大特點(diǎn)是開(kāi)環(huán)控制，不需要反饋信號(hào)。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。 由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖所示。 假定以8051的P1口線接步進(jìn)電機(jī)的繞組，輸出控制電流脈沖，其中P1.0接A，P1.1接B，P1.2接C。 1、 雙相三拍控制 雙相三拍得控制模型如下表所示。 假定有如下工作單元和工作位定義： R0為步進(jìn)數(shù)寄存器； PSW中，F(xiàn)₀為方向標(biāo)志位，F(xiàn)₀=0正轉(zhuǎn)，F(xiàn)₀<>0反轉(zhuǎn)。 參考程序如下： 2、 三相六拍控制程序 在雙相三拍得程序中，P1口輸出的控制字是在程序中給定的。而在三相六拍的控制中，由于控制字較多，故可以把這些控制字以表的形式預(yù)先存放在內(nèi)部RAM單元中，運(yùn)行程序時(shí)以查表的方式逐個(gè)取出并輸出。 假定正反轉(zhuǎn)控制字依次存放在以POINT為首地址的內(nèi)部RAM中，表的內(nèi)容如下： POINT： DB 01H　　??；正轉(zhuǎn)A 　　　　DB 03H ；AB DB 02H ；B DB 06H ；BC DB 04H ；C DB 05H ；CA DB 00H ；循環(huán)標(biāo)志 DB 01H ；反轉(zhuǎn)A DB 05H ；AC DB 04H ；C DB 06H ；CB DB 02H ；B DB 03H ；BA DB 00H ；循環(huán)標(biāo)志 參考程序如下： 參考書籍： 1、 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)教程，清華大學(xué)出版社，張洪潤(rùn) 藍(lán)清華編著； 2、 電工學(xué)，高等教育出版社，秦曾煌主編； 作者信息：丁偉雄（1971-），男，北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)碩士，主要研究方向?yàn)椋壕W(wǎng)絡(luò)工程、信息系統(tǒng)、工控及EDA技術(shù)等； 聯(lián)系地址：528000佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)院 丁偉雄 E-mail: fsdwx@163.com TEL:0757-83888012 The Control Principle and SCM control realizations of the Stepping Motor Ding Wei-Xiong,Yang Ding-An (Foshan University of Science and}