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基于用單片機控制步進電機的課程設計

[日期:2011-08-04] 來源:平凡的單片機  作者: [字體: ]

 

    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?BR>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。


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