单片机控制步进电机设计

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简介:步进电机是机电控制中一种常用的执行机构,它的用途是将电脉冲转化为角位移,通俗地说:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。


T89C2051单片机驱动步进电机的电路和源码

单片机控制步进电机设计

程序

stepper.c

stepper.hex

/*

* STEPPER.C

* sweeping stepper''s rotor cw and cww 400 steps

* Copyright (c) 1999 by W.Sirichote

*/

#include c:mc518051io.h /* include i/o header file */

#include c:mc518051reg.h

register unsigned char j,flag1,temp;

register unsigned int cw_n,ccw_n;

unsigned char step[8]={0x80,0xc0,0x40,0x60,0x20,0x30,0x10,0x90}

#define n 400

/* flag1 mask byte

0x01 run cw()

0x02 run ccw()

*/

main()

{

flag1=0;

serinit(9600);

dISAble(); /* no need timer interrupt */

cw_n = n; /* initial step number for cw */

flag1 |=0x01; /* initial enable cw() */

while(1){

{

tick_wait(); /* wait for 10ms elapsed */

energize(); /* round-robin execution the following tasks every 10ms */

cw();

ccw();

}

}

}

cw(){

if((flag1&0x01)!=0)

{

cw_n--; /* decrement cw step number */

if (cw_n !=0)

j++; /* if not zero increment index j */

else

{flag1&=~0x01; /* dISAble cw() execution */

ccw_n = n; /* reload step number to ccw counter */

flag1 |=0x02; /* enable cww() execution */

}

}

}

ccw(){

if((flag1&0x02)!=0)

{

ccw_n--; /* decremnent ccw step number */

if (ccw_n !=0)

j--; /* if not zero decrement index j */

else

{flag1&=~0x02; /* dISAble ccw() execution */

cw_n = n; /* reload step number to cw counter */

flag1 |=0x01; /* enable cw() execution */

}

}

}

tick_wait(){ /* cputick was replaced by simpler ASM code 10ms wait */

asm" JNB TCON.5,*"; /* wait for TF0 set */

asm" CLR TCON.5"; /* clear TF0 for further set */

asm" ORL TH0,#$DC"; /* reload TH0 with $DC, TL0 = 0 */

}

energize(){

P1 = step[(j&0x07)]; /* only step 0-7 needed */

}

一、步进电机常识

常见的步进电机分三种:永磁式(PM),反应式(VR)和混合式(HB),永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

二、永磁式步进电机的控制

下面以电子爱好者业余制作中常用的永磁式步进电机为例,来介绍如何用单片机控制步进电机。

图1是35BY型永磁步进电机的外形图,图2是该电机的接线图,从图中可以看出,电机共有四组线圈,四组线圈的一个端点连在一起引出,这样一共有5根引出线。要使用步进电机转动,只要轮流给各引出端通电即可。将COM端标识为C,只要AC、 C、BC、 C,轮流加电就能驱动步进电机运转,加电的方式可以有多种,如果将COM端接正电源,那么只要用开关元件(如三极管),将A、 、B、 轮流接地。

下表列出了该电机的一些典型参数:

表135BY48S03型步机电机参数

型号 步距角 相数 电压 电流 电阻 最大静转距 定位转距 转动惯量

35BY48S03 7.5 4 12 0.26 47 180 65 2.5

有了这些参数,不难设计出控制电路,因其工作电压为12V,最大电流为0.26A,因此用一块开路输出达林顿驱动器(ULN2003)来作为驱动,通过 P1.4~P1.7来控制各线圈的接通与切断,电路如图3所示。开机时,P1.4~P1.7均为高电平,依次将P1.4~P1.7切换为低电平即可驱动步进电机运行,注意在切换之前将前一个输出引脚变为高电平。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间,而要改变电机的转动方向,只要改变各线圈接通的顺序。

单片机控制步进电机设计

图135BY48S03型步进电机外形图

单片机控制步进电机设计

图235BY48S03型步进电机的接线图

单片机控制步进电机设计

图3单片机控制35BY48S03型步进电机的电路原理图

三、步进电机的驱动实例

要求:控制电路如图3所示,开机后,电机不转,按下启动键,电机旋转,速度为25转/分,按下加1键,速度增加,按下减1键,速度降低,最高速度为100转/分,最低转带为25转/分,按下停止键,电机停转。速度值要求在数码管上显示出来。

1.要求分析

按上面的分析,改变转速,只要改变P1.0~P1.3轮流变低电平的时间即可达到要求,这个时间不应采用延时来实现,因为会影响到其他功能的实现。这里以定时的方式来实现。下面首先计算一下定时时间。

按要求,最低转速为25转/分,而上述步进电机的步距角为7.5,即每48个脉冲为1周,即在最低转速时,要求为1200脉冲/分,相当于50ms/脉冲。而在最高转速时,要求为100转/分,即48000脉冲/分,相当于12.5ms/脉冲。可以列出下表

表1步进电机转速与定时器定时常数关系

速度 单步时间(us) TH1 TL1 实际定时(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

表中不仅计算出了TH1和TL1,而且还计算出了在这个定时常数下,真实的定时时间,可以根据这个计算值来估算真实速度与理论速度的误差值。

表中TH1和TL1是根据定时时间算出来的定时初值,这里用到的晶振是11.0592M。有了上述表格,程序就不难实现了,使用定时/计数器T1为定时器,定时时间到后切换输出脚即可。

2.程序实现

定义DSB-1A实验板的S1为启动键,S2为停止键,S3为加1键,S4为减1键,程序如下:

StartEnd bit 01H ;起动及停止标志

MinSpd EQU 25 ;起始转动速度

MaxSpd EQU 100 ;最高转动速度

Speed DATA 23H ;流动速度计数

DjCount DATA 24H ;控制电机输出的一个值,初始为11110 111

Hidden EQU 10H ;消隐码

Counter DATA 57H ;显示计数器

DISPBUF DATA 58H ;显示缓冲区

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 ;起始转动速度送入计数器

CLR StartEnd ;停转状态

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 ;键盘程序

JNB F0,m_NEXT1 ;无键继续

ACALL KEYPROC ;否则调用键盘处理程序

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 ;关闭电机

JMP LOOP

ORL P1,#11110000B

m_Next2:

SETB TR1 ;启动电机

AJMP LOOP ;主程序结束

;---------------------------------------

D10ms:

……

;---------延时程序,键盘处理中调用

KEYPROC:

MOV A,B ;获取键值

JB ACC.2,StartStop ;分析键的代码,某位被按下,则该位为1

JB ACC.3,KeySty

JB ACC.4,UpSpd

JB ACC.5,DowSpd

AJMP KEY_RET

StartStop:

SETB StartEnd ;启动

AJMP KEY_RET

KeySty:

CLR StartEnd; ;停止

AJMP KEY_RET

UpSpd:

INC SPEED;

MOV A,SPEED

CJNE A,#MaxSpd,K1 ;到了最多的次数?

DEC SPEED ;是则减去1,保证下次仍为该值

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:

……获取键值的程序

RET

DjZd: ;定时器T1用于电机转速控制

PUSH ACC

PUSH PSW

MOV A,Speed

SUBB A,#MinSpd ;减基准数

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: ;显示程序

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

本程序主要由键盘程序、显示器程序、步进电机驱动程序三部份组成,主程序首先初始化各变量,将显示器的高3位消隐,步进电机驱动的各引脚均输出高电平,然后调用键盘程序,并作判断,如果有键按下,则调用键盘处理程序,否则直接转下一步。下一步是将当前的转速值转换为BCD码,送入显示缓冲区;接着判断 StartEnd这个位变量,是“1”还是“0”,如果是“1”,则开启定时器T1,否则关闭定时器T1,为防止关闭时某一相线圈长期通电,因此,在关闭定时器T1时,将P1.0~P1.3均置高。至此,主程序的工作即结束。这里为简便起见,这里没有做高位“0”消隐的工作,即如果速度为10转/分,则显示值“010”,读者可以自行加入相关的代码来处理这一工作。

步进电机的驱动工作是在定时器T1的中断服务程序中实现的,由前述分析,每次的定时时间到达以后,需要将P1.0~P1.3依次接通,程度中用了一个变量DjCntr来实现这一功能,在主程序初始化时,该变量被赋予初值 11110111B,进入到定时中断以后,将该变量取出送ACC累加器,并在累加器中进行左移,这样,该数值就变为1110 1111,然后将该数与P1 相“与”,此时,P1.4即输出低电平,第二次进入中断时,先将该数取反,成为 00010000,然后将该数与P1相“或”,这样,P1.4即输出高电平,关断了相应的线圈,然后将该数重新取出,并作左移,即1110,1111右移成为11011111,将该数与P1相“与”,这样P1.5即输出低电平,依次类推,P1.7~P1.4即循环输出低电平。当这一数据变为0111 1111后,需要作适当的改动,将数据重新变回11110111,进行第二次循环,相关代码,请读者自行分析。

定时时间又是如何确定的呢?这里用的是查表的方法,首先用Excel计算得出在每一种转速下的TH值和TL值,然后,分别放入DjH和DjL表中,在进入T1中断程序之后,将速度值变量Speed送入累加器ACC,然后减去基数25,使其基数从 0开始计数,然后分别查表,送入TH1和TL1,实现重置定时初值的目的。

看完这一部份内容以后,请读者自行完成以下工作:

1. 更改程序,将S1定义为“启动/停止”,而S2定义为“方向”,按下S2,切换电机旋转方向。

2. 更改程序,要求转速从1到100。

3. 更改程序,实现首位无效零消隐

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步进电机的单片机控制

作者:李通 刘志垠

摘要:本设计采用凌阳16 位单片机SPCE061A对步进电机进行控制,通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号,信号经过芯片L298N驱动步进电机;同时,用 4X4的键盘来对电机的状态进行控制,并用数码管显示电机的转速,采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动,从单片机输入信号;利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。

关键词: 步进电机 单片机 数码管

一、 方案论证与比较

1、 本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动,设计中受控电机为四相六线制的步进电机(内阻33欧,步进1.8度,额定电压12V)

方案一:使用多个功率放大器件驱动电机

通过使用不同的放大电路和不同参数的器件,可以达到不同的放大的要求,放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机,就需要对四路信号分别进行放大,由于放大电路很难做到完全一致,当电机的功率较大时运行起来会不稳定,而且电路的制作也比较复杂。

方案二:使用L298N芯片驱动电机

L298N芯片可以驱动两个二相电机(如图1-1),也可以驱动一个四相电机,输出电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节输出电压;可以直接用单片机的IO口提供信号;而且电路简单,使用比较方便。

单片机控制步进电机设计

图1-1

通过比较,使用L298N芯片充分发挥了它的功能,能稳定地驱动步进电机,且价格不高,故选用L298N驱动电机。而使用L298N时,可以用L297来提供时序信号,可以节省单片机IO口的使用;也可以直接用单片机模拟出时序信号,由于控制并不复杂,故选用后者。

2、 数码管显示电路的设计

方案一:串行接法

设计中要显示4位数字,用74LS164作为显示驱动,其中带锁存,使用串行接法可以节约IO口资源,但要使用SIO,发送数据时容易控制。

方案二:并行接法

使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据,占用资源较多。

由于设计中用一块单片机进行控制,资源有限,选择了方案一。另外,使用锁存也起到节约资源的作用。

二、步进电机控制原理

步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机(简称VR)、永磁式步进电机(简称PM)和混合式步进电机(简称HB)。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是,它是通过输入脉冲信号来进行控制的,即电机的总转动角度由输入脉冲数决定,而电机的转速由脉冲信号频率决定。

步进电机的驱动电路根据控制信号工作,控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下:

(1)控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如:三相步进电机的三拍工作方式,其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C,D相的通断。

(2)控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转,如果按反序通电换相,则电机就反转。

(3)控制步进电机的速度

如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。两个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。

三、理论设计

综和以上选取的方案,总的流程如图3-2所示。

单片机控制步进电机设计

图3-1

1、步进电机驱动电路

通过L298N构成步进电机的驱动电路,电路图如图3-2所示。

通过单片机SPCE061A的IOB8~IOB13对L298N的IN1~IN4口和ENA、ENB口发送方波脉冲信号,起时序图如图3-3所示。

单片机控制步进电机设计

图3-2

单片机控制步进电机设计

图3-3

2、数码管显示电路的设计

数码管的显示驱动使用74LS164,通过SPCE061A的IOB0和IOB1口对DATA和CLK发送数据。

单片机控制步进电机设计

图3-4

3、4x4键盘电路

在设计中,使用了标准的4x4键盘,其电路图如图3-5所示。单片机的A口低8位为键盘的接口。尽管设计要求中只需要4个键对步进电机的状态进行控制,但考虑到对控制功能的扩展,我们使用了4x4的键盘。

单片机控制步进电机设计

图3-5

四、程序设计

在进行程序设计的过程中,主要分为五个部分:双机通讯、语音报数、数字显示、步进电机驱动、键盘;其中双机通讯的实现和语音报时比较有特点,将其流程简要介绍如下,其他部分见附的程序。

1、双机通讯

单片机控制步进电机设计

图4-1

我们在实现双机通讯的过程中使用了“三次握手”的方式,这是Intle网中成用的数据通讯确认协议,其流程图如图4-1所示。

2、语音报数

程序设计中语音报数使用的是SACM-A2000,考虑到程序比较简单,首先使用了自动报数方式,但发现不能进行连续报数,于是使用了非自动方式,流程图如图4-2所示。

单片机控制步进电机设计

图4-2

五、结果分析与总结

应该说这次课程设计还是基本达到了设计的要求,但是也存在着未能解决的问题,由于在执行语音程序时对资源的消耗比较大,在语音报数的时候会中断步进电机驱动信号的输出,导致电机停转。为此,我们修改了方案,使用了两块单片机,通过双机通讯来传递信号,遗憾的是问题仍然没有得到解决。

这次步进电机的综合实验我们学到了步进电机、数码管、4*4键盘、语音报数和双机通讯的使用,更重要的是学会了程序出问题时调试的方法,并养成了Debug的习惯,学到了程序出问题后怎样去解决的基本方法。

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