原创单片机控制步进电机

 2008-3-28 11:50  1896 8 8 分类: 模拟

用单片机控制步进电机

发布时间：2008年2月10日 0时30分

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。

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1　35BY48S03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。

图1　35BY48S03型步进电机外形图

图2　35BY48S03型步进电机的接线图

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 0001　0000，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1101　1111，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　1111　0111，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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