试论单片机基于单片机步进电机制约系统生
最后更新时间：2024-04-21
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论文导读：sgiven.Atthesametime，itputorwardseveralsolutionsofaccelerationanddecelerationcontrolofsteppermotorandmicrocomputercontrol，whichhaseryimportantsignificancetothesteppermotorcontrolsystemresearchintherealwork.Thetheoryinarticle，cangiveeffectiveguidance
摘要： 文章介绍了步进电机的基本结构以及驱动器构成，提出了基于单片机的步进电机的脉冲分配和速度调节方法，给出了脉冲频率调节的实现方法和实用程序，同时还提出了步进电机加减速控制的几种方案及其微机控制。对现实工作中的步进电机控制系统研究具有十分重要的意义，文章中的研究理论，可以对我们的工作内容进行有效的指导，对提高工作质量和效率具有十分重要的作用。希望文章的内容能对今后工作予以正确的指导。
Abstract： This paper introduces the basic structure of stepper motor and the composition of the drive， and proposes the pulse distribution and speed regulating methods of stepper motor based on microcontroller. The method and practical program to adjust the pulse frequency is given. At the same time， it puts forward several solutions of acceleration and deceleration control of stepper motor and microcomputer control， which has a very important significance to the stepper motor control system research in the real work. The theory in article， can give effective guidance on the content of our work， and has a very important role to improve the quality and efficiency. I hope the content of the article can provide correct guidance for future work.
关键词： 单片机；步进电机；脉冲分配；速度调节；加减速控制
Key words： microcontroller；stepper motor；pulse distribution；speed regulation；acceleration and deceleration control
1006-4311（2013）18-0051-03
0 引言
步进电机是开环伺服系统的执行元件，是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。目前，步进电机控制方法是多种多样的，它控制功能强，灵活性和适应性好，单片机是介于工控计算机和可编程控制器之间的一种控制器，步进电机有传统的控制方式，也有采用PLC进行控制，正逐渐成为步进电机的主要控制装置，因为它具有体积小、重量轻、成本低廉等众多优点，由模拟控制逐渐转变为以单片机为核心的数字控制，是新一代电机的控制方式。
1 步进电机的结构及驱动器构成
环形分配器用来接收来自控制器的CP脉冲，并按步进电机状态转换顺序要求产生各相导通或截止信号，将此信号送入信号放大与处理器加以放大，变成足够大的信号送入推动级。推动级的作用是将较小的信号放大到足以推动功率放大器的输入信号，同时还承担电平转换的任务。功率放大器直接与电动机的各相绕组相连，它接收来自推动级的信号，控制电动机各相绕组导通或截止。
步进电机反应式步进电机具有力矩/惯性比高、步进频率高、频率响应快、可双向旋转、结构简单和寿命长等特点，基本可分为：反应式、永磁式和永磁感应子式（混合式）三类。反应式步进电机的典型结构如图1所示，可以在计算机应用系统中广泛使用。
2 步进电机的控制系统
单片机系统与步进电机驱动器之间的接口电路如图3所示。此为一种较实用的单片机控制系统，包括一片8031微处理器，一片2732ROM程序存储器，一片6116数据存储器，一片8255扩充接口。8031的P1.0论文导读：点是CPU的等待时间过长，占用大量机时。因此，这种方法只能用于较简单的控制过程。2.2.2定时器中断法。8031芯片内有两个定时器，都是可编程的。利用定时器的定时功能，可以产生任意周期的定时信号，从而方便地控制系统输出脉冲的周期。以803l单片机为例，在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可实现脉
～P1.3带一个2716作为步进电机的接口，P1.4～P1.7及P3.0～P3.5作为输入输出的控制线使用。2732有4KB，对于控制一台步进电机的单片机程序够用。6116是2KB的RAM，可存储各种数据。8255的PA、PB、PC三个口可作为键盘、显示器等外设接口使用。
2.1 脉冲分配控制 利用单片机控制实现脉冲分配的方法有两种：通过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲，按给定的通电换相顺序，软件法完全利用软件方式。
图4是用软件代替环形分配器实现脉冲分配的接口示意图。利用8031的P1.0～P1.4这5条I/O线，系统直接向输出口输出对应电动机励磁状态字节，直接控制五相反应式步进电机驱动器的输入信号。
这种方法可以实现电动机励磁状态的转换，系统将状态表的内容取出送至电动机输出口，主要按照电动机正反转的要求按顺序依次将状态表进行转换，首先需在内存ROM中开辟一个区域存储环形分配器的输出状态表。
例如程序存储器从8FF0H开始用十个字节存储五相反应式步进电机五相十拍工作状态表，并设低电平导通，高电平截止，则存储环形分配器输出状态表见表1。
在系统中，仍设一个字节R0作为状态计数器，并按正反转要求执行加1或减1操作，最大计数值为9，则正转程序如下：
CW： INC R0 ；转加1CJNE R0， #10，CW1 ；R0不等于10时正常计数
MOV R0， #0 ；R0等于10时清零
CW1：MOV A， R0 ；计数值送累加器
MOV DPTR，#8FF0H；设指针
MOVX A，@A+DPTR ；取出状态
MOV P1， A ；送输出口
RET ；返回
2.2 步进电机的速度控制 步进电机的速度控制，系统可用两种方法确定步进脉冲的频率，它通过控制单片机发出的步进脉冲的频率或者换相的周期来实现，一种是软件延时法，一种是定时器中断法，从而实现速度调节。
2.2.1 软件延时法。这种方法是通过调用标准的延时子程序，改变两控制字之间延时时间来实现。采用软件延时方法实现速度调节的优点是程序简单，思路清晰，不占用硬件资源，缺点是CPU的等待时间过长，占用大量机时。因此，这种方法只能用于较简单的控制过程。
2.2.2 定时器中断法。8031芯片内有两个定时器，都是可编程的。利用定时器的定时功能，可以产生任意周期的定时信号，从而方便地控制系统输出脉冲的周期。以803l单片机为例，在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可实现脉冲频率的调整，从而实现调速。这种方法占用CPU时间较少，容易实现，是一种比较实用的调速方法。
2.3 步进电机的加减速控制 一般情况下，步进电机控制系统的极限起动频率较低，而要求的运行速度往往较高，如果系统以要求的速度直接起动，则因该速度已超过极限起动频率而不能正常起动，可能发生丢步或根本不运行的情况。到达终点时，如果立即停发脉冲串而令其即刻停止，则因为系统的惯性会发生冲过终点的现象。因此，在步进电机控制系统中，其运行速度都需要有一个加速—恒速—减速—低恒速—停止的过程，如图5所示。
升速时的起始速度应等于或略小于系统的极限起动频率（速度），而不是从零开始。减速过程结束时的速度一般应等于或略低于起动速度，再经数步低速运行后停止。
升降速控制方法通常有两种：一是按直线规律升降速，这种方法是以恒定的加速度进行升降，平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式，加速时间虽然长，但软件实现比较简单。二是按指数规律升降速，加速度是逐渐下降的，比较接近电动机输出转矩随速度变化的规律，符合步进电机加减速过程的运动规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性能较好，升降时间短。
用微机对步进电机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的时间间隔，升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。微机用定时器中断方式来控制步进电机变速，实际上是不断改变定时器装载值的大小。
微机在控制步进电机加减速过程中，一般采用离散办法来逼近理想论文导读：科学版），2012（04）.杨云，刘婷婷，佟妍.基于单片机的步进电机控制系统.价值工程，2013（05）.杨云，李诗泉.自动取款机智能判定系统软件设计.宁波职业技术学院学报，2012（05）.李诗泉，杨云.电子设备的组装方法和技术.河北能源职业技术学院学报，2012（04）.上一页123
的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的ROM中，系统在运行中用查表方法查出所需的装载值，从而大幅度减少占用CPU的时间，提高系统的响应速度。
3 结语
利用单片机可靠地实现各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，可方便地实现对步进电机的速度和位置进行控制，本文提出的单片机控制的步进电机的速度调节方法，实践表明：只要选用了适当的升降速控制方法，就可以缩短步进电机的起停时间，提高劳动生产率，改善运动部件的平稳性，提高机床的定位精度，成功地应用在多种经济型数控机床以及其他工业自动化设备中。
参考文献：
何立民.MCS—51系列单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.
李铁才，杜坤梅.电动机控制技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.
[3]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[4]张强，吴红星，谢宗武.基于单片机的电动机控制技术[M].北京：中国电力出版社，2008.
[5]杨许.民办高校机械专业本科学生加强实践能力培养的研究[J].轻工科技，2012（08）.
[6]刘先红.一种单片机不完整字库的生成和使用方法[J].价值工程，2012（28）.
[7]李晓雪，李淑侠.汽车检测技术课程实验虚拟仪器研究[J].价值工程，2013（06）.
[8]李淑侠，李晓雪.基于单片机的智能温度测控[J].价值工程，2013（08）.
[9]石祥滨，于泳浩，刘东琦，李淑侠.基于A～*的快速三维航迹规划算法[J].辽宁大学学报（自然科学版），2012（04）.
[10]杨云，刘婷婷，佟妍.基于单片机的步进电机控制系统[J]. 价值工程，2013（05）.
[11]杨云，李诗泉.自动取款机智能判定系统软件设计[J].宁波职业技术学院学报，2012（05）.
[12]李诗泉，杨云.电子设备的组装方法和技术[J].河北能源职业技术学院学报，2012（04）.
摘要： 文章介绍了步进电机的基本结构以及驱动器构成，提出了基于单片机的步进电机的脉冲分配和速度调节方法，给出了脉冲频率调节的实现方法和实用程序，同时还提出了步进电机加减速控制的几种方案及其微机控制。对现实工作中的步进电机控制系统研究具有十分重要的意义，文章中的研究理论，可以对我们的工作内容进行有效的指导，对提高工作质量和效率具有十分重要的作用。希望文章的内容能对今后工作予以正确的指导。
Abstract： This paper introduces the basic structure of stepper motor and the composition of the drive， and proposes the pulse distribution and speed regulating methods of stepper motor based on microcontroller. The method and practical program to adjust the pulse frequency is given. At the same time， it puts forward several solutions of acceleration and deceleration control of stepper motor and microcomputer control， which has a very important significance to the stepper motor control system research in the real work. The theory in article， can give effective guidance on the content of our work， and has a very important role to improve the quality and efficiency. I hope the content of the article can provide correct guidance for future work.
关键词： 单片机；步进电机；脉冲分配；速度调节；加减速控制
Key words： microcontroller；stepper motor；pulse distribution；speed regulation；acceleration and deceleration control
1006-4311（2013）18-0051-03
0 引言
步进电机是开环伺服系统的执行元件，是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。目前，步进电机控制方法是多种多样的，它控制功能强，灵活性和适应性好，单片机是介于工控计算机和可编程控制器之间的一种控制器，步进电机有传统的控制方式，也有采用PLC进行控制，正逐渐成为步进电机的主要控制装置，因为它具有体积小、重量轻、成本低廉等众多优点，由模拟控制逐渐转变为以单片机为核心的数字控制，是新一代电机的控制方式。
1 步进电机的结构及驱动器构成
环形分配器用来接收来自控制器的CP脉冲，并按步进电机状态转换顺序要求产生各相导通或截止信号，将此信号送入信号放大与处理器加以放大，变成足够大的信号送入推动级。推动级的作用是将较小的信号放大到足以推动功率放大器的输入信号，同时还承担电平转换的任务。功率放大器直接与电动机的各相绕组相连，它接收来自推动级的信号，控制电动机各相绕组导通或截止。
步进电机反应式步进电机具有力矩/惯性比高、步进频率高、频率响应快、可双向旋转、结构简单和寿命长等特点，基本可分为：反应式、永磁式和永磁感应子式（混合式）三类。反应式步进电机的典型结构如图1所示，可以在计算机应用系统中广泛使用。
2 步进电机的控制系统
单片机系统与步进电机驱动器之间的接口电路如图3所示。此为一种较实用的单片机控制系统，包括一片8031微处理器，一片2732ROM程序存储器，一片6116数据存储器，一片8255扩充接口。8031的P1.0论文导读：点是CPU的等待时间过长，占用大量机时。因此，这种方法只能用于较简单的控制过程。2.2.2定时器中断法。8031芯片内有两个定时器，都是可编程的。利用定时器的定时功能，可以产生任意周期的定时信号，从而方便地控制系统输出脉冲的周期。以803l单片机为例，在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可实现脉
～P1.3带一个2716作为步进电机的接口，P1.4～P1.7及P3.0～P3.5作为输入输出的控制线使用。2732有4KB，对于控制一台步进电机的单片机程序够用。6116是2KB的RAM，可存储各种数据。8255的PA、PB、PC三个口可作为键盘、显示器等外设接口使用。
2.1 脉冲分配控制 利用单片机控制实现脉冲分配的方法有两种：通过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲，按给定的通电换相顺序，软件法完全利用软件方式。
图4是用软件代替环形分配器实现脉冲分配的接口示意图。利用8031的P1.0～P1.4这5条I/O线，系统直接向输出口输出对应电动机励磁状态字节，直接控制五相反应式步进电机驱动器的输入信号。
这种方法可以实现电动机励磁状态的转换，系统将状态表的内容取出送至电动机输出口，主要按照电动机正反转的要求按顺序依次将状态表进行转换，首先需在内存ROM中开辟一个区域存储环形分配器的输出状态表。
例如程序存储器从8FF0H开始用十个字节存储五相反应式步进电机五相十拍工作状态表，并设低电平导通，高电平截止，则存储环形分配器输出状态表见表1。
在系统中，仍设一个字节R0作为状态计数器，并按正反转要求执行加1或减1操作，最大计数值为9，则正转程序如下：
CW： INC R0 ；转加1CJNE R0， #10，CW1 ；R0不等于10时正常计数
MOV R0， #0 ；R0等于10时清零
CW1：MOV A， R0 ；计数值送累加器
MOV DPTR，#8FF0H；设指针
MOVX A，@A+DPTR ；取出状态
MOV P1， A ；送输出口
RET ；返回
2.2 步进电机的速度控制 步进电机的速度控制，系统可用两种方法确定步进脉冲的频率，它通过控制单片机发出的步进脉冲的频率或者换相的周期来实现，一种是软件延时法，一种是定时器中断法，从而实现速度调节。
2.2.1 软件延时法。这种方法是通过调用标准的延时子程序，改变两控制字之间延时时间来实现。采用软件延时方法实现速度调节的优点是程序简单，思路清晰，不占用硬件资源，缺点是CPU的等待时间过长，占用大量机时。因此，这种方法只能用于较简单的控制过程。
2.2.2 定时器中断法。8031芯片内有两个定时器，都是可编程的。利用定时器的定时功能，可以产生任意周期的定时信号，从而方便地控制系统输出脉冲的周期。以803l单片机为例，在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可实现脉冲频率的调整，从而实现调速。这种方法占用CPU时间较少，容易实现，是一种比较实用的调速方法。
2.3 步进电机的加减速控制 一般情况下，步进电机控制系统的极限起动频率较低，而要求的运行速度往往较高，如果系统以要求的速度直接起动，则因该速度已超过极限起动频率而不能正常起动，可能发生丢步或根本不运行的情况。到达终点时，如果立即停发脉冲串而令其即刻停止，则因为系统的惯性会发生冲过终点的现象。因此，在步进电机控制系统中，其运行速度都需要有一个加速—恒速—减速—低恒速—停止的过程，如图5所示。
升速时的起始速度应等于或略小于系统的极限起动频率（速度），而不是从零开始。减速过程结束时的速度一般应等于或略低于起动速度，再经数步低速运行后停止。
升降速控制方法通常有两种：一是按直线规律升降速，这种方法是以恒定的加速度进行升降，平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式，加速时间虽然长，但软件实现比较简单。二是按指数规律升降速，加速度是逐渐下降的，比较接近电动机输出转矩随速度变化的规律，符合步进电机加减速过程的运动规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性能较好，升降时间短。
用微机对步进电机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的时间间隔，升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。微机用定时器中断方式来控制步进电机变速，实际上是不断改变定时器装载值的大小。
微机在控制步进电机加减速过程中，一般采用离散办法来逼近理想论文导读：科学版），2012（04）.杨云，刘婷婷，佟妍.基于单片机的步进电机控制系统.价值工程，2013（05）.杨云，李诗泉.自动取款机智能判定系统软件设计.宁波职业技术学院学报，2012（05）.李诗泉，杨云.电子设备的组装方法和技术.河北能源职业技术学院学报，2012（04）.上一页123
的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的ROM中，系统在运行中用查表方法查出所需的装载值，从而大幅度减少占用CPU的时间，提高系统的响应速度。
3 结语
利用单片机可靠地实现各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，可方便地实现对步进电机的速度和位置进行控制，本文提出的单片机控制的步进电机的速度调节方法，实践表明：只要选用了适当的升降速控制方法，就可以缩短步进电机的起停时间，提高劳动生产率，改善运动部件的平稳性，提高机床的定位精度，成功地应用在多种经济型数控机床以及其他工业自动化设备中。
参考文献：
何立民.MCS—51系列单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.
李铁才，杜坤梅.电动机控制技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.
[3]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[4]张强，吴红星，谢宗武.基于单片机的电动机控制技术[M].北京：中国电力出版社，2008.
[5]杨许.民办高校机械专业本科学生加强实践能力培养的研究[J].轻工科技，2012（08）.
[6]刘先红.一种单片机不完整字库的生成和使用方法[J].价值工程，2012（28）.
[7]李晓雪，李淑侠.汽车检测技术课程实验虚拟仪器研究[J].价值工程，2013（06）.
[8]李淑侠，李晓雪.基于单片机的智能温度测控[J].价值工程，2013（08）.
[9]石祥滨，于泳浩，刘东琦，李淑侠.基于A～*的快速三维航迹规划算法[J].辽宁大学学报（自然科学版），2012（04）.
[10]杨云，刘婷婷，佟妍.基于单片机的步进电机控制系统[J]. 价值工程，2013（05）.
[11]杨云，李诗泉.自动取款机智能判定系统软件设计[J].宁波职业技术学院学报，2012（05）.
[12]李诗泉，杨云.电子设备的组装方法和技术[J].河北能源职业技术学院学报，2012（04）.