用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制

1、詼漢聊免大量ZHEJIANGNORMALUNIVERSITY數(shù)理與信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)題目：用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（專升本）班級(jí)：056班姓名：葉億龍學(xué)號(hào):05191142學(xué)院：數(shù)理與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師：余水寶成績：(2006.6)/I;浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制xwnrx目錄第1節(jié)弓|言（2）1.1 設(shè)計(jì)概述（2）1.2 設(shè)計(jì)主要功能（2）第2節(jié)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)（3）2.1 80C51單片計(jì)算機(jī)的組成原理2.1.1 組成框圖及內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)（3）2.1.2 寄存器和存儲(chǔ)器（4）2.1.3 單片機(jī)各口及其負(fù)載能力、接

2、口要求（5）2.1.4 MCS51單片機(jī)的引腳功能（8）2.2 步進(jìn)電機(jī)（11）2.2.1 步進(jìn)電機(jī)的控制原理（11）2.2.2 分類（11）2.2.2.1 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（11）2.2.2.2 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)（12）2.2.3 步進(jìn)電機(jī)的控制方式（12）2.2.4 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式（13）2.2.5 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制（14）第3節(jié)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（15）3.1 雙相三拍控制程序（16）3.2 三相六拍控制程序（17）第4節(jié)結(jié)束（18）參考文獻(xiàn)（19）第1節(jié)引言步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固

3、定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行過步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)對(duì)8051單片機(jī)有了一定的了解，對(duì)實(shí)驗(yàn)思考題進(jìn)行思考和多方資料的參考做了有8051單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)控制。1.1 設(shè)計(jì)概述結(jié)合對(duì)步進(jìn)電機(jī)的了解，然后對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制原理包括步進(jìn)電機(jī)的控制方式和驅(qū)動(dòng)方式作了系統(tǒng)的說明，采用8051單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，并給出了步進(jìn)電機(jī)的雙相三拍控制單片機(jī)控制和三相六拍的單片機(jī)控制的具體實(shí)現(xiàn)方法，用匯編程序進(jìn)行控制運(yùn)行。1.2 設(shè)計(jì)主要功能使用單片機(jī)

4、以軟件方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過編程方法，對(duì)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)等進(jìn)行控制使其在一定范圍下運(yùn)行，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。圖1步進(jìn)電機(jī)#浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制第2節(jié)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1 80C51單片計(jì)算機(jī)的組成原理2.1.1 組成框圖及內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)80C51內(nèi)部組成方框圖如圖2所示，內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示5圖280C51單片機(jī)組成方框圖80C51主要包括算術(shù)/邏輯部件ALU、累加器A（有時(shí)也稱ACC）、只讀存儲(chǔ)器ROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、指令寄存器IR、程序計(jì)數(shù)據(jù)PC、定時(shí)器/計(jì)數(shù)據(jù)

5、、I/O接口電路、程序狀態(tài)寄存器PSW、寄存器組，止匕外，還有堆棧寄存器SP、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR等部件。這些部件集成在一塊芯片上，通過內(nèi)部總線連接，構(gòu)成完整的微型計(jì)算機(jī)。下面按其部件功能分類予以介紹J*： LJ，制畸時(shí)U rir3nmrr j圖380C51總體結(jié)構(gòu)框圖xnTTFxft4h.2.1.2 寄存器和存儲(chǔ)器微處理器中的寄存器是學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)中常會(huì)接觸到的、寄存器是由觸發(fā)器組成的，8位寄存器由8個(gè)觸發(fā)器組成，16位寄存器由16個(gè)觸發(fā)器組成。MCS51中的寄存器較多，大體可分為通用寄存器和專用寄存器兩類圖4微處理器存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)MCS51存儲(chǔ)器配置：微型計(jì)算機(jī)必須配置一定數(shù)量的存儲(chǔ)

6、器，但不同的微型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的配置不同。一種是程序與數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)器，如圖3(a)所示。一般的通用計(jì)算機(jī)都采用此種形式。另一種是將程序與數(shù)據(jù)分別放在兩個(gè)存儲(chǔ)器內(nèi)，一個(gè)稱程序存儲(chǔ)器，另一個(gè)稱數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，如圖3(b)所示。MCS51單片機(jī)屬于此類。這是由單片機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)所決定的，因?yàn)閱纹瑱C(jī)往往是為某個(gè)特定對(duì)象服務(wù)的，這是與通用計(jì)算機(jī)不同的一個(gè)顯著特點(diǎn)。它的程序設(shè)計(jì)調(diào)試成功后，一般是固定不變的，因而程序(包括常數(shù)表)可以而且也應(yīng)該一次性地永久放到單片機(jī)內(nèi)。這樣不僅省去了每次開機(jī)后臺(tái)程序重新裝入步驟，還可以有效地防止圍掉電和其它干擾而引起的程序丟失的錯(cuò)誤。MCS-51片內(nèi)集成有一定容量的程序存儲(chǔ)器(

7、8031/80C31/8032除外)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器并具有較大的外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展能力。物理上，MCS51有4個(gè)存儲(chǔ)器空間：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。圖5給出了訪問程序存儲(chǔ)器時(shí)，程序取指所涉及到的信號(hào)和時(shí)序。如果程序存儲(chǔ)器是外部的,則程序存儲(chǔ)器讀選PSENK股是每個(gè)機(jī)器周期兩次有效,如圖5(a)所示，如果是訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，如圖5(b)所示，則要跳過兩個(gè)PSEN因?yàn)榈刂泛蛿?shù)據(jù)總線正在用于訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。應(yīng)該注意的是，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線周期為程序存儲(chǔ)器總線周期的2倍，圖5給出了端口0和端口2所發(fā)送的地址ALE和PSEN勺相對(duì)時(shí)序。ALE用于將P0的低位地址字節(jié)鎖存到地

8、址鎖存器中。一個(gè)機(jī)爆周期十一k個(gè)機(jī)器同網(wǎng)一-SI|S2|S3|S4|S5|S61SI|S2|S31S4|S516alern一-nooLi麗fnn1；11n-麗：L無MOVK指令；inn_41方總八/FT、IUIh尸Vyu】尸Vm,u尸1】uiiy尸L周期+周用1I SI I S?| SJ I M I S5卜6| SI | S2 S3( SI| S31 S6P?南m5FiXTcHoin Xphout / P2Quc )CTrHoHyTunurnP(l /TX /TX_/ifX /H7V_ TFA /7Ttr1 u中尸Un K01向I m 7 一oin萬IpCLOUT七PCLOU】-FCLOUJt

9、pCLOUT有放再找病效有致tpCLOUTLaIJOROUT-PCLOUT；si評(píng)效有效有常OU一軸出INffiA圖5MCS-51執(zhí)引外部程序存儲(chǔ)器中指令碼時(shí)的總線周期2.1.3 單片機(jī)各口及其負(fù)載能力、接口要求MCS51單片機(jī)有4個(gè)口，共32根I/O線。所有4個(gè)端口都是雙向口，每口都包含一個(gè)鎖存器，即專用寄存器P0-P3,一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。為了方便起見，我們把4個(gè)端口和其中的鎖存器(即專用寄存器)都籠統(tǒng)地表示為P0一P3oMCS-51在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址由P0、P2口送出，數(shù)據(jù)則通過P1口傳送，這時(shí)P0是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的雙向總線。無外部存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，所有4個(gè)端口都可以作為準(zhǔn)雙向

10、口使用。P0口是8位雙向三態(tài)輸入/輸出接口，如圖6(a)所示。P0既可作地址/數(shù)據(jù)總線使用.又可作通用I/O口用。連接外部存儲(chǔ)器時(shí)，P0口一方面作為8位數(shù)據(jù)輸入/輸出1,使輸口，另一方面用來輸出外部存儲(chǔ)器的低8位地址。作輸出口時(shí)，輸出漏極開路，驅(qū)動(dòng)NMOS電路時(shí)應(yīng)外接上拉電阻；作輸人口之前，應(yīng)先向鎖存器寫/I;浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制IF-，一出的兩個(gè)場效應(yīng)管均關(guān)斷，引腳處于“浮空”狀態(tài)，這樣才能做到高阻輸入，以保證輸人數(shù)據(jù)的正確。正是由于該端口用作I/O口，輸入時(shí)應(yīng)先寫1,故稱為準(zhǔn)雙向口。當(dāng)P0口作地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，就不能再把它當(dāng)通用I/

11、O使用。P1口是8位準(zhǔn)雙向口，作通用輸入/輸出口使用，如圖6(b)所示。在輸出驅(qū)動(dòng)器部分，P1有別于P0口，它接有內(nèi)部上拉電阻。P1口的每以一位可以獨(dú)立地定義為輸人或者輸出，因此，P1既可作為8位并行輸入/輸出口，又可作為8位輸入/輸出端。CPU既可以對(duì)P1口進(jìn)行字節(jié)操作，又可以進(jìn)行位操作。當(dāng)作輸入方式時(shí)，該位的鎖存器必須頂寫1。P2口是8位準(zhǔn)雙向輸入/輸出接口，如圖6(c)所示。P2口可作通用I/0口使用與P1相同。當(dāng)外接程序存儲(chǔ)據(jù)時(shí)，P2給出地址的高8位，此時(shí)不能用作通用，I/O口。當(dāng)外按數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，若RAM小于256KB,用R0、R1作問址寄存器，只需要P0口送出地址低8位，P2口可以

12、用作通用I/O;若RAM大于256KB,必須用16位寄存器DPTR作間址寄存器.則P2口只能在一定限度內(nèi)作一股I/O口使用。P3口也是一個(gè)8位的準(zhǔn)雙向輸入/輸出接口，如圖6(d)所示。它具有多種功能。一方面與P1口一樣作為一般準(zhǔn)雙向輸入/輸出接口，具有字節(jié)操作和位操作二種工作方式；另一方面8條閑人/輸出線可以獨(dú)立地作為串行輸入/輸出口和其它控制信號(hào)線。,總引睥凡門但姑構(gòu)(OPG在造種說碘存囂內(nèi)部總?cè)?IF I臼例尋嘉耳莢引海第一擔(dān)人功峽第二輸3通能內(nèi)部匕摘聿nVrr #I/O一位鎖存器和緩沖器結(jié)構(gòu)浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制iOr-PP3端口的負(fù)載能力

13、及接口要求P0口的輸出級(jí)與P1-P3的輸出級(jí)在結(jié)構(gòu)上是不同的，因此它們的負(fù)載能力和接口要求也各不相同。P0口的每一位輸出可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL輸入，但把它當(dāng)通用口使用時(shí)，輸出級(jí)是開漏電路，故用它驅(qū)動(dòng)NM0S輸入時(shí)需外接上拉電阻；把它當(dāng)?shù)刂?數(shù)據(jù)總線時(shí)，則需接外部上拉電阻。P1-P3的輸出級(jí)接有內(nèi)部上拉電阻，它們的每一位輸出可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL輸入。CHMOS端口只能提供幾毫安的輸出電流，故當(dāng)作為輸出口去驅(qū)動(dòng)一個(gè)普通晶體管的基極時(shí)，應(yīng)在端口與晶體管基極間串聯(lián)一個(gè)電阻，以限制高電平輸出時(shí)的電流。I/O口的讀一修改一寫特性由圖6可見，每個(gè)I/O端口均有兩種讀人方法，讀鎖存器和讀引腳，并有相應(yīng)的指令，那

14、么如何區(qū)分讀端口的指令是讀鎖存器還是讀引腳呢？實(shí)鎖存器指令是從鎖存器中讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，并把處理以后的數(shù)據(jù)重新寫入鎖存器中這類指令稱為“讀一修改一寫”指令。當(dāng)目的操作數(shù)是一個(gè)I/O端口或I/O端口的某一位時(shí)，這些指令是讀鎖存器而不是讀引腳，即為“讀一修改一寫”指令，下面是一些“讀一修改一寫”指令。ANL（邏輯與，例如ANLP1,A）ORL（邏輯或，例如ORLP2,A）XRL（邏輯異或，例如XRLP3,A）JBC（若位=1,則轉(zhuǎn)移并清零，例如JBCP1.1,LABEL）CPL（取反位，例如CPL,P3.0）INC（遞增，例如INCP2）DEC（遞減，例如DECP2）DJNZ（遞減，若不等于0則

15、轉(zhuǎn)移，例如DJNZP3,LABEL）MOVP1.7C（進(jìn)位位送到端口P1的位7）CLRP1.4（清零端DP1的位4）SETBP1.2（置位端DP1的位2）讀引腳指令一般都是以I/O端口為原操作數(shù)的指令，執(zhí)行讀引腳指令時(shí)，打開三態(tài)門，輸人口狀態(tài)。例如，讀P1口的輸入狀態(tài)時(shí)，讀引用指令為；MOVA,P10讀一修改一寫”指令指向鎖存器而不是引腳，其理由是為了避免可能誤解引腳上的電平。例如，端口位可能用于驅(qū)動(dòng)晶體管的基極，在寫1至該位時(shí)，晶體管導(dǎo)通，若CPU隨后在引腳處而不是在鎖存器處讀端口位，則它將讀回晶體管的基極電壓，將其解釋為邏輯00讀該鎖存器而不是引腳將返回正確值邏輯1。7浙江師范大學(xué)數(shù)理與信

16、息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制2.1.4 MCS-51單片機(jī)的引腳功能MSC-51單片機(jī)采用40引腳的雙列直插封裝(DIP)方式。圖7為其引腳及邏輯符號(hào)圖。在40條引腳中，有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶體的引腳，4條控制引腳，3I/O弓I腳。下面分別敘述各引腳的功能。1、主電源引腳Vss和VccVss(20):接地；Vcc(40):正常操作時(shí)接十5V電源2、外接晶體引腳XTAL1和XTAL2當(dāng)外接晶體振蕩器時(shí)，XTAL1和XTAL2分別接在外接晶體兩端，當(dāng)采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，XTAL1接地，XTAL2接外來振蕩信號(hào)。Mb Pd. u 1XD 也 1 丙而FTJ.

17、? rm P3.3To p3.qT：戶3-5 WR P3. f 和 F2.；KT3 XTAL1VxaW, 2Pt.)VO. 4P01. 6W, 7EA.Wm-A1F/PROG PFNF，7nnnnnmnnno i vcm m nn_1口匚匚匚& - J 4 8 您 1 O - & V r 2711 2 2 2 2a r F Fpp p F n n n n nurlX1A11XIAI 士EAVpp-PEN *AJX/PRCG .pst/vpd ，ftOSI8751圖7MCS-51單片機(jī)引腳圖及邏輯符號(hào)圖3、控制引腳RST/Vpp(9):當(dāng)振蕩器正常運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)二個(gè)機(jī)器周期以上的高電平使

18、單片機(jī)復(fù)位。Vcc掉電期間，此引腳可接備用電源，以保持內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)。當(dāng)Vcc下降掉到低于規(guī)定的水平，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。ALE(30):當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，由單片機(jī)的P2口送出地址的高8位，P0口送出地址的低8位，數(shù)據(jù)也是通過P0口傳送。作為P0某時(shí)選出的信息到底是低8位地址還是傳送的數(shù)據(jù)，需要有一信號(hào)同步地進(jìn)行分別。當(dāng)ALE信號(hào)(允許地址鎖存)為高電平(有效).P0口送出低8位地址，通過ALE信號(hào)鎖存低8位地址。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6,因此可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘。但需注意：當(dāng)

19、訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（執(zhí)行MOVX指令）時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。ALE端可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL輸入。PSEN（29）:程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，低電平有效。MCS-51單片機(jī)可以外接程序存儲(chǔ)器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它們的地址可以是重合的。MCS-51單片機(jī)是通過相應(yīng)的控制信號(hào)來區(qū)別到底P2口和P0口送出的是程序存儲(chǔ)器還是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址。從外部程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次聯(lián)砧有效，此時(shí)地址總線上送出地址為程序存儲(chǔ)器地址；如果訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的P5EN信號(hào)將不出現(xiàn)。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是靠（讀）及（寫）信號(hào)控制的。*群術(shù)同樣可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL輸入。EA/Vpp（31）:當(dāng)EA保持

20、高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（4K8）,但當(dāng)PC（程序計(jì)數(shù)器）值超過OFFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則只訪問外部程序存儲(chǔ)器（從0000H地址開始），不管單片機(jī)內(nèi)部是否有程序存儲(chǔ)器。對(duì)于EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳用于施加21V的編程電源（Vpp）。輸入輸出引腳P0.0-P0.7（39-32）:P0口是一個(gè)漏極開路型準(zhǔn)雙向I/O。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在E-PROM編程時(shí)，它接收指令字節(jié)，而在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。P1.0-P1.7（

21、18）:P1口是帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在EPROM編程和程序驗(yàn)證時(shí),它接收低8位地址。P2.0-P2.7（2128）:P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它送出高8位地址。在對(duì)EPROM編程和程序驗(yàn)證期間，它接收高8位地址。P3.0P3.7（1017）:P3口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在MCS5l中，這8個(gè)引腳還兼有專用功能，這些功能見表1。9/I;浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制P3 JP3. 2P3, 3P3. 1P3. 5P3. 6P3. 7E緩替化的專用功能!P3.ORXT“審行制人口）T

22、X1“串行輸出口?術(shù)亍。外部中斷61RT1外部中斷】）TQ（定時(shí)器。的外相輸入T1（定時(shí)部1的外部人W良（外部數(shù)據(jù)存他器與選遹）屈C外部數(shù)儲(chǔ)存徜器讀選通表1P3各口線與專用功能這些專用功能的口線，在與外部設(shè)備接口、外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等方面具有非常重要的作用。#浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制2.2 步進(jìn)電機(jī)2.2.1 步進(jìn)電機(jī)的控制原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步

23、進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。2.2.2 分類感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。2.2.2.1 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。1、結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開0、1/32/3,（相鄰兩軸子齒軸線間的距離為齒距以表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3T,C與齒3

24、向右錯(cuò)開2/3T,A與齒5相對(duì)齊，（A就是A,齒5就是齒1）定轉(zhuǎn)子的展開圖如圖8圖8定轉(zhuǎn)子的展開圖2、旋轉(zhuǎn)如A相通電，B,C相不通電時(shí)，由于磁場作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如B相通電，A,C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移M1/3T,此時(shí)齒3與C偏移為1/3,齒4與A偏移（-1/3）=2/3To如C相通電，A,B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3（止匕時(shí)齒4與A偏移為1/3對(duì)齊。如A相通電，B,C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷低按A,B

25、,C,A通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按A,C,B,A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6To甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12,1/24,這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。不難推出：電機(jī)定子上有滸目勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m（m-1）/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制一一這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。3、力矩電機(jī)一旦通

26、電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力F與（d/d8）成正比：其磁通量=Br*S,Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積。F與L*D*Br成正比：L為鐵芯有效長度，D的轉(zhuǎn)子直徑，Br=NI/R,NI為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。力矩二力*半徑。力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密成正比（只考慮線性狀態(tài)）。因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。2.2.2.2感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)1、特點(diǎn)感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電

27、機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個(gè)四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。一個(gè)二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時(shí)，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。2.2.3 步進(jìn)電機(jī)的控制方式如果通過單片機(jī)按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電

28、機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字一角度的轉(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3種方式。（1）單相三拍方式（按單相繞組施加電流脈沖）：一ABCH正轉(zhuǎn)；一ACB反轉(zhuǎn)。（2）雙相三拍方式（按雙相繞組施加電流脈沖）：一AB-BC-CZ正轉(zhuǎn)；一AC-CB-AB反轉(zhuǎn)。（3）三相六拍方式（單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖）：一AAB-B-BC-C-CA-正轉(zhuǎn)；一A-AC-CCB-B-BA反轉(zhuǎn)。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

29、度與速度下，三相六拍驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率需提高1倍，對(duì)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的開關(guān)特性要求較高。2.2.4 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

30、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)?，F(xiàn)在，脈沖分配器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、芯片化，市場上可以買到。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)，下面給出具體的使用單片機(jī)以軟件方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法。CPUCPOPTOFREE _DIR BVCC GND筵.一-oO驍圖9驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及電機(jī)接線圖說明：CP接CPU永沖信號(hào)（負(fù)信號(hào)，低電平有效）OPTO接CPU+5VFREE脫機(jī)，與CPUft線相接，驅(qū)動(dòng)電源不工作DIR方向控制，與CPU*線相接，電機(jī)反轉(zhuǎn)13浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一用80

31、51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制VCCGND直流電源正端直流電源負(fù)端接電機(jī)引出線紅線接電機(jī)引出線綠線接電機(jī)引出線黃線接電機(jī)引出線藍(lán)線步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機(jī)的電流越大，驅(qū)動(dòng)電源的電壓越高0力矩高壓頻率電壓對(duì)力矩影響如圖10:15圖10電壓對(duì)力矩影響2.2.5 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8所示。圖11單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)第3節(jié)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1雙相三拍控制程序圖12控制系統(tǒng)方框圖步序P1口輸出狀態(tài)繞組控制字100000011AB03H200000110BC06H20000

32、0101CA05H表2雙相三拍控制模型假定有如下工作單元和工作位定義:RM步進(jìn)數(shù)寄存器；PSW沖，F(xiàn)0為方向標(biāo)志位， 參考程序如下：BEGIN JB F0 , L0OP2LOOP1 MOV A #03H MOV Pl, A LCALL DELAY DJNZ R0 DONE MOV A #06H MOV P1 A LCALL DELA Y DJNZ, DONE MOV A #05HF0=0正*專,F0皈轉(zhuǎn)。;判正反轉(zhuǎn);第1拍控制碼；延時(shí)；;第2拍控制碼；;第3拍控制碼lOrx浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制MOVPl,A;LCALLDELAY;DJNZR

33、0DONE;AJMPLOOP;循環(huán)LOOP2MOVA,#03H;反轉(zhuǎn)M0VPl,A;LCALLDELAY;DJNZRo,DONE;MOVA,#05H;M0VPl,A;LCALLDELAY;DJNZRo,DONE;MOVA#06H;M0VPl,A;LCALLDELAY;DJNZRoDONE;AJMPLOOP2;循環(huán)DONE:RET;返回3.2三相六拍控制程序在雙相三拍程序中，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RAML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POIN叨首地址的內(nèi)部RAW,表的內(nèi)容如下：POINTDB01H;正轉(zhuǎn)ADB03H;ABDB02H;BDB06H;BCDB04H;CDB05H;CADB00H;循環(huán)標(biāo)志DB01H;反轉(zhuǎn)ADB05H;ACDB04H;C19DB06H;CBDB02H;BDB03H;BADB00H;循環(huán)標(biāo)志參考程序如下：BEGINMOVR1#POINTLOOP1MOVAR1JZLOOP3MOVPl,AACALLDELAYINCR1AJMPLOOP