基于proteus的步进电机控制

 

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

图1　35BY48S03型步进电机的接线图

图1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、/AC、BC、/BC，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、/A、B、/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，电路如图所示。

http://s3/middle/6c97f3a34c6032919f902&690

 图2　单片机控制35BY48S03型步进电机的电路原理图

 

    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。

 

三、步进电机的驱动实例

要求：控制电路如图2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2　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

ORL P1,#11110000B

JMP LOOP

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,#MinSPD,KEY_RET    ;不等（未到最小值）返回

MOV SPEED,#MinSpd+1                ; 是则加1，保证下次仍为该值

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DjCount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。