单片机控制步进电机的软件设计特点

深圳力辉电机力辉电机单片机控制步进电机的软件设计特点步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降-氐了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。用同一个电路只要改变软件就可实现多种控制方案，特别是MCS_51系列单片微型计算机，它集CPU、RAM、ROM、CTC、I/O于一体，具有集成度高、软件资源丰富、控制功能和位寻址功能强等优点，更为控制器的软硬件设计提供了方便。本文介绍MCS-5l系列的8031单片机对三相、四相、五相等不同相数步进电动机实现启动、停止、正转、反转、变速等控制的软件设计。本应用系统只需改变EPROM内容及相应引脚的控制功能就可用于各种不同要求的系统。2硬件结构图l所示电路以8031单片机为核心，外扩程序存储器2732、地址锁存器74LS377、输出控制锁存器74LS377及功能键等。单片机输出控制字由Po口数据总绒经过锁存器74LS377输给步进电动机的功放电路，8031的P1口设置为位控方式，通过各功能键输入控制指令实现对步进电动机的开环控制，P．口各引脚功能为：P1.0-启、停控制位，Pl.0=“0”，停止，P1.0=“1”，启动电机。Pl.l-正、反转控制位，Pl.l=，“0”，电机正转，P1.1=“1”电机反转。P1.2-单、双拍制控制位，Pl.2=“0”为单拍制分配方式，即拍数N与电机相数m相等，P1.2“1”为双拍制分配方式，即拍数为相数的二倍，如三相六拍、四相八拍等。P1.3、P1.4.P1.5分别为三相、四相、五相脉冲分配方式的控制位，当P1.3=“1”，P1.4.P1.5均为“0”时，系统由Po.o、P0．1、P0.2三端输出三相脉冲信号，实现对三相步进电动机的控制；当P1.4=“1”，P1.3、P1.5均为“0”时，系统由P0.0～P0.3按四相环形分配深圳力辉电机力辉电机器功能输出脉冲信号，实现对四相步进电动机的控制。3软件设计3.1用软件实现环形分配器功能的方法用微机软件实现环形分配器功能的方法比较多，如查表法、循环移位法、判断法等，本设计采用查表法，对于三相反应式步进电动机，当A、B、C三相绕组的功放电路经锁存器分别接到Po口的P0.0、P0.1、P0.2时，要使电机的A、B两相绕组通电，P0口的状态应为0.3H，使B、C两相绕组通电，P0口的状态应为0.6H。因此实现三相双三拍及三相六拍分配方式的真值表如表l所示。在内存开辟一个状态表存储区，把表中的状态字存放在以8140H为首地址的存储单元，在寄存器区选用尺，作为状态表指针，初始化程序中设定（R1）=00H．即指向状态表的首地址，把状态字03H送出，使步进电动机的A、B两相绕组通电按一定顺序依次把状态表中的内容送出口，即实现了环形分配器的功能。用软件实现环形分配器功能的程序框图如图2所示。深圳力辉电机力辉电机三相六拍分配方式与三相双三拍分配方式的程序有二点不同。a．状态表长度不同，因此指针内容不同，三相双三拍时，(Ri)=00H—02H:：相六拍时，(Rl)=00H—05H;b．状态表首地址不同。3.2转向控制对于三相六拍而言，如果把表中的状态字自上而下的顺序依次送出Po口，步进电动机三相绕组的通电顺序为AB-B-BC-C-CA-A-AB，那么按自下而上的顺序依次送出状态字，电机的通电顺序为AB-AAC-C-CB-B-BA，电机旋转方向相反。因此，实现正反转的程序框图如图3所示。图中虚线框内为调整状态表指针的程序框图。3.3转速控制深圳力辉电机力辉电机步进电动机每个通电状态保持时间的短，也就是状态指针移动的频率决定电机的旋转速度。用单片机实现转速控制的主要方法有两种，软件延时法和中断法。3.3.1软件延时法软件延时法是根据对电机转速的要求确定每个通电状态的保持时间，编成延时子程序时时间到，再送下一个状态字，如图2中调延时子程序及图3中的“延时”都是为实现此目的而设计的子程序，改变延时子程序的延时时间就可改变电机转速。如果要求电机有几个速度档，可分别调用几个不同的延时子程序实现变速。对应于图1所示电路，可设定P1.6、P1.7的不同状态，调用不同的延时子程序有级变速，其程序框图如图4所示。3.3.2中断法8031单片机提供五个中断请求源，其中两个为外部中断源，由INTo、INT1输入，两个为内部定时器／计数器溢出时产生的中断请求；一个为片内串行口产生中断请求。每个中断源可以用软件独立地控制为开中断或关中断状态。在步进电动机控制器的设计中，可充分利用这五个中断源，选用不同的中断方式实现对电机转速的控制。如果步进电动机是作为伺服系统执行元件，其转速要受指令（电压或频率）倍号的控制，可采用外部中断法或定时器／计数器对外部信号进行计数的计数溢出中断法来控制；如果步进电动机是作为恒速运行的驱动元件，可设定时器／计数器为定时器工作状态，采用定时溢出中断法。3.3.2.1外部中断法外部中断法是把转换成一系列电脉冲信号的指令信号作为外部中断源(外中断0或1)，在每个外部脉冲的下降沿产生中断，单片机执行中断服务程序，改变电机的通电状态，采用中断法控制电机转速，并可实现启动与停止、正转与反转控制的中断服务程序的框图如图5所示。3.3.2.2计数溢出中断法把定时器／计数器To（或Tl）设定为计数器工作方式，对外部指令脉冲进行计数，当计数值达到设定值时产生溢出中断，执行中断服务程序，改变电机的通电状态。采用这种控制深圳力辉电机力辉电机法，8031单片机起到了对外部脉冲分频及脉冲分配两作用。3.3.2.3定时中断法把定时器／计数器To（或Ti）设定为定时器工作方式，对内部时钟信号进行计数，计数初值根据对电机转速要求决定，定时器每个机器周期自动加1(当选用6M晶振时，每个机器周期为2μs），计数溢出执行中断服务程序，改变电机通电状态、重装计数初值，可实现正反转控制、启动与停止控制的溢出中断服务程序框图与图5的区别只是在中断返回前需给定时器送初值。可见，软件延时法在保持电机通电状态时间内，都要占CPU。8031单片机只能控制一台（或几台同样工作方式）步进电动机：采用中断法控制时，单片机只在响应中断时执行中断服务程序，改变电机的通电状态、调整状态表指针等，占用CPU很少一段时间，而大部分时间可完成其他工作。因此，采用这种控制方法可有效地发挥和利用单片机的软硬件，满足应用系统的多种控制要求。4结语4.1控制方法简单灵活转速有两种主要控制方法，采用中崩制法时，又有外部中断法、汁数器计数稿中断法及定时中断法三种。4.2适应性应用范围广用单片机控制步迸电动机可作为一个实现各种使用要求的独立应用系统，用于尝试研步进电动机在各种运行状态时的交性能，也可作系统中的‘个环节，实现系统对电机的控制。当用于自控系统中时，可以根据使用要求通过软件对P1口各位控制重新定义其功能，以适应各种控制要求。4.3改变控制方式及更换电机方便步进电动机的分配方式直接影响到电机的性能的好坏及硬件成本的高低，选用的分配方式可更好地发挥电机的潜力，电机可有几种不同的分配方式，如四相式步进电动机共有单四深圳力辉电机力辉电机拍、双四拍及3-2八拍等分配方式。要改变或更换不同相数的步进电动机，只要EPROM中的软件，就可实现控制方面改变。