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不仅电机控制

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标    签:步进电机单片机

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关于单片机设计的不仅电机的资料

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英才高职论坛 The Forum of Yingcai H igher Vocational Education 2006年第 1期 (总第 2期 ) 2006 No. 1 ( Serial No. 2) 步进电机程序控制 3 杨新军 (山东英才职业技术学院 机械制造及自动化工程学院 ,山东 济南 , 250104)   摘要 :步进电机具有控制简便 、定位准确等特点 。随着科学技术的发展 ,在许多领域将得到广泛的应用 。鉴于传统的脉 冲系统移植性不好 ,本文提出微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器 ,用软件的方法产生控制脉冲 ,通过软件编程可以 任意设定步进电机的转速 、旋转角度 、转动次数和控制步进电机的运行状态 。以简化控制电路 ,降低生产成本 ,提高系统的运 行效率和灵活性 。在此基础上提出了双三拍步进电机程序控制的硬件接口电路 、程序流程图和汇编程序 。 关键词 :步进电机 ;单片机 ;硬件接口电路 ;汇编语言   步进电机是自动控制系统中常用的执行部件 。步进电 机的输入信号为脉冲电流 ,它能将输入的脉冲信号转换为阶 跃型的角位移或直线位移 ,因而步进电机可看作是一个串行 的数 /模转换器 。由于步进电机能够直接接受数字信号 ,而 不需数 /模转换 ,所以使用微机控制步进电机显得非常方 便 [1]。 步进电机有以下优点 : (1)通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制 ; (2)位置误差不会积累 ; (3)与数组设备兼容 ,能够直接接收数字信号 ; (4)可以快速启停 。 步进电机的品种规格很多 ,按照它们的结构和工作原理 可以划分为磁阻式 (也称反应式或变磁阻式 )电机 、混合式 电机 、永磁式电机和特种电机等四种主要型式 。 步进电机不需位移传感器就可精确定位 ,所以在精确定 位系统中应用广泛 。目前打字机 、计算机外部设备 、数控机 床 、传真机等设备中都使用了步进电机 。随着电子计算机技 术的发展 ,步进电机必将发挥它的控制方便 、控制准确的特 点 ,在工业控制等领域取得更为广泛的应用 。 状态 (1) ,开关 I闭合 , A 相通电 。由于 A 相绕组受到激磁 , 空气隙里出现如箭头所示的磁场 。A 相上的两个定子磁极 和两个转子齿对准 ,转子处于平衡状态 。若再闭合开关 R 激励 B相 ,如状态 ( 2)所示 , B 相的定子磁极以同样的方式 产生磁场 。在磁力线的张力作用下 ,产生逆时针方向的转 矩 。于是 ,转子沿逆时针方向转过一个固定的角度 ,到达状 态 (3) 。图中 ,转过的角度为 15°。如果现在打开开关 I,去 掉 A 相的激磁 ,转子将再转 15°,到达状态 ( 4) 。因此 ,转子 的角位置可以用这种开关方式进行控制 。若开关以某种时 序转换 ,则转子就能以步进运动的方式连续旋转 ;若进一步 使时序转换的速度可调 ,则平均速度也能用这种开关方式进 行控制 。 1. 步进电机的工作原理 以磁阻式步进电机为例 ,介绍一下步进电机的工作原 理 ,图 1. 1是磁阻式步进电机工作原理的示意图 。 它的定子上有六个极 ,转子有四个极 。定子磁极上绕有 三组绕组 ,每组绕组由相互串联的两个线圈构成 。一组绕组 叫做一相 。因此 ,图 1. 1所示的电机为三相步进电机 。直流 电源通过开关 I、Ⅱ和 Ⅲ,驱动电流流过绕在定子上的绕组 。 图 1. 1  磁阻式步进电机的工作原理 实际上 ,驱动步进电机的开关是晶体管 ,开关信号由数 字集成电路或微机产生 。通过前面的介绍可以看到 ,步进电 机是一种把开关激励的变化变换成精确的转子位置增量运 动的执行机构 [2 ] [ 3 ] 。 3 收稿日期 : 2005 - 10 - 21 作者简介 :杨新军 (1977— ) ,女 ,硕士 ,山东英才职业技术学院机械制造及自动化工程学院教师 。 52 2. 步进电机程序控制的设计 2. 1 步进电机的传动方式 2. 1. 1 三相单三拍工作方式 在这种工作方式下 , A、B、C三相轮流通电 ,电流切换三 次 ,磁场旋转一周 ,转子向前转过一个齿距角 。因此这种通 电方式叫做三相单三拍工作方式 。这时步距角 θ b (度 )为 θ b = 360 /mz   ( °) (2 - 1) 式中 : m ──定子相数 ; z ──转子齿数 2. 1. 2 三相六拍工作方式 在这种工作方式下 ,首先 A相通电 ,转子齿与 A 相定子 齿对齐 。第二拍 , A 相继续通电 ,同时接通 B相 , A、B各自建 立的磁场形成一个合成磁场 ,这时转子齿既不对准 A 相也 不对准 B相 ,而是对准 A、B两极轴线的角等分线 ,使转子齿 相对于 A 相定子齿转过 1 /6齿距 ,即 1. 5°。第三拍 , A 相切 断 ,仅 B相保持接通 。这时 ,由 B 相建立的磁场与单三拍时 B相通电的情况一样 。依次类推 ,绕组以 A —AB —B —BC— C—CA —A 时序 (或反时序 )转换 6 次 ,磁场旋转一周 ,转子 前进一个齿距 ,每次切换均使转子转动 1. 5°,故这种通电方 式称为三相六柏工作方式 。其步距角 θ b 为 : θ b = 360 /2mz = 180 /mz   ( °) (2 - 2) 2. 1. 3 双三拍工作方式 这种工作方式每次都是有两相导通 ,两相绕组处在相同 电压之下 ,以 AB ─BC─CA ─AB (或反之 )方式通电 ,故称为 双三拍工作方式 。以这种方式通电 ,转子齿所处的位置相当 于六拍控制方式中去掉单三拍后的三个位置 。它的步距角 计算公式与单三拍时的公式相同 。 由上述分析可知 ,要使磁阻式步进电机具有工作能力 , 最起码的条件是定子极分度角不能被齿距角整除 ,且应满足 下列方程 : 极分度角 /齿距角 =R + k· 1 m 进一步化简得齿数 z: z = q (mR + k) (2 - 3) 式中 : m ──相数 ; q──每相的极数 ; k──≤ (m - 1 ) 的正整数 ; R──正整数 ,为 0、1、2、3…。 按选定的相数和不同的极数 ,由上式就可推算出转子齿 数。 因为三相双三拍步进电机不易失步 ,控制精度比较高 , 所以本文对三相双三拍步进电机进行控制 ,定子有三对磁 极 ,运行时两相同时通电 ,循环带动转子转动 。 2. 2 硬件接口电路 传统的步进电机控制系统采用硬件进行控制 ,用一个脉 冲发生器产生频率变化的脉冲信号 ,再经一个脉冲分配器把 方向控制信号和脉冲信号转换成有一定逻辑关系的环形脉 冲 ;经驱动电路放大后就可以来驱动步进电机了 。在这种控 制中 ,步进电机的脉冲由硬件电路产生 ,如果系统发生变化 或使用不同类型的步进电机 ,需重新设计硬件电路 ,系统的 可移植性不好 [4 ] [ 5 ] 。 用微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器 ,就可以 根据系统需要通过软件编程的方法任意设定步进电机的转 速 、旋转角度 、转动次数和控制步进电机的运行状态 。这样 可简化控制电路 ,降低生产成本 ,提高系统的运行效率和灵 活性 。图 2. 1为单片机控制步进电机接口原理图 。 图 2. 1  单片机控制步进电机接口电路原理图 2. 3 脉冲的形成 实现对步进电机的控制 ,微机应能输出有一定周期的控 制脉冲 。 步骤是 :先输出一个高电平 ,延时一段时间后 ,再输入一 个低电平 ,然后再延时 。改变延时时间的长短 ,即可改变脉 冲的周期 ,脉冲的周期由步进电机的工作频率确定 [6 ] [7 ] 。 用软件形成环形脉冲的程序流程图如图 2. 2所示 。 图 2. 2  软件法形成脉冲序列的程序流程 53 程序如下 : PULSE: MOV      R3 , # NUM     PUSH A     PUSH PSW LOOP: SETB     ACALL     CLR     ACALL P1. 0 D ELA Y1 P1. 0 D ELA Y2     DJNZ R3, LOOP     POP PSW     POP A     RET 2. 4 旋转方向控制 步进电机的旋转方向和内部绕组的通电顺序及通电方 式有密切关系 [8~10 ] 。 对于三相双三拍工作方式 : 正相旋转 : AB →BC→CA →AB 反相旋转 : AB →CA →BC→AB 三相双三拍控制模型如表 2. 1所示 。 (1)正转控制模型 : 步序 通电方式 控制模块 二进制 十六进制 可编程的硬件定时器直接对系统时钟脉冲或某一固定 频率的时钟脉冲进行计数 ,计数值则由编程决定 。当计数到 预定的脉冲数时 ,产生中断信号 ,得到所需的延时时间或定 时间隔 。由于计数的初始值由编程决定 ,因而在不改动硬件 的情况下 ,只通过程序变化即可满足不同的定时和计数要 求 ,因此使用很方便 。 [11~13 ] 2. 6 控制程序设计 控制程序的设计方法是 :通过标志位 FLAG来判断电机 的旋转方向 ,然后输出相应的控制脉冲序列 ;判断要求的脉 冲信号是否输出完毕 [14 ] 。 三相双三拍控制模型完成的步进电机控制程序设计如 下: 三相双三拍控制程序流程图如图 2. 3 和图 2. 4 所示 。 正转控制模型 03H、06H、05H 存放在以 RM 为起始地址的内 存单元中 ,反转控制模型 03H、05H、06H 存放在以 LM 为起 始地址的内存单元中 。 1 AB 00000011 03H 2 BC 00000110 06H 3 CA    (2)反转控制模型 步序 通电方式 00000101 05H 控制模块 二进制 十六进制 1 AB 00000011 03H 2 CA 00000101 05H 3 BC 00000110 06H 表 2. 1  三相双三拍步进电机控制模型   2. 5 转速控制 控制步进电机的运行速度 ,实际上是控制系统发出时钟 脉冲的频率或换相的周期 ,即在升速过程中 ,使脉冲的输出 频率逐渐增加 ;在减速过程中 ,使脉冲的输出频率逐渐减少 。 脉冲信号的频率可以用软件延时和硬件中断两种方法来确 定。 采用软件延时 ,一般是根据所需的时间常数来设计一个 子程序 ,该程序包含一定的指令 ,设计者要对这些指令的执 行时间进行严密的计算或者精确的测试 ,以便确定延时时间 是否符合要求 。每当延时子程序结束后 ,可以执行下面的操 作 ,也可用输出指令输出一个信号作为定时输出 。采用软件 定时 , CPU一直被占用 ,因此 CPU 利用率低 。 54 图 2. 3  主程序流程图 图 2. 4  定时器中断服务程序流程图 主程序如下 : CON: MOV   R3, # N    MOV TMOD , # 10H    MOV TL1 , # LOW    MOV TH1 , # H IGH    JNB FLAG , LEFT    MOV R0 , RM    AJM P TIM E - S LEFT: MOV R0 , LM TIM E: SETB EA    SETB ET1    SETB TR1 WA IT: SJM P WA IT 中断服务程序如下 : INTTO: PUSH   A      PUSH PSW      MOV A , @R0      MOV P1 , A       INC R0      MOV A , # 00H      XRL A , @R0      JNZ N EXT      MOV A , R0      CLR C      SUBB A , # 03H      MOV R0 , A NEXT: DJNZ      CLR      CLR R3 , RETU ET1 EA RETU: POP PSW      POP A      RETI 3. 总结与展望 步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一 ,是一种 性能良好的数字化执行元件 。随着计算机应用技术 、电子技 术和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入 ,步 进电机的需要量越来越大 。有资料说明 ,世界上步进电机的 年产量以 10%以上的速度增长 。国内对步进电机的需求同 样也与日俱增 。实际工作中 ,很多工程技术人员和技术工人 都希望比较全面地了解步进电机及其控制技术 。 本文对步进电机的控制方法进行了详细的论述 ,包括硬 件接口的设计 、软件方案的设计和汇编控制程序的编写 。此 种方法高效 、方便 、成本低廉 ,在实际应用中有着很高的利用 价值 。 参考文献 : [ 1 ] 王鸿钰. 步进电机控制技术入门 [M ]. 上海 : 同济大学出版社 , 1990. [ 2 ] 郑伟. 步进电机的计算机控制 [ J ]. 韶关大学学报 , 1994 (4). [ 3 ] 李君凯. 步进电机控制系统 [ J ]. 自动化与仪器仪表 , 2003 (1). [ 4 ] 宁爱华. 步进电机的微机控制方法与高速特性分析 [ J ]. 西南民 族大学学报 (自然科学版 ) , 2003 (8). [ 5 ] 黄文平. 浅谈步进电机的驱动 [ J ]. 机床电器 , 2004 (5). [ 6 ] 王彦增. 步进电机速度控制的软件设计方法 [ J ]. 机械与电子 , 1994 ( 2) . [ 7 ] 霍迎辉 ,陈宇翔. 步进电机的微机和单片机控制 [ J ]. 电机电器 技术 , 2003 ( 3) . [ 8 ] 刘清. 一种控制步进电机转速的方法 [ J ]. 微特电机 , 2004 (1). [ 9 ] 徐晓波. 应用 8098单片机实现对步进电机的控制 [ J ]. 电子与自 动化 , 2000 ( 4) . (下转 36页 ) 55 析 ,反复比较 ,积极思考 ,找出英汉两种语言的本质特征 ,辩 别语言差异 ,寻找实现正面迁移的主体关联内容 ,促进英语 知识的学习与掌握 。引导学生将新知识纳入语言系统之中 , 弄清它的正确归属点 ,避免已有汉语知识对英语新知识的干 扰 。吕叔湘先生在《中国人学英语 》一书中指出“我相信 ,对 于中国学生最有用的帮助是让他认识英语和汉语的差别 ,在 每一个具体问题 ———词形 、词义 、语法范畴 ,句子结构上 ,都 尽可能用汉语的情况来跟英语作比较 ,让他通过这种比较得 到更深刻的领会 。”这可以说是语言学家的经验之谈 。 参考文献 : [ 1 ] 张述祖. 基础心理学 [M ]. 东北大学出版社 , 1995. [ 2 ] 陆国强. 现代英语联想与搭配 [M ]. 上海译文出版社 , 1985. [ 3 ] 胡春洞. 英语教学法 [M ]. 人民教育出版社 , 1990. [ 4 ] 肖君石. 英汉 、汉英翻译初探 [M ]. 商务印书馆 , 1983. [ 5 ] 王蔷. 英语教学法 [M ]. 首都师范大学出版社 , 2002. [ 6 ] 张文新. 高等教育心理学 [M ]. 山东人民出版社 , 2004. [ 7 ] Klein, W. Second Language acquisition . Cambridge University Press, 1986. [ 8 ] Ellis, R. The Study of Second Language A acquisition. Oxford Uni2 versity Press, 1992. Rea liz ing the Im portance of English - S ino Com para tive Teach ing from the Theory of Study Tran sfer L iu J inghui ( School of Foreign Languages, Shandong Yingcai Vocational Technology College, J inan, Shandong, 250104) Abstract:According to the learning transfer theory of cognitive p sychology in the English teaching activity, Chinese teaching p ro2 motes English learning. W hen we teach English, we must app rop riately compare English with Chinese. Positive transfer help s learners function effectively in the situation for which they have no p reviously acquired information. It enables learners to solve p roblem s they have never seen before. W hen learning from one situation interferes w ith learning in another situation, this is referred to as negative transfer. Negative transfer is usually detrimental to learning. A major goal of education is to facilitate positive transfer and to m inim ize negative transfer. Keywords: comparison teaching; positive transfer; negative transfer; different culture; English teaching (上接 55页 ) [ 10 ] 曹航. 用微机直接控制的步进驱动系统 [ J ]. 低压电器 , 1998 (8). [ 11 ] 许永华 ,李刚 ,陈科 ,李逸东. 8098 单片机对步进电机 的升降速控制 [ J ]. 机械与电子 , 1995 (6). [ 12 ] 王玉琳. 一种新型步进电机驱动器 [ J ]. 机电一体化 , 2004 (4). [ 13 ] 彭树生. 用 PC机控制步进电机的两种方法 [ J ]. 电子 技术 , 1995 (12). [ 14 ] 郑学坚. 微型计算机控制技术 [ J ]. 清华大学出版社 , 1999 (3). The Programmable Con trol of Stepp ing M otor Yang Xinjun ( School of M echanical Engineering and Automation, Shandong Yingcai Vocational Technology College, J inan, Shandong, 250104) Abstract: Stepp ing motor has the advantages of easy control and exact p lacement. It has widely used in varied fields. W hereas the transp lant of the traditional pulse is poor, this thesis p roposed that the computer - controlled system should be used instead of pulse p roducer and pulse divisor. The velocity, rotate angle, rotate times and running condition of the stepp ing motor can be set at w ill through software p rogram. In this way, the control circuit can be simp lified, the p roduct cost brought down and the running efficiency and feasibility increased as well. On this basis the hardware interface circuit, the p rogram flow chart and the assembly p rogram of double three bat stepp ing are p roposed. Keywords: stepp ing motor; single chip; hardware interface circuit; assembly language 36

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