步进电机细分控制的单片机实现

ｔ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌａ ｃ ｒ ｃ ｆｔ ｅ ｓｅ ｍｏｏ ｏ ｐ ｏ ｉ ｅ ａ ｆ ａ ｉ ｌ ｅｅ ｅ ｃ ｌｎ ｏ ｉ ｒ ｖ ｈ ｏ ｔ ｃ ｕ ａ ｙ ｏ ｔ ｐ ｔｒｔ ｒ ｖ ｄ ｅ ｓｂ ｅ ｒ ｆ ｒ ｎ ｅ ｐａ ． ｏ ｈ Ｋｅ ｒ ｓ ｔｐ ｔｒ ｙ ｗｏ ｄ ：ｓ ｍｏ ｏ ；ｍｉｒ ｓｅ ｐ ｎ ｍｏ ｏ ｔ ｌ ｉ ｇｅ ｃ ｉ ｏ ｕ ｅ ｅ ｃ ｏ ｔｐ ｉ ｇ ｄ ｓ ｃ ｎ ｒ ；ｓ ｌ －ｈ ｐ ｃ ｍｐ ｔｒ ｏ ｎ
制 ， 以步进 电机 不仅 用 作 角 位移 的控 制 ， 所 同样 也
足较高控制精度需求的驱动器。而步进 电机的细
分控 制 就 成 为 了这 些 改 造 和 设 计 的 最 佳 选 择 方 案 ¨。
收 稿 日期 ：０ ｌ ０— ５ ２ ｌ 一１ １
作者简介 ： 郑
１６ ０
宇 （９ ６一） 男 ， １７ ， 工学硕士 ， 师 ， 讲 研究方向为 ： 片机及嵌入式控制 系统 。 单
输 出 的 目的。
Ｂ Ｉｕ ｌ ｏ ｔ Ｃ Ｉｕ ｌ ｏ ｔ Ｄ Ｉｕ ｌ ｏ ｔ
考虑 到 细分 控 制 的关 键 是各 相 电流 的变 化 不 再 是 ０和最大 值 的交 替变 化 ， 而是此 消彼 长 Ｊ 。同
开始 时 ， 关 Ｓ 开 Ｂ接 通 电源 ，Ａ、Ｃ、 Ｄ断开 ， Ｓ Ｓ Ｓ Ｂ 相磁 极 和转 子 ０ ３号 齿 对 齐 ， 、 同时 ， 子 的 １ ４号 转 、
动， 每转 动一 步 ， ４ 。８个 脉 冲 电机 转 一 周 。其 为 ５，
中 ， Ａ相 和 Ｂ相 同时 通 电 时 ， Ｂ相 的合 力 刚好 当 Ａ
第３ ０卷 第 ２期 ２１ ０ ２年 ３月
贵州师范大学学报 （ 自然科学版 ）
Ｊｕｎｌ ｆ ｕｚｏ ｏｍ ｎ ｅｓｙ（ ａ ｒ ｃ ｎｅ） ｏｒａ ｏ ｉ ｕＮ ｒ ａ Ｕ ｉ ｒ ｔ Ｎ ｔ ａ Ｓ ｉ ｃｓ Ｇ ｈ ｌ ｖ ｉ ｕｌ ｅ
Ｖｏ ． １３Ｏ． ． Ｎｏ ２ Ｍ ａ ０１ ｒ２ ２
文 章 编 号 ：０ ４ ５ ７ （０ ２ ０ ０ ０ ０ １０ － ５０ ２ １ ）２— １６— ４
步 进 电机 细分 控 制 的单 片 机 实 现
郑 宇
（ 贵州 师范大 学 机械 与电气工程 学院 ， 贵州 贵阳 ５０ １ ） ５０ ４
摘要 ： 步进 电机是机 电一体化执行元件 的重要产 品之一 ， 由于其易 于精 确控 制 的 良好性 能而受 到广 泛的应 用 。
用 。对 于步进 电机 的控制 要求 ， 越来越 多地 出现 也 了精 确控 制及 运 行平 滑 的要 求 。这 些 都 需 要 能满
于它是一种将电脉冲信号转化为角位移 的执行机 构。由于步进电机每个控制脉 冲所运转 的角度都 是 固定 的 ， 结合传 动轮 半径 就能计 算 实现距 离 的控
四相 绕组 轮 流供 电 ， 转子 会沿 着 Ａ、 Ｃ、 则 Ｂ、 Ｄ方 向
ＡＡ—＋ ＡＡ ＋ ＢＢ—＋ ＢＢ—＋ ＢＢ ＋Ａ Ａ—＋ ＡＡ—＋ ＡＡ ＋ ＢＢ— ＢＢ— ｝ ＢＢ ＋ ＡＡ
～ 一 ～ 一 舢
Ｂ
图 ３ 步 进 电 机 细 分原 理 图
Ｆ ｇ ３ Ｓ ｅ ｐ ｎ ｔｒｓ ｂ ｉｉｉｎ ｃ ｎｒ ｌｐ ｉ ｃｐ ｅ ｄ ａ ａ ｉ． ｔ ｐ ｉｇ ｍｏｏ ｕ ｄ ｖ ｓ ｏ ｔ ｒｎ ｉ ｌ ｉｇ ｍ ｏ ｏ ｒ
利 用 Ｄ Ｃ ８ ２的双 缓 冲特性 ， 各 Ｄ Ｃ数 模 转换 Ａ ０３ 将 Ａ
芯片的第一级锁存信号各 自分配独立 的地址线进
行 连接 ， 便单 片 机 使 能不 同 的地 址 线 ， 各 自需 方 将 转换 的数 字量送 入各 Ｄ Ｃ芯 片 的第 １级 锁存 器进 Ａ 行 锁存 。 当 ４个 Ｄ Ｃ ８２要转 换输 出 的数字 量 都 Ａ ０３ 装 入 以后 ， 时使 能 连 接 在 一 起 的第 ２级 缓 存 信 同 号 ， 到同时启 动 ４个 Ｄ Ｃ数 模 转 换 器 同 时转 换 达 Ａ
Ａｃ ｏｄｉｇ ｔ ｈｅ ｓｅ ｍｏｏ ｃ ｏ ｔ ｐ ｉ ｇ ｄ ｓ ｃ ｎ ｒ ｌｐ ｎ ｉ ｌ ｐ ｔｆ ｒ ｒ ／ Ａ ｃ ｎ ｅ ｓｏ ｃ ｒ ｎ ｏ ｔ ｔｐ ｔｒ ｍｉｒ ｓｅ ｐ ｎ ｍｏ ｏ ｔｏ ｒ ｃｐ ｅ， ｕ ｏｗａ ｄ ｂｙ Ｄ ｉ ｏ ｖ ｒｉ ｎ ｍｏ ｕ ｅ ｗｉ ｉ ｇｅ ｃ ｉ ｏ ｕ ｅ ｏ ｔｏ ｏ ａ ｈ ｅ ｅ ｔ ｃ ｏ ｔｐ ｉ ｇ ｄ ｓ ｃ ｎ ｒ ｌｍｅ ｈ ｄ，ｉ ｒ ｅ ｄ ｌ ｔ ｓｎ ｌ — ｈ ｐ ｃ ｍｐ ｔ ｒｃ ｎ ｒ ｌｔ ｃ ｉｖ ｈｅ ｍｉ ｒ ｓｅ ｐ ｎ ｍｏ ｏ ｔｏ ｔ ｏ ｈ ｎ ｏｄ ｒ
１ ０７
贵州师范大学学报 （ 自然科学版 ）
第３ ０卷
分 控制 ， 以选择使 用专 用 的细分 控制 芯片来 进行 可 设计 ， 比如 东 芝 公 司 生 产 的 Ｔ ８３ ； 国 Ａｌｇｏ Ａ４５ 美 ｌ ｒ ｅ Ｍｉｏｙｔｍ 公 司生 产 的 Ａ ９７系 列 细 分 转 角 精 ｃ Ｓｓ ｓ ｒ ｅ ３７ 确 控制 芯片 及其 制 成 品 。它 能 根据 设 定 来 生成 指 定 细分 数 的两相 电流控 制信 号 ， 是该 方法 只适 用 但 于两 相步进 电机 ， 四相步 进 电机就不 能产 生所 需 对
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｔｐ ｔｒ ｉ ｈ ｎ ｅ ｒ ｔｏ ｆｍｅ ｈ ｎｉａ ｎｄ ｌｃ ｒｃ ｌ ａ ｔ ａｏ ｓ ｏ ｅ ｏ ｈｅ ｉ ｏ ｔｎｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｓｅ ｍｏ ｏ ｓ ｔ ｅ ｉ ｔ ｇ ａｉｎ ｏ ｃ ａ ｃ ｌ ａ ｅｅ ｔｉ ａ ｃ ｕ ｔ ｒ ｉ ｎ ｆｔ ｍｐ ｒａ
齿 就 和 Ｃ、 Ｄ相 绕 组磁 极 产 生错 齿 ， ５号 齿 就 和 ２、
Ｄ、 Ａ相绕 组磁 极产 生错 齿 。
使转 子在 ４ 。 ５ 平衡 ， 是 因为 Ａ 这 Ｂ相 的 电 流 大小 一 样 大 ， 生 的 合 力 正好 在 ４ 。 得 平衡 。那 么 ， 产 ５获 如 果改 变 Ａ Ｂ相 电流 Ｉ 小 ， 它 们在 两相 夹 角 范 围 大 让 内产 生几 个不 同的平衡 位置 ， 就可 以不 用改 变相数 的情 况 下 ， 两 相 的夹 角 间 实 现 细 分 转 动 角 的控 在 制 Ｊ即图示 的 两 相 步 进 电机 也 能 实 现 ８拍 的控 ，
０ 引言
步进电机作为执行元件 ， 是机电一体化的关键
产 品之一 。步进 电机 和普 通 电动 机 的不 同之 处 在
常用于需要精确控制运行距 离的场合。在很多老 式的控制系统中， 步进电机的控制都是用固定大小 的脉冲来控制的， 控制精度通常不高。在旧设备上 拆 下来 的步 进 电机 更需 要 重 新 设 计 驱动 器 以做 它
制。
当开 关 ｓ Ｃ接 通 电源 ，Ｂ、Ａ、Ｄ断 开 时 ， Ｓ Ｓ Ｓ 由于 ｃ相绕 组 的磁力 线 和 １４号齿 之 间磁 力 线 的作 用 ， 、 使转 子转 动 ，、 １４号齿 和 ｃ相 绕 组 的磁极 对 齐 。而
０ ３号 齿 和 Ａ、 、 Ｂ相 绕 组 产 生 错 齿 ， 、 ２ ５号 齿 就 和 Ａ、 Ｄ相绕 组 磁 极 产 生 错 齿 。依 次 类 推 ， Ｂ、 Ｄ Ａ、 Ｃ、
Ｆ ｇ １ Ｓ ｅ ｃ ｐ ｆｒｆ ｕ ｈ ｓ ｔｐ ｉ ｇ ｍｏ ｏ ｉ ． ｋ ｔ ｈ ｍａ ｏ ｏ ｒｐ ａ ｅ ｓ ｐ ｎ ｔｒ ｅ
１２ 步进 电机 细分 控制 原理 ． 我们 以二 相步进 电机 为例 ， 们按 照图 ３上所 我
示 的 ８个状 态周 而 复始进 行变 化 ， 电机就顺 时针转
的 四路 电流值 。
的运 转 平 稳 度 。本 设 计 就 采 用 Ｓ Ｃ ９ ５ Ｔ ８ Ｃ １配 合 ４ 个 Ｄ Ａ转换 芯 片 Ｄ Ｃ ８２来 完 成 对 小 型 四相 步 ／ Ａ ０３ 进 电机 的控制 。
２ ２ 系统 硬件 结构 ． 系统 的主要 结构 图如 图 ４所 示 ， 整个 系统 主要
几
ｒ］ ｒ ＿
单 四拍
ｂ 双 四拍 ．
图 ２ 步 进 电机 工 作 时 序 波 形 图
Ｆ ｇ ２ Ｓ ｅ ｐ ｎ ｔ ｒｔ ｎ ｉｇ ａ ｏ ｏ ｋ ｉ ． ｔｐ ｉ ｇ ｍｏｏ ｉ ｇ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｗ ｒ ｍｉ
图 １ 四相 步 进 电机 步 进 示 意 图
ｐ ｏ ｕ ｔ ，ｂ ｃ ｕ ｅ ｏ ｓ ｅ ｓ ｎ ｃ ｕ ａｅ ｃ ｎ ｒ ｌｏ ｏ ｄ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｎ ａ ｅ ｎ ｗ ｄ ｌ ｐ ｌ ｄ ｒ ｄ ｃｓ ｅ ａ ｓ ｆ ｔ ａ ｙ ａ ｄ ａ ｃ ｒ ｔ ｏ ｔ ｆｇ ｏ ｅ ｆｒ ｎ ｅ ａ ｄ ｈ ｓ ｂ ｅ ｉ ｅｙ ａ ｐ ｉ ． ｉ ｏ ｅ
根据步进 电机细分控制 的原理 ， 出了由 Ｄ Ａ转换模块配合单片机控制来实现 细分控制 的方法 ， 提 ／ 为提高步进 电
机 的控制精度提供 了一种可行 的参考方案。 关 键 词： 步进 电机 ； 细分控制 ； 单片机
文献标识码 ： Ｂ 中图分类号 ：Ｍ ０ ． Ｔ ３ １２
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈｅ ｍ ｉｒ ｓｅ ｐｉ ｍ ｏ ｆ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｃ ｏ ｔ ｐ ｎｇ ｄ ｓｏ ｓｅ ｔｐｍ ｏ ｏ ｉ ｇ ｓｎｇｅ ｃ ｉ ｏ ｐ ｅ ｔ ｒ ｕｓｎ ｉ ｌ －ｈ ｐ ｃ ｍ ｕｔ ｒ
论 想要 解决 的问题 。
脉 冲 Ａ相 几 ｎ ｎ Ｂ ． ＝ －１ 相 ＿ ｆ：』 ｎ 几 ｒ１ ＿ ｌ ｎ ｒ］ 厂 ］ １ ｎ ｎ 几
］
ａ．
以图 １四相 反应式 步 进 电机 为例 ， 只要 对步 进
电机的各相绕组按合适的时序通电 ， 就能使步进 电 机 步进 转动 。
ＺＨＥＮＧ Ｙｕ
（ ｃｏｌ ｆ ｃａｉａ ａｄＥｅｔｃｌ ｎｉｅｒ ｇ ｕｚｏ ｏｍ ｌ ｎｖｒｔ，Ｇ ｉ ｎ ， ｕ ｈｕ５ ０ １ ，ｈｎ ） Ｓｈｏ ｏ ｈｎｃ ｎ ｌｃ ｉ ｇ ｅｉ ，Ｇ ｉ ｕＮ ｒ ａ Ｕ ｉ ｓｙ ｕｙ ｇ Ｇ ｉ ｏ ５ ０ ４ Ｃ ｉａ Ｍｅ ｌ ｒａＥ ｎ ｎ ｈ ｅｉ ａ ｚ
该 理论 对 两 相 步 进 电机 的控 制 ， 以实 现 ｌ 可 ／
２ １４ １８ 、／ 、／ …… １２６的 细分 ， 是 当细 分 数 大 于 ／５ 但
２ 步进 电机细分控制的硬件结构设计
２ １ 方案 的确定 ．
１ 之后 ， ４ ／ 电机 的定位精度并 不能获得提高 ， 只是
使 电动 机 的转动 更加 平稳 。 在 控制 对象 是两 相步 进 电机时 ， 如果要 进行 细
ห้องสมุดไป่ตู้
第 ２期
郑
宇： 步进 电机细分控制 的单 片机实现
转 动 Ｊ 。
１ 步进 电机 细分控制原理
１ １ 步 进 电机 工作原 理 ．
四相步 进 电机按 照通 电顺序 的不 同 ， 可分 为单 四拍 、 四拍 、 拍 ３种工 作 方 式 。图 ２是 ３种 方 双 八 式 的控 制波 形 图 ， 四拍 与 双 四拍 的步 距 角 相 等 ， 单 但 单 四拍 的转 动 力矩 小 。八 拍 工 作 方 式 的 步距 角 是 单 四拍 与双 四拍 的一 半 ， 因此 ， 拍 工 作方 式 既 八 可 以保 持 较 高 的转 动 力 矩 又 可 以提 高 控 制 精 度 。 如果在 不 改变相 数 的情况 下 ， 能 实现更 加精 确 的 还 步距角 度控 制 吗 ？这 个 就是 步进 电机 细 分控 制 理