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1、单元13 电动机的单片机控制,学习目的：掌握电动机的单片机控制方法。 重点难点：直流电动机和步进电动机的驱动方法。 外语词汇：Stepper Motor（步进电动机）、Direct Current Motor（直流电动机）、Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制）。,步进电动机也叫脉冲电动机，它是一种将电脉冲信号转换成机械角位移（或线位移）的执行元件。对应于每一个电脉冲，电动机将产生一个恒定量的步进运动，即产生一个恒定量的角位移或线位移。电动机运动步数由脉冲数来决定，运动方向由脉冲相序来决定，在一定时间内转过的角度或平移的距离由脉冲数决定，借助于步进电动机可以实现数字信号的
2、变换。它是自动控制系统以及数字控制系统中广泛应用的执行元件。步进电动机可以直接接收计算机送来的数字信号，不需要进行模-数转换。,13.1步进电动机控制接口技术,13.1.1步进电动机的工作原理,步进电动机的种类很多，按其运动的方式可分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机；按其输出转矩的大小可分为快速步进电动机（小转矩）和功率步进电动机（低转速）；按其励磁绕组的相数可分为两相、三相、四相、五相和六相步进电动机；按其工作原理可分为反应式（磁阻式）、永磁式和混合式（永磁感应式）步进电动机。,步进电动机的外观如图13-1所示。在步进电动机内部有一个齿轮状的转子，转动轴就固定在转子上。转子周围是个多齿状
3、的电磁铁作为定子（与转子不接触），电磁铁由管脚供电，于是可以被外部电路驱动并控制。,图13-1 步进电动机的外观,步进电动机基本工作原理：步进电动机的转动轴运动依靠定子（电磁铁）吸引转子实现。首先，给电磁铁通电，于是转子被电磁铁吸引并转动一个很小的角度，当转子上的齿与电磁铁的齿对齐后转子停止，步进电动机转动了1步。如果加入连续的脉冲信号，步进电动机就连续转动，其转动的角度与脉冲频率成正比。步进电动机的正反转可由脉冲的顺序来控制。 无脉冲信号输入时，转子保持一定的位置，维持静止状态。 掌握步进电动机的控制与驱动之前应先了解下面两个概念： （1）步进电动机的脉冲序列 步进电动机是否转动是由控制绕组
4、中输入脉冲的有无来控制，每步转过的角度和方向由控制绕组中的通电方式决定。 （2）脉冲序列的组合形式 脉冲序列的组合形式是指内部绕组的通电顺序的组合。而内部绕组通电顺序与步进电动机的工作方式有关。 比如，三相步进电动机的工作方式包括： 1）单三拍，通电顺序为UVWU。 2）双三拍，通电顺序为UVVWWUUV。 3）三相六拍，通电顺序为UUVVVWWWUU。,步进电动机输出的角位移（或线位移）与输入的脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。因此只要控制输入脉冲的数量、频率和电动机绕组的通电顺序，便可获得所需的转角、转速以及转动方向。 步进电动机的控制与驱动流程如图13-2所示。步进电动机的驱动包括
5、脉冲分配器和功率放大器等。微机或数控装置等送来的脉冲信号及方向信号应按要求的配电方式自动循环地供给步进电动机各相绕组，以驱动步进电动机转子正反向旋转。只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电动机的转角及转速。,图13-2 步进电动机的控制与驱动流程,步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作，（环形）脉冲分配器就是实现该功能的。 实现方法有三种：软环分、采用小规模集成电路搭接、采用专用环形分配器器件。本书主要介绍软环分方式。 软环分是利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配。 所谓脉冲分配就是用软件改变P1口低三位的输出值，进而达到控制三相绕组的通电顺序和通电方式之目的。 1.
6、软件选择单三拍的工作方式 单三拍的通电方式为UVWU，要想达到这个目的，只需依次向P1口输出如下控制字： P1.2 P11 P10 （W相） （V相） （U相） 编码 0 0 1 （01H） U相通，V、W相断 0 1 0 （02H） V相通，U、W相断 1 0 0 （04H） W相通，U、V相断,13.1.2 脉冲分配器,在控制字间也应加入软件延时来保证一定的时间间隔。 假定要求时间间隔为1ms，控制电动机按三相三拍正转的程序如下： ZHEN： MOV P1， 01H ;U相通电 ACALL D1MS MOV P1， 02H ;V相通电 ACALL D1MS MOV P1， 40H ;W相通
7、电 ACALL D1MS RET D1MS： MOV R7， 64H ;延时1ms子程序 D1MS1: NOP ;2s NOP ;2s NOP ;2s DJNZ R7，D1MSl ;4s RET,要想控制步进电动机反转，只需把输出的控制字的次序按01H（U）04H（W）02H（V）01H（U）组合即可。 反转程序如下： FAN：MOV P1， 01H ;U相通电 ACALL D1MS MOV P1， 04H ;W相通电 ACALL D1MS MOV P1， 02H ;V相通电 ACALL D1MS 2.软件选择三相六拍的工作方式 三相六拍通电顺序为UUVVVWWWUU，三相六拍分配状态见表13
8、-1。表中状态代码0lH、03H、02H、06H、04H、05H列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正反转。通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速。,如果按001101100110010011001，即UWUWWVVVUU的次序输出，可达到反转的目的。 仿照三相三拍的办法编出反转控制子程序。,表13-1 三相六拍分配状态,FAN： MOV P1， 01H ;U相通电 ACALL D1MS MOV P1，05H ;WU相通电 ACALL D1MS MOV P1，04H ;W相通电 ACALL D1MS
9、MOV P1，06H ;WV相通电 ACALL D1MS MOV P1，02H ;V相通电 ACALL D1MS MOV P1，03H ;VU相通电 ACALL D1MS RET 该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软环分占用计算机的运行时间，故会使插补一次的时间增加，易影响步进电动机的运行速度。,3.步进电动机的速度控制 控制步进电动机的转动需要三个要素：方向、转角和转速。在步进电动机的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动机的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机速度的调
10、节。步进脉冲的调频方法有两种，分别是软件延时和硬件定时。 软件延时是通过调用延时子程序的方法来实现，占有CPU时间，而硬件定时则是采用定时器通过设置定时器时间常数的方法来实现 （1）软件延时 这种方法是在每次转换通电状态（简称换相）后，调用一个延时子程序，待延时结束后，再次执行换相子程序。如此反复，就可使步进电动机按某一确定的转速运转。例如执行下列程序，将控制步进电动机正向连续旋转。 CON： LCALL CW ;调用正转一步子程序 LCALL DT1 ;调用延时子程序 SJMP CON ;继续循环执行 DT1： MOV A, #DATA ;DATA值影响延时时间 L1： DEC A JNZ
11、L1 RET,（2）硬件延时 单片机一般均有几个定时/计数器。可利用其中某个定时器，加载适当的定时值。 下面以使用80C51中的T0定时器为例，介绍速度控制子程序。设定时器以方式1工作，电动机的运转速度定为每秒1000脉冲，则换相周期为1000s。设80C51使用12MHz的晶振，则机器周期为1s。故T0定时器应该每1000（03E8H）个机器周期中断一次。由于T0是执行加计数，到0FFFFH后，再加1就产生溢出中断，所以T0的加载值应为10000H-03E8H，也就是0FC18H。在此加载值下，执行加计数1000次，就会产生溢出。 中断服务程序如下： TIM0： LCALL CW ;调用正转
12、一步子程序 CLR TR0 ;停定时器 MOV TL0,#18H ;装载低位字节 MOV TH0,#0FCH ;装载高位字节 SETB TR0 ;开定时器 RETI ;中断返回,单片机的输出电流太小，不能直接连接步进电动机，需要加驱动电路。对于电流小于0.5A的步进电动机，可以采用驱动芯片ULN2003。ULN2003芯片引脚图如图13-3所示。左边的引脚17为输入端，接单片机输出端，引脚8接地；右侧引脚1016为输出端，接步进电动机，引脚9接电源5V，该驱动器可提供最高0.5A的电流。,13.1.3 步进电动机的驱动,图13-3 ULN2003芯片引脚图,掌握了步进电动机运行控制的方法之后，
13、就可以轻松地设计单片机与步进电动机的接口和程序了。步进电动机与单片机的接线图如图13-4所示。使用了驱动芯片ULN2003提高单片机I/O的驱动能力，实现单片机对励磁线圈的驱动与控制。,13.1.4步进电动机与单片机接口电路,图13-4步进电动机与单片机的接线图,直流电动机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业中有广泛应用。直流电动机控制电路主要由单片机来控制，可采用数-模转换方式和PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）方式来控制直流电动机。其中，PWM方式最为方便，具有硬件投入少、精度高、抗干扰性能好等优点。,13.2 直流电动
14、机的运行控制,13.2.1什么是PWM,利用开关对通、断时间的控制来改变平均电压的方法称为PWM。PWM信号是一个数字信号，这是因为在某一时刻，直流电平要么出现，要么不出现。电源以一系列脉冲的形式向负载供电。 PWM不是调节电流的。PWM的意思是脉宽调节，也就是调节方波高电平和低电平的占空比，即高电平时间比整个周期的时间。一个20%占空比波形，会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间。占空比越大，高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高，即电压越高。如果占空比为0%，那么高电平时间为0,则没有电压输出，如果占空比为100%，那
15、么输出全部电压.所以通过调节占空比，可以实现调节输出电压的目的，而且输出电压可以无级连续调节。PWM的占空比决定输出到直流电动机的平均电压。,在使用PWM控制的直流电动机中，PWM控制有以下两种方式： 1）使用PWM信号，控制晶体管的导通时间，导通的时间越长，那么做功的时间越长，电动机的转速就越高。 2）使用PWM控制信号控制晶体管导通时间，改变控制电压高低来实现 13.2.2直流电动机转速、转向的PWM控制 直流电动机是一种将直流电转换成机械能的装置。根据转速的不同，直流电动机可分成直流高速、直流低速和直流减速电动机等几种。电动机底部一般会有两个管脚（或引线）用于供电。直流电动机外观如图13-5所示。,图13-5 直流电动机外观,直流电动机的运行控制，指的是如何对直流电动机的转速、旋转方向、制动等操作进行控制。直流电动机的不同运行状态使之在系统中更好地服务于电能-机械能的的转换工作。比如机床控制中进给电动机的正反转将使运动部件完成上下、前后、左右等不同的动作。PWM驱动方式易与处理器接口，使用简单，最常见的就是H桥电路。直流电动机的运行控制模型如图13-6所示。,图13-6 直流电动机的运行控制模型,1
