51單片機控制四相步進電機

2020-12-06 電子產品世界
　　接觸單片機快兩年了，不過只是非常業餘的興趣，實踐卻不多，到現在還算是個初學者吧。這幾天給自己的任務就是搞定步進電機的單片機控制。以前曾看過有關步進電機原理和控制的資料，畢竟自己沒有做過，對其具體原理還不是很清楚。今天從淘寶網買了一個EPSON的UMX-1型步進電機，此步進電機為雙極性四相，接線共有六根，外形如下圖所示：


本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201611/318167.htm

拿到步進電機，根據以前看書對四相步進電機的了解，我對它進行了初步的測試，就是將5伏電源的正端接上最邊上兩根褐色的線，然後用5伏電源的地線分別和另外四根線（紅、蘭、白、橙）依次接觸，發現每接觸一下，步進電機便轉動一個角度，來回五次，電機剛好轉一圈，說明此步進電機的步進角度為360/(4×5)＝18度。地線與四線接觸的順序相反，電機的轉向也相反。

如果用單片機來控制此步進電機，則只需分別依次給四線一定時間的脈衝電流，電機便可連續轉動起來。通過改變脈衝電流的時間間隔，就可以實現對轉速的控制；通過改變給四線脈衝電流的順序，則可實現對轉向的控制。所以，設計了如下電路圖：



C51程序代碼為：

代碼一

#include

static unsigned intcount;
static unsigned intendcount;

voiddelay();

voidmain(void)
{
count = 0;
P1_0 = 0;
P1_1 = 0;
P1_2 = 0;
P1_3 = 0;

EA = 1;//允許CPU中斷
TMOD = 0x11;//設定時器0和1為16位模式1
ET0 = 1;//定時器0中斷允許

TH0 = 0xFC;
TL0 = 0x18;//設定時每隔1ms中斷一次
TR0 = 1; //開始計數

startrun:

P1_3 = 0;
P1_0 = 1;
delay();
P1_0 = 0;
P1_1 = 1;
delay();
P1_1 = 0;
P1_2 = 1;
delay();
P1_2 = 0;
P1_3 = 1;
delay();
gotostartrun;
}

//定時器0中斷處理
voidtimeint(void)interrupt1
{
TH0=0xFC;
TL0=0x18;//設定時每隔1ms中斷一次
count++;
}

voiddelay()
{
endcount=2;
count=0;
do{}while(count}

　　將上面的程序編譯，用ISP下載線下載至單片機運行，步進電機便轉動起來了，初步告捷！

　　不過，上面的程序還只是實現了步進電機的初步控制，速度和方向的控制還不夠靈活，另外，由於沒有利用步進電機內線圈之間的「中間狀態」，步進電機的步進角度為18度。所以，我將程序代碼改進了一下，如下：

代碼二

#include

static unsigned intcount;
static intstep_index;

voiddelay(unsigned intendcount);
voidgorun(bitturn,unsigned intspeedlevel);

voidmain(void)
{
count = 0;
step_index = 0;
P1_0 = 0;
P1_1 = 0;
P1_2 = 0;
P1_3 = 0;

EA = 1;//允許CPU中斷
TMOD = 0x11;//設定時器0和1為16位模式1
ET0 = 1;//定時器0中斷允許

TH0 = 0xFE;
TL0 = 0x0C;//設定時每隔0.5ms中斷一次
TR0 = 1;//開始計數

do{
gorun(1,60);
}while(1);

}

//定時器0中斷處理
voidtimeint(void)interrupt1
{
TH0=0xFE;
TL0=0x0C;//設定時每隔0.5ms中斷一次
count++;
}

voiddelay(unsigned intendcount)
{
count=0;
do{}while(count}

voidgorun(bitturn,unsigned intspeedlevel)
{
switch(step_index)
{
case0:
P1_0 = 1;
P1_1 = 0;
P1_2 = 0;
P1_3 = 0;
break;
case1:
P1_0 = 1;
P1_1 = 1;
P1_2 = 0;
P1_3 = 0;
break;
case2:
P1_0 = 0;
P1_1 = 1;
P1_2 = 0;
P1_3 = 0;
break;
case3:
P1_0 = 0;
P1_1 = 1;
P1_2 = 1;
P1_3 = 0;
break;
case4:
P1_0 = 0;
P1_1 = 0;
P1_2 = 1;
P1_3 = 0;
break;
case5:
P1_0 = 0;
P1_1 = 0;
P1_2 = 1;
P1_3 = 1;
break;
case6:
P1_0 = 0;
P1_1 = 0;
P1_2 = 0;
P1_3 = 1;
break;
case7:
P1_0 = 1;
P1_1 = 0;
P1_2 = 0;
P1_3 = 1;
}

delay(speedlevel);

if(turn==0)
{
step_index++;
if(step_index>7)
step_index=0;
}
else
{
step_index--;
if(step_index<0)
step_index=7;
}

}

　　改進的代碼能實現速度和方向的控制，而且，通過step_index靜態全局變量能「記住」步進電機的步進位置，下次調用 gorun（）函數時則可直接從上次步進位置繼續轉動，從而實現精確步進；另外，由於利用了步進電機內線圈之間的「中間狀態」，步進角度減小了一半，只為9度，低速運轉也相對穩定一些了。

　　但是，在代碼二中，步進電機的運轉控制是在主函數中，如果程序還需執行其它任務，則有可能使步進電機的運轉收到影響，另外還有其它方面的不便，總之不是很完美的控制。所以我又將代碼再次改進：

代碼三

#include

static unsigned intcount;//計數
static intstep_index;//步進索引數，值為0－7

static bitturn;//步進電機轉動方向
static bitstop_flag;//步進電機停止標誌
static intspeedlevel;//步進電機轉速參數，數值越大速度越慢，最小值為1，速度最快
static intspcount;//步進電機轉速參數計數
voiddelay(unsigned intendcount);//延時函數，延時為endcount*0.5毫秒
voidgorun();//步進電機控制步進函數

voidmain(void)
{
count = 0;
step_index = 0;
spcount = 0;
stop_flag = 0;

P1_0 = 0;
P1_1 = 0;
P1_2 = 0;
P1_3 = 0;

EA = 1;//允許CPU中斷
TMOD = 0x11;//設定時器0和1為16位模式1
ET0 = 1;//定時器0中斷允許

TH0 = 0xFE;
TL0 = 0x0C;//設定時每隔0.5ms中斷一次
TR0 = 1; //開始計數

turn = 0;

speedlevel = 2;
delay(10000);
speedlevel = 1;
do{
speedlevel = 2;
delay(10000);
speedlevel = 1;
delay(10000);
stop_flag=1;
delay(10000);
stop_flag=0;
}while(1);

}

//定時器0中斷處理
void timeint(void) interrupt 1
{
TH0=0xFE;
TL0=0x0C;//設定時每隔0.5ms中斷一次

count++;

spcount--;
if(spcount<=0)
{
spcount = speedlevel;
gorun();
}

}

voiddelay(unsigned intendcount)
{
count=0;
do{}while(count}

voidgorun()
{
if(stop_flag==1)
{
P1_0 = 0;
P1_1 = 0;
P1_2 = 0;
P1_3 = 0;
return;
}

switch(step_index)
{
case0://0
P1_0 = 1;
P1_1 = 0;
P1_2 = 0;
P1_3 = 0;
break;
case1://0、1
P1_0 = 1;
P1_1 = 1;
P1_2 = 0;
P1_3 = 0;
break;
case2://1
P1_0 = 0;
P1_1 = 1;
P1_2 = 0;
P1_3 = 0;
break;
case3://1、2
P1_0 = 0;
P1_1 = 1;
P1_2 = 1;
P1_3 = 0;
break;
case4://2
P1_0 = 0;
P1_1 = 0;
P1_2 = 1;
P1_3 = 0;
break;
case5://2、3
P1_0 = 0;
P1_1 = 0;
P1_2 = 1;
P1_3 = 1;
break;
case6://3
P1_0 = 0;
P1_1 = 0;
P1_2 = 0;
P1_3 = 1;
break;
case7://3、0
P1_0 = 1;
P1_1 = 0;
P1_2 = 0;
P1_3 = 1;
}

if(turn==0)
{
step_index++;
if(step_index>7)
step_index=0;
}
else
{
step_index--;
if(step_index<0)
step_index=7;
}

}

　　在代碼三中，我將步進電機的運轉控制放在時間中斷函數之中，這樣主函數就能很方便的加入其它任務的執行，而對步進電機的運轉不產生影響。在此代碼中，不但實現了步進電機的轉速和轉向的控制，另外還加了一個停止的功能，，這肯定是需要的。

　　步進電機從靜止到高速轉動需要一個加速的過程，否則電機很容易被「卡住」，代碼一、二實現加速不是很方便，而在代碼三中，加速則很容易了。在此代碼中，當轉速參數speedlevel 為2時，可以算出，此時步進電機的轉速為1500RPM，而當轉速參數speedlevel 1時，轉速為3000RPM。當步進電機停止，如果直接將speedlevel 設為1，此時步進電機將被「卡住」，而如果先把speedlevel 設為2，讓電機以1500RPM的轉速轉起來，幾秒種後，再把speedlevel 設為1，此時電機就能以3000RPM的轉速高速轉動，這就是「加速」的效果。

　　在此電路中，考慮到電流的緣故，我用的NPN三極體是S8050，它的電流最大可達1500mA，而在實際運轉中，我用萬用表測了一下，當轉速為1500RPM時，步進電機的電流只有90mA左右，電機發熱量較小，當轉速為60RPM時，步進電機的電流為200mA左右，電機發熱量較大，所以NPN三極體也可以選用9013，對於電機發熱量大的問題，可加一個10歐到20歐的限流電阻，不過這樣步進電機的功率將會變小。

　　由於在下淺薄，錯誤和問題難免，請各位不吝賜教！

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