51单片机PWM细分控制步进电机的研究初稿（原创）

theurgy

为什么要PWM细分呢？因为这样可以是步进电机运行平稳、减小噪音、增大转速（MAX的）、增加力矩……
为什么要强调是51单片机呢？因为51单片机没有硬件PWM模块，所以只能软件模拟了……
研究这玩意儿，我走了许多弯路，看了许多文献，最后发现，尽信书不如无书……
就用28系列4相5线电机来说吧。
整步驱动（四相四拍）时序为：
      A相    B相    C相    D相
1拍   1       0       0       0
2拍   0       1       0       0
3拍   0       0       1       0
4拍   0       0       0       1
我想没人用这样的方式来驱动吧，这震动也太大了。
2细分驱动（四相八拍）时序为：
      A相    B相    C相    D相
1拍   1       0       0       0
2拍   1       1       0       0
3拍   0       1       0       0
4拍   0       1       1       0
5拍   0       0       1       0
6拍   0       0       1       1
7拍   0       0       0       1
8拍   1       0       0       1
不需要PWM，我想用着方式驱动的人最多吧。
PWM6细分驱动（四相24拍）时序为：
        1      2      3      4      5      6      7      8      9     10     11     12     13     14     15     16     17     18     19     20     21     22     23     24
A相   1   0.97  0.87 0.70 0.50 0.26   0      0      0      0       0       0       0       0       0       0       0       0       0    0.26   0.50  0.70  0.87  0.97
B相   0   0.26  0.50 0.70 0.87 0.97   1    0.97 0.87 0.70 0.50  0.26     0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0
C相   0      0       0      0     0      0      0    0.26 0.50 0.70 0.87  0.97     1    0.97  0.87  0.70  0.50   0.26    0       0       0       0       0       0
D相   0      0      0       0     0      0      0      0      0      0       0       0       0    0.26  0.50  0.70  0.87   0.97    1    0.97  0.87  0.70   0.50   0.26
其中的0.97、0.87、0.70、0.50、0.26分别是COS15°、COS30°、COS45°、COS60°和COS75°的近似值。
根据我参看的那些专门研究步进电机的大佬们的论文，他们说步进电机中所有线圈中同一时间电流和为0，就是说我上面的那个时序图中凡是数值为0的地方，其实是应该有相应的负值或零值存在的，使得每一拍四相线圈数值加起来为0，但我就想不通了，要是这样，那怎么使得每相线圈中电流既能正着流，又能反着流？好像我的ULN2003驱动板没这功能吧！所以我采用笨办法，把凡是负数的地方全改为了0，管他的！可能这也是使我用此时序驱动电机不理想的原因吧……最后通过不断试验发现，以此时序驱动电机，震动大、噪音强、转速慢还外加力矩小，一无是处，连4相8拍都不如，真是欲哭无泪……
通过分析4相24拍和4相8拍的时序图，我发现，4相8拍方式下磁力矩的大小的和最小为1，最大为1.414，在半步处！而4相24拍的磁力矩的大小的和最小为1，最大为1.183，也在半步处，难怪了，半步时，转子的小齿离两通电线圈是最远的，此时磁力矩大小和不如4相8拍，那么力矩肯定也就没4相8拍的大了 ……
所以我重新更新后的时序为：
        1      2      3      4      5      6      7      8      9     10     11     12     13     14     15     16     17     18     19     20     21     22     23     24
A相   1      1      1      1    0.57 0.27   0      0      0      0       0       0       0       0       0       0       0       0       0    0.27   0.57    1       1       1
B相   0   0.27  0.57   1      1      1      1      1      1      1    0.57  0.27     0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0       0
C相   0      0      0      0      0      0      0    0.27 0.57   1       1       1       1       1       1       1    0.57   0.27    0       0       0       0       0       0
D相   0      0      0      0      0      0      0      0      0      0       0       0       0    0.27  0.57     1       1       1       1       1       1       1    0.57   0.27
使用这一时序后，终于让我体会到了细分的优越，和4相8拍比起来振动小了，力矩大了。
在PWM的每个周期中，肯定是时序图中数值大的线圈先通电，然后才是小的，一个周期结束后，所有线圈断电。所以得建立一个描述每拍中是哪一个相（线圈）先通电，哪一个相后通电的数组，以上面的时序图为准，建立的数组为：
djsx[2][24]={0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,2,2,2,2,2,2,3,3,3,3,3,3,0,0,3,1,1,1,0,0,0,2,2,2,1,1,1,3,3,3,2,2,2,0,0,0,3,3};   //djsx[2][24]中的第一维储存的的就是先通电的线圈的相数，第二维是拍数
时序图中每一相后的众多数字，可以看成是其在某一拍中需要通电的时间，分析发现，其是有规律的，每隔6拍重复出现一次，由于先通电的都是在每一拍中要一直通电，所以用数组表式剩下某相在某一拍中通电起始时间和通电的时间：
ys[2][5]={1-0.27,1-0.57,1-1,1-0.57,1-0.27,0.27,0.57,1,0.57,0.27}={0.73,0.43,0,0.43,0.73,0.27,0.57,1,0.57,0.27};
当51单片机工作在65.536MHz时，每微秒5.461个机器周期，PWM频率为5000Hz时，每周期200微秒，也就是说每周期1092个机器周期，所以ys数组变换为：
ys[2][5]={797,470,0,470,797,295,622,1092,622,295};
由于51的定时器分为TH和TL，并且是每机器周期加1，直到溢出中断，所以ys数组得再加一维，分别用来贮存TL和TH，所以变换为：
ys[2][5][2]={224,252,47,254,255,255,47,254,224,252,218,254,137,253,187,251,137,253,218,254};
程序源代码为：
#include<reg52.h>

#define uchar unsigned char
#define uint  unsigned int

uchar code djsx[2][24]={0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,2,2,2,2,2,2,3,3,3,3,3,3,0,0,3,1,1,1,0,0,0,2,2,2,1,1,1,3,3,3,2,2,2,0,0,0,3,3};
uchar code ys[2][5][2]={224,252,47,254,255,255,47,254,224,252,218,254,137,253,187,251,137,253,218,254};
uchar code pout[4]={1,2,4,8};
char count,count_x,count_b,bs=0;
char xzbs=1;       //正转为1，倒转为-1
uchar xzsd=6;     //我的28电机测试最小为6，此数值越小，转速越快

void Time0_Init()
{
        TMOD=0x01;
        IE=0x82;
        TH0=0xff;
        TL0=0xbd;       
        TR0=1;
}

void Time0_Int() interrupt 1
{
        switch(bs)
        {
                case 0:
                if(count_x==0)
                {
                        TL0=187;
                        TH0=251;
                        P1=pout[djsx[0][count_b*6]];
                        count++;
                        break;
                }
                if(count_x!=3)
                {
                        TL0=ys[0][count_x-1][0];                       
                        TH0=ys[0][count_x-1][1];
                        P1=pout[djsx[0][count_b*6+count_x]];
                        bs=1;
                        break;
                }
                P1=pout[djsx[0][count_b*6+3]];
                case 1:
                TL0=ys[1][count_x-1][0];
                TH0=ys[1][count_x-1][1];
                P1=P1+pout[djsx[1][count_b*6+count_x]];
                bs=0;
                count++;
        }
        if(bs==0)
        {
                if(count==xzsd)
                {
                        count=0;
                        count_x=count_x+xzbs;
                }
                if(count_x==6)
                {
                        count_x=0;
                        count_b++;
                }
                if(count_x==-1)
                {
                        count_x=5;
                        count_b--;
                }
                if(count_b==4)count_b=0;
                if(count_b==-1)count_b=3;
        }
}


void main()
{
        P1=0;
        Time0_Init();
        while(1);
}

虎子哥

mark,直流驱动的飘过

shiaki

用脉宽调制只控制过直流的...

夏雾时

居然有研究51的，明年我打算进军ＡＲＭ＋ＤＳＰ了。

asdf987

DDR的方法是正解。还是买一片专用的细分芯片吧。

asdf987

回复 4# 夏雾时


    51并不代表水平低技术含量低，AVRDSP并不代表水平高，他们都是一个处理单元，关键是你用它们干什么，采用什么算法，用什么外围器件，只有各方面最合适的，性价比最高的才是最好的。
    现在市场上几十万的医疗器械里面的控制电路用51做核心的依然不少。

昘蕡凬錚

DDR问你个问题。今天我写了一些程序，结果T/C0不工作，总中断，TIMSK屏蔽，分频都设置了。

theurgy

回复 5# ddr


    呵呵，确实51来稿PWM有点吃力呀，不过我现在买了STC12系列，带两个PWM模块，正在练手中……另外，斩波驱动对于PWM不是必须的吧，因为电机线圈和驱动电路构成了一RL电路，他有着阻滞电流变化的特性（这让我想起了高中时物理老师做的那实验，把一开关、线圈和灯泡串联起来然后再并接一电阻最后接上电源，结果闭合开关，灯泡是慢慢亮起来的，而接着再打开开关，小灯泡就猛地一闪……美国国家点火装置用的就是这一原理，不过他们用来蓄能的是电容，跑题了……），通过快速的调节通电与断电的时间（即所谓的调节占空比），使的电流能够波动的保持在某一中间值上。通过查看一些文献，在简单的应用中，可以将占空比与流经线圈的电流关系看作是线性的！不过前提是PWM频率要快，一般都是在20KHz以上，51就算了……
如果是精确控制，现在流行的方法是测量电机绕组的过零电动势，从而间接地判断出电机转子的当前位置，从而得以精确控制。不过这需要外围电路和A/D转换的支持，对CPU的速度也有很高的要求……另外地方法就是需要电机中安装霍尔元件了，这样的电机我还没见到过，所以也不好说……

feiyuncai

楼主会用C语言编程？牛哦，想学，但是学不会

asdf987

回复 9# theurgy


    我觉的你的方法理论性太强，不大现实。还是细分芯片的好，我的一个老师做的项目，加细分芯片前和加细分芯片后简直判若两人，效果很明显。

theurgy

回复 11# asdf987


    使用专用的驱动芯片，实现了步进电机的闭环控制，控制效果与CPU占用率自然就好，但成本高。使用开环控制，效果虽然没有闭环的好，但是也差强人意，比不细分要强，而且现在的单片机普遍带有硬件PWM模块，所以也不存在CPU占用率问题（51就一边呆着吧……），成本低呀。我的方法用51单片机来实现确实有点不太现实，毕竟初步估算这将占用CPU起码50%以上的资源。不过不是说这开环控制的方法就不现实，网上这样使用开环控制的实例比比皆是，不然硬件产商干吗只往单片机中加PWM模块，而不是加入整个闭环控制模块呢？我并不是学这个的（可以说我学的和这一点关系也没有），搞这个仅仅凭的是兴趣，所以我也不知道我的方法是对是错，但是只要自己搞的高兴，效果不错，我想就没什么问题吧！呵呵

夏雾时

回复 7# asdf987


   的确，现在51还是最完善的。俗话说好，只买对的不买贵的。不过一些算法还是51力所不及啊，主要是速度和容量。

asdf987

回复 12# theurgy


    驱动芯片只实现细分，不管闭环的事。用步进电机就这个好处，可以数脉冲，知道转过多大的角度。闭环带反馈的话，成本可高了，要加编码器，要不你怎么能准确知道你的电机转了多少，那不成了伺服电机了？

AKKA

都是牛人啊 这么专业

theurgy

回复 14# asdf987


    呵呵，不必太认真呀！这些东西我也就是半瓶子醋，拿出来晃荡晃荡就被人抓了 ……不过譬如斩波驱动这样的方式应该算是闭环了吧，毕竟要检测到流经线圈的电流。等什么时候也买一个L297N+L298N来试试效果！

cynosure

楼主还在么？？？？？继续讨论吧？