基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研制

曹紅艷

阿城繼電器股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150302

傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制方法是由觸發(fā)器產(chǎn)生控制脈沖來(lái)進(jìn)行控制的，難于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，，而且傳統(tǒng)的觸發(fā)器構(gòu)成的控制系統(tǒng)，控制電路復(fù)雜、控制精度低、生產(chǎn)成本高等。以微電子芯片為控制核心，以電力電子功率變換器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的框架下組成的控制系統(tǒng)，能通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩進(jìn)而控制生產(chǎn)機(jī)械或運(yùn)動(dòng)部件按照人們所希望的規(guī)律運(yùn)動(dòng)?？朔藗鹘y(tǒng)控制器的缺點(diǎn)，滿足工業(yè)生產(chǎn)新的控制要求。如今各領(lǐng)域步進(jìn)電機(jī)無(wú)處不在，應(yīng)用領(lǐng)域涉及機(jī)器人，工業(yè)電子自動(dòng)化設(shè)備、醫(yī)療器械、廣告器材、計(jì)算機(jī)外部應(yīng)用設(shè)備等。高精度，實(shí)時(shí)監(jiān)控的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)原理

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由AT89S51單片機(jī)及單片機(jī)工作外圍電路和放大電路組成。采用8155作為AT89S51單片機(jī)的擴(kuò)展I/O口來(lái)連接鍵盤和LED顯示器。單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2分別連到步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相繞組，單片機(jī)的控制信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)電路輸出到步進(jìn)電機(jī)繞組就可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)在LED顯示器的提示下，由鍵盤設(shè)置步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速和步數(shù)；由各個(gè)功能鍵控制系統(tǒng)的運(yùn)行，按啟動(dòng)鍵后，步進(jìn)電機(jī)按照輸入的參數(shù)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

2.1 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的輸出通道也就是控制步進(jìn)電機(jī)的通道，由于AT89S51的P1口作為輸出通道的控制端口，采用三相六拍的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行并行控制需要單片機(jī)P1口中的三位P1.0、P1.1、P1.2，分別接三相步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相。步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配由單片機(jī)通過(guò)軟件控制構(gòu)成環(huán)行分配器，功率放大器選用單電壓功率放大電路。當(dāng)單片機(jī)I/O口輸出為1時(shí)，經(jīng)反相器74LS14后變成低電平，發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管截止，從而使三極管截止，電機(jī)繞組不通電，反之單片機(jī)I/O口輸出為0時(shí)，經(jīng)反相器后變成高電平，三極管導(dǎo)通，電機(jī)繞組通電。循環(huán)使三個(gè)繞組通電就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，只要按照一定的順序改變?nèi)籌/O口的通電的順序就可以控制步進(jìn)電機(jī)按照一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間加入光電隔離，使驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電壓和單片機(jī)控制系統(tǒng)的電壓之間不會(huì)互相影響，具有更好的抗干擾能力，而且更好保護(hù)單片機(jī)。電阻起限流作用。續(xù)流二極管使電機(jī)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)通過(guò)續(xù)流二極管而衰減掉，從而保護(hù)了步進(jìn)電機(jī)，也保護(hù)了功率管不受損壞。外接電阻上并聯(lián)一個(gè)200μF電容，可以改善注入步進(jìn)電機(jī)繞組的電流脈沖前沿，提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200Ω電阻可減少回路的放電時(shí)間常數(shù)，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時(shí)間變小，也起到提高高頻工作性能的作用。

2.2 鍵盤電路設(shè)計(jì)

鍵盤分為參數(shù)設(shè)定、正/反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)、停止等功能操作。在開始運(yùn)行之前要求輸入步進(jìn)電機(jī)勻速的運(yùn)行速度和運(yùn)行的總步數(shù)，所以要進(jìn)行按鍵輸入數(shù)值以傳入?yún)?shù)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止和正、反轉(zhuǎn)，要設(shè)置相應(yīng)的按鍵和開關(guān)進(jìn)行功能鍵處理。

2.3 顯示電路設(shè)計(jì)

采用發(fā)光二極管 LED作為顯示器件，通過(guò)單片機(jī)I/O擴(kuò)展芯片8155來(lái)點(diǎn)亮LED數(shù)碼管的。點(diǎn)亮LED數(shù)碼管之前，需將數(shù)字碼轉(zhuǎn)換為筆劃信息。系統(tǒng)選用動(dòng)態(tài)顯示方式。8155A的PB0～PB7作為段選碼口，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器與LED的段相連。8155的PA4～PA7和PC4作為位選碼口，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器與LED的位相連。在掃描過(guò)程中，在某一瞬間，只讓某一位的字位線處于選通狀態(tài)，其它各位的字位線處于斷開狀態(tài)。同時(shí)，字段線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的段選碼。這樣在每一瞬時(shí)，5位LED中只有選通的那一位LED顯示出字符，而其它4位則是熄滅的。同樣，在下一瞬時(shí)，只顯示下一位LED。如此繼續(xù)，等5位LED都依次顯示完畢后，循環(huán)進(jìn)行。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括：主程序、中斷子程序、鍵盤子程序、顯示子程序、報(bào)警子程序、步進(jìn)電機(jī)控制子程度。在系統(tǒng)上電后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后掃描鍵盤，使最低位LED顯示器顯示“0”，以提示輸入數(shù)據(jù)。如果按下輸入?yún)?shù)鍵，可以輸入?yún)?shù)，則顯示該輸入的數(shù)值并對(duì)連續(xù)的輸入的數(shù)值進(jìn)行處理，直到輸入“確認(rèn)”鍵確認(rèn)后表明參數(shù)值設(shè)定完畢，在內(nèi)存中保存該參數(shù)，進(jìn)行其它的處理。通過(guò)鍵盤可以進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)的設(shè)置，如按下一次正/反轉(zhuǎn)鍵，則變量值改變一次，即每按下一次正/反轉(zhuǎn)鍵，系統(tǒng)的設(shè)置在正、反轉(zhuǎn)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的在顯示器上顯示設(shè)置的是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。用戶可以通過(guò)鍵盤查詢參數(shù)的值，在待機(jī)狀態(tài)下連續(xù)按兩次參數(shù)鍵，則在LED顯示器上顯示出輸入的參數(shù)值，以供用戶查詢輸入的參數(shù)正確與否。

4 結(jié)論

基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鍵盤進(jìn)行輸入運(yùn)行參數(shù)、啟動(dòng)、停止等操作。顯示器能夠顯示輸入數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)鍵盤的輸入，控制電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行預(yù)定的工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)角位移或線位移的控制。系統(tǒng)采用單片機(jī)等能完成專門功能的控制器和控制電路，使得單片機(jī)對(duì)電機(jī)的控制更易實(shí)現(xiàn)，性能價(jià)格比更高。步進(jìn)電機(jī)采用升降速控制，避免了以要求的速度直接啟動(dòng)時(shí)因該速度已超過(guò)極限啟動(dòng)頻率不能正常啟動(dòng)，并且可能發(fā)生丟步或根本不運(yùn)行以及停止時(shí)發(fā)生偏移的情況。本設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)速度控制，大大改善了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行的平穩(wěn)性，減小了驅(qū)動(dòng)器的體積，增強(qiáng)了抗干擾性能，從而拓展了步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，可以滿足更多場(chǎng)合的需要。

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