基于AT89C52單片機的步進電機控制系統(tǒng)研究

何 沖 王淑紅 侯勝偉 ?；畚?/p>

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

作為工業(yè)領域廣泛應用的控制電機，步進電機具有出色的開環(huán)性能，易于實現(xiàn)數(shù)字化、智能化控制。步進電機組成的控制系統(tǒng)具有結構簡單、性能穩(wěn)定、造價便宜等特點，在工業(yè)控制領域中得到了廣泛的應用。單片機對步進電機的控制成本低、操作靈活，在步進電機的控制中得到了廣泛的應用。本文以AT89C52 單片機作為控制器設計一種新型的兩相混合式步進電機的控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結構設計

控制系統(tǒng)主要由單片機、鍵盤、顯示、驅(qū)動、PC上位機等5 個模塊組成，其中PC 上位機用于編寫及燒錄程序?？刂破魍ㄟ^相應的ΙO 接口，將控制指令發(fā)送至驅(qū)動電路，可以控制步進電機的運行，完成系統(tǒng)的伺服控制。控制系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：①控制步進電機的啟動和停止、運行方向、運行速度；②顯示步進電機的運行狀態(tài)、方向、轉(zhuǎn)速；③通過軟件實現(xiàn)細分控制。圖1為控制系統(tǒng)總體結構圖。

圖1 控制系統(tǒng)總體結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機模塊

單片機模塊主要由AT89C52 單片機及外圍濾波、電源管理、晶振和復位電路組成。AT89C52 單片機具有8KB 內(nèi)存的可編程可擦除只讀存儲器，便于反復的進行程序的編寫。電源管理電路提供的3.5V 和5V 電壓分別給單片機、晶振、LED 和控制電路供電。12MHz 的晶振給單片機提供時鐘信號。單片機的串口用于和PC 上位機的通信以及燒錄軟件程序。P1 口控制驅(qū)動電路開關管的通斷。P0 和P2 口控制LCD1602 和LED 組成的顯示模塊。P3 口檢測鍵盤信號及外部中斷信號。

2.2 鍵盤及顯示模塊

控制系統(tǒng)設置了5 位獨立按鍵組成的鍵盤模塊以及由LCD1602 和5 位LED 組成的顯示模塊。通過鍵盤可以對步進電機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止功能的操作。步進電機運行時的狀態(tài)信息可以通過顯示模塊直觀的顯示出來。圖2為鍵盤及顯示模塊硬件原理圖。

圖2 鍵盤及顯示模塊硬件原理圖

鍵盤模塊的特點在于用單片機的兩個外部中斷來控制步進電機進行加、減速，即每引入一次外部中斷，步進電機加/減速一次。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止按鍵分別由單片機的P3.0、P3.1、P3.4 口引入。加速、減速按鍵分別由單片機的P3.2 和P3.3 口引入。

LCD1602 的數(shù)據(jù)/命令選擇端、讀寫選擇端、使能信號分別接在單片機的P2.0、P2.1、P2.2 口上，數(shù)據(jù)口接在單片機的P0 口上。LCD1602 可以顯示步進電機的5 種運行狀態(tài)以及運行速度。5 位LED通過74LS138 接在單片機的P2.3—P2.5 口上，5 位LD 分別用于表示步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止5 種運行狀態(tài)。

2.3 驅(qū)動模塊

控制系統(tǒng)的電機驅(qū)動模塊采用雙極性驅(qū)動的方式。雙極性驅(qū)動是指步進電機線圈中電流的流動方向不是單向的，即繞組中的電流有時沿某一方向流動，有時沿相反的方向流動。雙極性驅(qū)動電路可以同時驅(qū)動四線式或六線式的兩相混合式步進電機。

控制系統(tǒng)所選用的二相混合式步進電機工作時的額定電壓為12V，繞組的阻值為1.5Ω，額定電流為8A。由于該步進電機工作時的電流較大，因此需要選擇額定電流較大的功率開關管，否則步進電機工作時較大的工作電流產(chǎn)生的熱效應極易燒毀開關管。功率開關管BUW49 工作時的額定電壓為80V，額定電流為30A，屬于高電流型功率開關管，因此完全能夠滿足需要。

根據(jù)步進電機的工作原理，當控制電路給驅(qū)動電路發(fā)出相應的脈沖信號時，電機繞組的通電順序為A+B+→A-B+→A-B-→A+B-，其4 個狀態(tài)按順序進行循環(huán)，電機則正向轉(zhuǎn)動。若相序變?yōu)锳+B-→A-B-→A-B+→A+B+，電機則逆向轉(zhuǎn)動。因此，當單片機AT89C52 的引腳P1.0 至P1.7 輸出的脈沖時序依次為10011001→01101001→01100110→ 10010110 時，控制各個開關管依次導通，產(chǎn)生相應的正向通電時序，從而驅(qū)動步進電機正向旋轉(zhuǎn)。同樣，當單片機的引腳輸出的脈沖時序相反時，電機則反向旋轉(zhuǎn)。圖3為驅(qū)動電路硬件原理圖。

圖3 驅(qū)動電路硬件原理圖

控制系統(tǒng)的硬件原理圖由電子技術虛擬仿真軟件Proteus 7.5 進行仿真，仿真時兩相混合式步進電機的參數(shù)按照控制系統(tǒng)所選用的步進電機實際參數(shù)設置。經(jīng)過仿真得出該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對步進電機的正/反轉(zhuǎn)、停止、加/減速的控制，并且控制非常靈敏、工作可靠、不會出現(xiàn)誤操作。步進電機在運行時的運行狀態(tài)、速度參數(shù)以及按鍵的操作狀態(tài)能夠以英文的形式非常直觀的顯示在LCD1602 和5 位LED上。通過分析仿真時虛擬示波器測出的A、B 兩相的繞組電壓波形得知，步進電機在系統(tǒng)仿真運行的過程中具有良好的動態(tài)響應。圖4為控制系統(tǒng)整體硬件原理圖。

圖4 控制系統(tǒng)整體硬件原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 步進電機工作方式

由于按雙四拍方式工作時步進電機不容易失步，并且控制精度較高，因此步進電機采用雙四拍的工作方式。這種工作方式每次都有兩相繞組導通，兩相繞組處在相同的電壓之下，以A+B+→A-B+→ A-B-→A+B-（或反向）方式導通。當A、B 繞組完成一次通電循環(huán)以后，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子則前進一個步距角。其步距角θ為

式中，m為定子相數(shù)；z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

3.2 運行方向控制

步進電機的運行方向由其內(nèi)部繞組的通電順序及通電方式?jīng)Q定。由于兩相雙四拍步進電機不容易失步，控制精度比較高，所以本文采用兩相雙四拍的工作方式對步進電機進行控制。

兩相雙四拍工作方式如下。

正向旋轉(zhuǎn)：A+B+→A-B+→A-B-→A+B-

反向旋轉(zhuǎn)：A+B-→A-B-→A-B+→A+B+

兩相雙四拍控制模型如表1所示。

3.3 運行速度控制

控制步進電機的運行速度，實際上是控制驅(qū)動脈沖的發(fā)出頻率或換相周期，即在加速的過程中，使驅(qū)動脈沖的發(fā)出頻率升高；在減速的過程中，使驅(qū)動脈沖的發(fā)出頻率降低。對驅(qū)動脈沖頻率的控制可以通過軟件延時和硬件中斷的方式來實現(xiàn)。

（1）正轉(zhuǎn)運行 步序 通電 方式 二進制 十六進制 單片機P1 口 1 A+B+ 10011001 0x99 2 A-B+ 01101001 0x69 3 A-B- 01100110 0x66 4 A+B- 10010110 0x96 （2）反轉(zhuǎn)運行 步序 通電 方式 二進制 十六進制 單片機P1 口 1 A+B- 10010110 0x96 2 A-B- 01100110 0x66 3 A-B+ 01101001 0x69 4 A+B+ 10011001 0x99

軟件延時是指根據(jù)所需的延時時間常數(shù)編寫一個延時子程序，當CPU 執(zhí)行延時子程序時，系統(tǒng)達到延時的目的。采用軟件延時方式，CPU 一直被占用，使得CPU 的利用率降低。

可編程的硬件定時器可以對系統(tǒng)的時鐘脈沖進行計數(shù)，計數(shù)值可以通過編程的方式設定。當計數(shù)到預定的脈沖數(shù)時，定時器產(chǎn)生中斷信號，系統(tǒng)得到所需的延時時間。定時器延時可以提高CPU 的利用率。

3.4 系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)程序設計的思想是：①對單片機進行初始化：首先應該關中斷，然后對用到的一些寄存器和功能模塊進行初始化，最后再開中斷，并且給定步進電機的速度初值和每次加速/減速時速度變化的幅值；②調(diào)入子程序：分塊調(diào)入方向、速度、鍵盤、顯示的子程序。速度控制程序?qū)懭胪獠恐袛喑绦蛑校@樣可以在不改變運動方向的前提下改變速度的參數(shù)；③等待功能按鍵按下：采用查詢方式編寫按鍵程序，通過按鍵程序掃描等待功能按鍵的按下；④執(zhí)行按鍵功能：在程序檢測到有按鍵被按下后，執(zhí)行相應的功能，并且顯示步進電機對應的運行狀態(tài)信息。圖5為系統(tǒng)程序結構圖。

4 實驗驗證

在實驗中本系統(tǒng)選57HS56DF101TK-01 混合式步進電機作為控制對象。該步進電機為兩相四線步進電機，步距角為1.8°，額定電流為8A，靜轉(zhuǎn)矩為10kg·cm。圖6為控制系統(tǒng)實物圖。

圖5 系統(tǒng)程序結構圖

圖6 控制系統(tǒng)實物圖

實驗時，測得電機繞組阻值Rs為1.5Ω，系統(tǒng)選擇12V 直流電源供電，符合步進電機的要求。圖7為步進電機運行時A 相的電壓波形圖。圖8為步進電機的靜態(tài)矩角特性曲線圖。

圖7 步進電機A 相電壓圖

圖8 步進電機矩角特性曲線圖

實驗結果說明，本控制系統(tǒng)在步進電機的運行過程中可以實現(xiàn)對步進電機的運行控制，改變步進電機的工作狀態(tài)，控制精確，能夠較好的滿足工作要求。

5 結論

本文基于AT89C52 單片機設計的兩相混合式步進電機控制系統(tǒng)具有體積小、可靠性高、功能豐富、造價便宜等特點，適用范圍廣，具有很強的實用價值和經(jīng)濟價值。

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