基于單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)智能控制

劉 博 曹玉英 袁闊宇

(1.沈陽三洋建筑機(jī)械有限公司，遼寧 沈陽 110122;2.沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168)

隨著工業(yè)自動(dòng)化的快速發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)成果在實(shí)踐中的推廣應(yīng)用，大幅提高了生產(chǎn)力水平。自動(dòng)化技術(shù)作為一門與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的專業(yè)，近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，電子技術(shù)，數(shù)字控制技術(shù)，變頻技術(shù)的快速發(fā)展，一些先進(jìn)的控制理論和方法在當(dāng)今得以實(shí)現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)高度自動(dòng)化成為未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文就步進(jìn)電機(jī)的控制原理及單片機(jī)在步進(jìn)電機(jī)智能控制中的應(yīng)用做以簡(jiǎn)單介紹。

1 單片機(jī)

單片微型計(jì)算機(jī)(SCM)簡(jiǎn)稱單片機(jī)。它是由中央處理器、可編程存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器、并行及串行輸入/輸出接口電路、等部件組成，并集成在半導(dǎo)體芯片之上，組成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)。隨著現(xiàn)代大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，組成微型機(jī)算計(jì)的各功能部件：中央處理器、儲(chǔ)存器、串/并輸入輸出接口、定是器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器，以及許多特殊功能單元，如：A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、高速輸入輸出部件、DMA、浮點(diǎn)運(yùn)算等已集成在一塊半導(dǎo)體晶體芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型機(jī)算計(jì)——單片機(jī)。由于它具有功能強(qiáng)、體積小、功耗低、價(jià)格便宜、工作可靠、所以方便等特點(diǎn)，因此特別適合于工業(yè)控制有關(guān)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，愈來愈廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、智能化儀器、儀表、數(shù)據(jù)采集、軍工產(chǎn)品以及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。

2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又被稱為脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，經(jīng)歷了80年的發(fā)展歷史，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)演變成了一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，是一種數(shù)字控制的電動(dòng)機(jī)，它通過控制外加脈沖，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止進(jìn)行控制并產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。PLC會(huì)給電動(dòng)機(jī)發(fā)送電脈沖信號(hào)，通過輸入遵循一定比例關(guān)系脈沖的不同數(shù)量和頻率信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)改變其輸出轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。在一定負(fù)載能力的范圍內(nèi)，這些關(guān)系不隨其電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的變化而變化。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置不受負(fù)載變化的影響，而只取決于接收的脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)和脈沖頻率。其最突出的優(yōu)點(diǎn)是在寬廣的頻率范圍內(nèi)，通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)快速起停、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)控制等動(dòng)作，同時(shí)可以保證其只有周期性誤差并避開了累積誤差，精度較高。

2.1 傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制原理

傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的控制方式是時(shí)序邏輯門電路控制，此方式會(huì)使工作的硬件電路變得異常的復(fù)雜，而且這樣的硬件電路一旦成形，就使得電路更改變更異常復(fù)雜，給相關(guān)工作人員在工作中帶來極大的不便，同時(shí)，組成時(shí)序邏輯電路的硬件成本相對(duì)單片機(jī)的硬件成本來說是較高的，無論從維修維護(hù)還是綜合成本方面來說，單片機(jī)都有著極大的優(yōu)勢(shì)。

2.2 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的原理

通過使用單片機(jī)來對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)其軟件與硬件相結(jié)合。同時(shí)它將環(huán)形分配器用軟件代替，從而可以更好的控制步進(jìn)電機(jī)。系統(tǒng)中以單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。因單片機(jī)的強(qiáng)大功能，同時(shí)還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，來設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。

3 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

3.1 方案概述

步進(jìn)電機(jī)的控制可以由時(shí)序邏輯門電路來控制，但用此工作方式會(huì)使得工作的硬件電路變得異常的復(fù)雜，而且硬件電路一旦成形，就使得硬件電路更改變更非常復(fù)雜，給工作人員帶來很大的不變，形成時(shí)序邏輯電路的硬件成本相對(duì)單片機(jī)的硬件成本來說是較高的，無論從哪一方面來說，時(shí)序邏輯電路都沒有優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)方法上是采用時(shí)序電路的方法來對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的，其工作的硬件電路異常的復(fù)雜，而且硬件電路一旦成形，就使得硬件電路更改變更非常難。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)無論是從價(jià)格還是從工作的可靠信方面來說，單片機(jī)都成為大部人群所要選的首選對(duì)象。隨著單片機(jī)的功能也在日益的壯大。單片機(jī)的應(yīng)用也越來越廣泛，單片機(jī)正在逐漸走進(jìn)人們的生活，并讓人們的生活逐漸走向智能化。本設(shè)計(jì)采用AT89C51 MCU作為控制芯片改進(jìn)了傳統(tǒng)時(shí)序方法，軟體通過匯編語言編寫，硬件方面規(guī)劃由單片機(jī)應(yīng)用電路、三按鍵電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及數(shù)碼管顯示電路組成，通過設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速并在數(shù)碼管中顯示其轉(zhuǎn)速大小，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的智能化控制。本設(shè)計(jì)采用protel繪制原理圖，將基于單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)智能控制(LED顯示)工作的原理圖畫出來，通過protues進(jìn)行仿真，protues能夠很好反應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的工作情況，通過Keil uVision3對(duì)程序進(jìn)行編譯，看程序是否正確。

［1]余發(fā)山主編，《單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)》.中國礦業(yè)大學(xué)出版社.2003

［2]哈爾濱工業(yè)大學(xué)，成都電機(jī)廠編著《步進(jìn)電動(dòng)機(jī)》.科學(xué)出版社.1979

［3]陳隆昌.《控制電機(jī)》.《西安電子科技大學(xué)出版社》.2000