基于89C51單片機的步進電動機控制系統(tǒng)設計

李美艷

（西安外事學院 陜西 西安 710077）

隨著數(shù)字化技術的快速發(fā)展，數(shù)字控制技術在工業(yè)控制方面得到了極其廣泛的應用。由步進電動機組成的控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功能強大、成本低廉等諸多優(yōu)點，能滿足工業(yè)控制的基本性能需求和大規(guī)模商用要求，因此在工業(yè)自動化設備等領域得到了廣泛而深入的應用。步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成對應角位移或線位移的電動機，實際上是一個D/A轉(zhuǎn)換器，也即是一個數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。步進電機的角位移與控制脈沖間實現(xiàn)精確同步，若將步進電機的角位移的改變轉(zhuǎn)換為線位移、位置、體積、流量等物理量的變化，便可實現(xiàn)對它們的控制。步進電動機是數(shù)字控制電動機，能將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，電動機的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，在非超載狀態(tài)下，根據(jù)上述線性關系，再加上步進電動機只有周期性誤差而無累積誤差，因此步進電機適用于單片機控制。由于步進電動機具有快速啟停，可直接接收計算機輸出的數(shù)字信號以及精度高等顯著特點，因此，步進電機現(xiàn)已成為工業(yè)過程控制中的重要控制元件之一[1-2]。

由于單片機技術的成熟發(fā)展和成本優(yōu)勢，使得使用單片機控制的步進電動機系統(tǒng)具有成本低廉、使用靈活等優(yōu)點，可以廣泛應用在數(shù)控機床、機器人，工業(yè)自動控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等應用領域中[3-4]。

1 步進電動機工作原理

步進電動機按其相位數(shù)不同，可以分為二相、三相、四相、五相和六相。本文以三相為例來說明步進電動機的工作原理。電動機的定子上有6個等分的磁極，A——A’、B——B’、C——C’，相對的兩個磁極組成一組，每個磁極上都有5個均勻分布的小齒輪。轉(zhuǎn)子上由40個小齒輪均勻分布在圓周上，相鄰兩齒輪之間的夾角為3600/40=90。當電流通過某一繞組時，該繞組對應的兩個磁極即可形成N——S極，并產(chǎn)生磁場，與轉(zhuǎn)子形成磁路。若定子的小齒輪此時與轉(zhuǎn)子的小齒輪沒有對齊，則在該磁場的作用下，轉(zhuǎn)子就會進行一定角度的旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子的小齒輪與定子的小齒輪進行對齊，選擇的角度即為步距角[5]。

在單三拍控制方式下，當A相通電，B、C相斷電時，在磁場作用下，使轉(zhuǎn)子小齒輪與A相的定子小齒輪對齊。若假定與A相中心對齊的為0號齒輪，A相所在角度為00。由于三相磁極相差1200，此時轉(zhuǎn)子13號齒輪與B相的中心相差角度為1 200-90*13=30，轉(zhuǎn)子27號齒輪與C相的中心相差角度為2 400-90*27=-30，若此時讓B相通電，A、C相斷電，在磁場作用下，要使轉(zhuǎn)子小齒輪與B相定子齒輪對齊，轉(zhuǎn)子需順時針旋轉(zhuǎn)30。若此時讓C相通電，A、B相斷電，在磁場作用下，要使轉(zhuǎn)子小齒輪與C相定子齒輪對齊，轉(zhuǎn)子需逆時針旋轉(zhuǎn)30。若通電順序為：A——B——C——A，轉(zhuǎn)子則順時針旋轉(zhuǎn)，若通電順序為：A——C——B——A，轉(zhuǎn)子則逆時針旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對電機的正反轉(zhuǎn)控制[6]。

2 控制系統(tǒng)設計

步進電機控制系統(tǒng)主要由單片機、PC上位機、驅(qū)動電路、步進電動機、4*4鍵盤和LED顯示等模塊組成，下圖l為步進電機控制系統(tǒng)是總體結(jié)構(gòu)圖。單片機產(chǎn)生脈沖信號并將脈沖信號傳送給步進電動機，完成對步進電動機的步數(shù)和圈數(shù)的準確計數(shù)，從而實現(xiàn)對步進電動機的轉(zhuǎn)速控制。PC上位機模塊是系統(tǒng)的核心，通過串口向單片機發(fā)送控制命令，實現(xiàn)PC機對步進電動機的實時控制，并實時顯示步進電動機的運行狀態(tài)。4*4鍵盤模塊實現(xiàn)指令輸入，LED顯示模塊可顯示步進電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等運行狀態(tài)。為保護單片機控制系統(tǒng)硬件電路，在單片機和步進電機之間增加過驅(qū)動電路。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

由于步進電動機的驅(qū)動電流比較大，步進電動機較大驅(qū)動電流的通斷會造成電磁干擾，進而會影響單片機的正常工作。因而單片機與步進電動機之間的驅(qū)動電路就顯得尤為重要。本系統(tǒng)采用74LS04非門與有光電隔離的4N29達林頓管組成驅(qū)動電路，這樣不僅避免了在驅(qū)動電路發(fā)生故障，造成高電壓、大電流進入單片機而燒毀器件。同時割斷了驅(qū)動電路與單片機控制電路之間的電氣連接。另外步進電動機的啟停和正反轉(zhuǎn)分別由S1，S2控制。硬件接線圖如圖2所示。

圖2 步進電機與單片機硬件接線圖Fig.2 Stepping motor and single-chip microcomputer hardware wiring diagram

3 軟件實現(xiàn)

單片機程序判斷步進電機是否啟動；若啟動則進一步判斷其旋轉(zhuǎn)方向；然后按照既定的旋轉(zhuǎn)方向傳送控制脈沖序列，再加上脈寬延時即可。每走一步步數(shù)減1，并判斷步數(shù)是否為零，從而決定是否送下一個脈沖序列。其控制狀態(tài)如表1所示。

表1 三相單三拍控制模式Tab.1 Three-phase single-shot mode control

由表1可以看出，輸出的不同狀態(tài)字，表示不同的勵磁方式。P1=0x06H，表示A相通電，其它兩相斷電；P1=0x05H，表示B相通電，其它兩相斷電；P1=0x03H，表示C相通電，其它兩相斷電。若以次給P1口送0X06H，0X05H，0X03H，則步進電機通電順序為A——B——C——A相。反之若以次給P1口送0X03H，0X05H，0X06H，則步進電機通電順序為C——B——A——C相。從而用軟件實現(xiàn)了步進電機的正反轉(zhuǎn)控制。步進電機的旋轉(zhuǎn)速度可以用脈沖寬度，即送出控制狀態(tài)字后的延時時間長短來控制。

軟件設計流程框圖如圖3所示。

圖3 步進電動機控制流程圖Fig.3 Stepper motor software flow chart diagram

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過89C51單片機控制步進電動機，操作方便、可靠性高，步進電動機的步距角非常精確，且不受外界環(huán)境溫度，濕度等因素的影響。本系統(tǒng)只需要簡單的改變輸出狀態(tài)字序列，及狀態(tài)字的輸出頻率，便可實現(xiàn)對步進電機的精度及速度控制。由PC上位機程序可以完全控制步進電動機的各種運行方式，使系統(tǒng)能夠應用于惡劣環(huán)境中，保證使用人員的安全，且適用范圍較廣，該系統(tǒng)在數(shù)控銑床進給伺服機構(gòu)的驅(qū)動電動機進行試用，實用價值較高，因此本系統(tǒng)具有很好的應用前景。

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