基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究

薛君妍

摘要：文章研究了基于8051單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過環(huán)形分配電路和功率放大電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；指令通過矩陣鍵盤輸入，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過數(shù)碼管顯示；完成單片機(jī)控制程序編寫和搭建控制電路后，可以方便地實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；步進(jìn)電機(jī)；控制系統(tǒng)；脈沖信號(hào)；環(huán)形分配電路；矩陣鍵盤輸入 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM383 文章編號(hào)：1009-2374（2016）20-0017-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.008

1 概述

步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字輸入脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的電磁驅(qū)動(dòng)元件。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸轉(zhuǎn)過一定的角度。角位移增量與輸入脈沖數(shù)量的乘積即可得到步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。相比于一般的直流電機(jī)和交流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)有很多優(yōu)勢(shì)，比如步進(jìn)電機(jī)可以快速啟動(dòng)、具有較高的定位精度和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、反向制動(dòng)、位移和輸入的脈沖數(shù)量一致、較小的定位誤差和短期積累等等，所以步進(jìn)電機(jī)是控制系統(tǒng)中比較常用的元件。為了更深入地理解步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作特點(diǎn)，熟悉控制系統(tǒng)的搭建過程，本文設(shè)計(jì)了基于8051單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。在通過應(yīng)用MCU建立的控制電路和電機(jī)控制程序的方式下，可以方便的實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為了面向于機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用，控制系統(tǒng)的搭建是基于比較常見的三相步進(jìn)電機(jī)，系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。這個(gè)系統(tǒng)主要由硬件電路和控制程序組成。硬件電路包括電源電路和控制電路。電源電路提供控制電壓，控制電壓需要應(yīng)用到控制系統(tǒng)的每一個(gè)元件中，同時(shí)作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓。控制電路主要包括微控制器電路、環(huán)形電路、功率放大電路和顯示電路、鍵盤界面。MCU和8279單片機(jī)通信；將控制信息發(fā)送到環(huán)形電路，此信息用于控制步進(jìn)電機(jī)的速度和方向。

2.1 電源電路的設(shè)計(jì)

電源電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。這個(gè)電路主要包括變壓器、整流器電橋、電容、三端穩(wěn)壓集成塊等。變壓器的輸入端時(shí)是220V的交流電。直流電通過整流濾波之后輸送到三端穩(wěn)壓集成模塊7812和7805的輸入端。在三端穩(wěn)壓集成模塊的輸出端，我們可以得到分別用于步進(jìn)電機(jī)和MCU的12V和5V的直流電壓。

2.2 MCU電路的設(shè)計(jì)

美國愛特梅爾公司的AT89S52微處理器內(nèi)部包括了高性能的CMOS8位微處理器。該單片機(jī)由于其眾多優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，主要體現(xiàn)在低功耗、良好的兼容性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、價(jià)格低廉。為了使單片機(jī)可以正常工作，同時(shí)設(shè)計(jì)了晶體電路和重置電路。

2.3 環(huán)形分配電路的設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)通電之后，各相繞組在一定的頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)。所以控制脈沖要根據(jù)電流定律分配到每一相繞組。該電路稱為脈沖分配器，也稱為電路分配器，用以完成脈沖分配功能。環(huán)形分配器由步進(jìn)電機(jī)控制繞組數(shù)量和工作方式組成。電路原理圖如圖3所示。在電路原理圖中Q1、Q2、Q3是三相A、B、C是觸發(fā)器，分別通過三個(gè)響應(yīng)的OR電路控制，組成三相六環(huán)分配器。當(dāng)相應(yīng)觸發(fā)器處于高電平“1”時(shí)，A、B、C為電機(jī)輸出端。低電平為“0”時(shí)，稱為電機(jī)切斷繞組。

環(huán)形分配器的工作過程如下：預(yù)置邊脈沖在CP脈沖尚未到達(dá)時(shí)，將Q1置位，Q2和Q3復(fù)位。在這一點(diǎn)，預(yù)置狀態(tài)的環(huán)形分配器設(shè)置為100，這是初始狀態(tài)。由于A端口處于置位狀態(tài)，當(dāng)在CP端輸入正脈沖時(shí)，B和C處于復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)邏輯規(guī)則，D觸發(fā)器只觸發(fā)Q2，A、C端保持初始狀態(tài)不變，B端有“0”強(qiáng)制變?yōu)椤?”。環(huán)路分配算符的狀態(tài)由100變?yōu)?10。環(huán)路分配算符變?yōu)榱硪环N狀態(tài)當(dāng)CP端輸入二次脈沖的時(shí)候，只觸發(fā)Q1，將A端口強(qiáng)制由“1”變?yōu)椤?”，這也可以稱為010形式。類似地，當(dāng)CP端接入3、4、5、6次脈沖時(shí)，環(huán)形分配器的狀態(tài)連續(xù)在011、001、101和001之間轉(zhuǎn)換，這是一個(gè)循環(huán)。當(dāng)7次脈沖接入的時(shí)候開始第二次循環(huán)。工作過程的電路設(shè)計(jì)如圖4所示。從圖中可以看出環(huán)形分配電路主要包括2片74 LS74、1片74LS32、2片74LS08和外圍獨(dú)立元件。

2.4 功率放大電路的設(shè)計(jì)

本文研究的是三相步進(jìn)電機(jī)。為每一相都設(shè)計(jì)了功率放大電路。在該電路中L1是電機(jī)繞組，T401是功率放大器轉(zhuǎn)換元件，e和c是與微控制器輸出脈沖相連的控制位，a和b分別對(duì)應(yīng)ADD和GND。電阻R401可以減少功率放大電路的時(shí)間常數(shù)，這樣可以減少電流增大和減小消耗在電路中的轉(zhuǎn)換時(shí)間。電容C401是加速電容器，所以在繞組的導(dǎo)通電壓瞬時(shí)值都落在繞組的電流速度實(shí)現(xiàn)加速功能。二極管D401和電阻R402在繞組相反的一端，平行布置。當(dāng)VMOS管斷電瞬間，它們也能夠完成提供感應(yīng)電磁力消耗路徑的功能。

2.5 顯示電路和鍵盤交互界面的設(shè)計(jì)

8279是可編程鍵盤同時(shí)界面顯示芯片具備鍵盤處理和自動(dòng)顯示的功能，廣泛應(yīng)用于MCU系統(tǒng)。在本文中8279芯片用于和MCU的通信，使用矩陣鍵盤輸入指令，它將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速顯示在四個(gè)數(shù)碼管上。

3 MCU的控制程序的預(yù)置

為了減少單片機(jī)的存儲(chǔ)空間，同時(shí)提高執(zhí)行速度，我們采用集成語言編寫單片機(jī)的控制程序?？刂瞥绦蛑饕ㄖ鞒绦?、鍵盤掃描和顯示子程序、十進(jìn)制到二進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序、脈沖生成子程序和延時(shí)子程序。鍵盤掃描和顯示子程序主要用于驅(qū)動(dòng)8279芯片鍵盤掃描和控制數(shù)碼管顯示。十進(jìn)制到二進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序用于顯示步進(jìn)電機(jī)速度替代后的相應(yīng)值。脈沖生成子程序可以生成步進(jìn)電機(jī)所需的指令。延時(shí)程序用于延遲一定的時(shí)間。控制MCU的主程序顯示如下：

Program Startup

ORG 0000H

LJMP MAIN

ORG 0030H

MAIN：MOV R0，#00H；

4K Space reset

MOV R1，#7EH

M1：MOV @R0，#00H

INC R0

DJNZ R1，M1

MOV R0，#20H

MOV SP，#32H

CLR EA；IRQ AND FIQ

MOV A，#0D1H

MOV DPTR，#7FFFH

MOVX@DPTR，A

WAIT：MOVX A，@DPTR；Read Status

JB ACC.7，WAIT

MOV A，#00H；8character display，left input

MOVX@DPTR，A

MOV A，#34H

LCALL KEY

LCALL DTOB；

Display the subroutine

SETB EA；IRQ and FIQ

SETB EXO

LCALL PUL

END

4 結(jié)語

本文搭建了基于MCU的單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，建立了硬件電路，包括電源電路、微處理器電路、子回路、變量控制電路、功率放大電路、鍵盤和界面顯示電路，最后設(shè)計(jì)了MCU的預(yù)置程序。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制。

參考文獻(xiàn)

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