基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田聰，蘇暢

（黑龍江工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程系，黑龍江雞西，158100）

基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田聰，蘇暢

（黑龍江工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程系，黑龍江雞西，158100）

結(jié)合51單片機(jī)的特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，以51單片機(jī)AT89S52為控制核心，選用ULN2003A芯片組成的驅(qū)動(dòng)電路，提出一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。完成控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制要求。該系統(tǒng)簡(jiǎn)便易操作、控制精度高，具有較高的使用價(jià)值。

步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；控制系統(tǒng)

0 引言

步進(jìn)電機(jī)是常用于過(guò)程控制和及儀表中的控制元件之一，因其控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化包裝、電動(dòng)閥門、醫(yī)療設(shè)備等方面有著廣泛而深入的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)部件少，沒(méi)有電刷，在較寬范圍內(nèi)進(jìn)行速度平滑調(diào)節(jié)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度不受負(fù)載變化的大小的影響，具有快速啟停、易于調(diào)整、停止時(shí)能自鎖等特點(diǎn)。因此，步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛的一種電機(jī)。單片機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)展越來(lái)越成熟，而且生產(chǎn)成本低，抗干擾能力強(qiáng)。結(jié)合51單片機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，很有實(shí)用意義和價(jià)值。

1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)，又稱為脈沖電機(jī)，其工作原理在于能直接接收數(shù)字脈沖信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)角位移或線位移。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、停止的位置取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，只存在周期性誤差而沒(méi)有累積誤差。對(duì)電機(jī)施加一個(gè)相應(yīng)的脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)收到信號(hào)后就會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)對(duì)應(yīng)的步距角?？梢?，控制了脈沖信號(hào)也就控制了步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)傳統(tǒng)的控制方式是利用觸發(fā)器產(chǎn)生控制脈沖來(lái)進(jìn)行控制的，但這一控制方式難以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并且具有控制電路復(fù)雜、控制精度低、成本高等缺點(diǎn)。單片機(jī)通過(guò)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，所以，步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)非常適合采用單片機(jī)進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路模塊、按鍵控制電路模塊、步進(jìn)電機(jī)。其中單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，接收各種控制信號(hào)，分析處理，完成脈沖分配，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)控制，比如啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)向、變速等。

單片機(jī)通過(guò)控制所發(fā)送脈沖頻率的高低，來(lái)完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度大小的控制，實(shí)際就是控制脈沖的頻率的過(guò)程。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與脈沖頻率成正比，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與脈沖數(shù)也成正比，在降低脈沖頻率，電機(jī)減速運(yùn)行；提高脈沖頻率，電機(jī)加速運(yùn)行。脈沖頻率可以通過(guò)硬件定時(shí)、軟件延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于單片機(jī)輸出的電壓、電流較小，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因此必須進(jìn)行放大，才能使電機(jī)正常運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)電路的作用是將單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行電壓和電流放大，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，使步進(jìn)電機(jī)能夠根據(jù)不同的控制脈沖信號(hào)分別作相應(yīng)的動(dòng)作。按鍵控制電路的作用是：通過(guò)設(shè)置按鍵開關(guān)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)控制，還可以按要求進(jìn)行調(diào)速。

通過(guò)軟件編程，可使單片機(jī)產(chǎn)生控制脈沖、實(shí)現(xiàn)脈沖分配，完成步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)控制。以51單片機(jī)作為控制核心組成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了硬件電路與軟件編程相結(jié)合的控制方法，簡(jiǎn)化了電路的同時(shí)，還降低了成本，可達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。

3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)出基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路，如圖1所示。

控制系統(tǒng)的核心部件是單片機(jī)，選用51系列單片機(jī)AT89S52。AT89S52是一款低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，自帶8K的Flsah存儲(chǔ)器，可以在線編程，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。步進(jìn)電機(jī)部分使用四相五線減速步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)28BYJ-48，基本參數(shù)有：電機(jī)直徑28mm，電壓DC 5V-12v，步進(jìn)角度是5.625×1/64，減速比是1/64。

圖1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路原理圖

由于AT89S52單片機(jī)的輸出信號(hào)的功率較小，不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以需要外加驅(qū)動(dòng)電路才能使步進(jìn)電機(jī)正常工作。本設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)功率和額定電流都較小，從成本角度考慮，驅(qū)動(dòng)模塊部分可采用集成驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A。ULN2003A是一種高壓、大電流的驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部含有7個(gè)硅PNP大功率達(dá)林頓管，可提供最高0.5A的電流，適合本設(shè)計(jì)。ULN2003A的輸入端連接單片機(jī)的P1口，其中P1.0-P1.3輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；輸出端接步進(jìn)電機(jī)。按鍵控制電路較為簡(jiǎn)單，設(shè)置3個(gè)按鍵，分別控制步進(jìn)電機(jī)的停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。

控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)如下：

(1) 復(fù)位：電路上電時(shí)復(fù)位；手動(dòng)按下按鍵開關(guān)S1可復(fù)位，控制精度高，工作可靠。

(2) 步進(jìn)電機(jī)工作情況控制：按下按鍵開關(guān)S2，電機(jī)正轉(zhuǎn)；按下按鍵開關(guān)S3，電機(jī)反轉(zhuǎn)；按下按鍵開關(guān)S4，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

(3) 速度控制：通過(guò)軟件編程的方式，給電機(jī)設(shè)置不同延時(shí)時(shí)間，可改變控制脈沖的頻率，從而改變步進(jìn)電機(jī)步距角，實(shí)現(xiàn)電機(jī)加速，減速。延時(shí)時(shí)間常數(shù)越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢，延時(shí)時(shí)間常數(shù)越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成鍵盤掃描、識(shí)別判斷，脈沖產(chǎn)生、分配和脈沖輸出。使用軟件的方式，使單片機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖，并完成脈沖分配，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速控制?？刂葡到y(tǒng)上電后單片機(jī)進(jìn)入初始化，設(shè)定各寄存器的初值，此時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)；如果有按鍵按下，立即產(chǎn)生中斷信號(hào)，CPU啟動(dòng)中斷服務(wù)程序判別鍵值，用以執(zhí)行相應(yīng)的子程序，通過(guò)改變寄存器值完成步進(jìn)電機(jī)的方向和速度的控制。

使用軟件編程的延時(shí)程序來(lái)完成電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。延時(shí)時(shí)間常數(shù)越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于內(nèi)部繞組的通電順序。改變電機(jī)內(nèi)部各相繞組的通電順序即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。通過(guò)軟件編程，使得單片機(jī)給繞組施加不同相序的脈沖電流，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。為了使系統(tǒng)的帶負(fù)載能力更強(qiáng)，運(yùn)行更平穩(wěn)，可選用四相八拍驅(qū)動(dòng)方式。四相八拍方式通繞組的通電順序：正轉(zhuǎn)時(shí)，按照A-AB-B-BC-C-CDD-DA-A...順序通電；反轉(zhuǎn)時(shí)，按照D-DC-C-CB-B-BA-A-AD-D…順序通電。

5 結(jié)語(yǔ)

基于51單片機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合，簡(jiǎn)化了電路，降低了成本，可以使步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。通過(guò)軟件編程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確控制，提高步進(jìn)電機(jī)的控制精度，免受失步、振蕩等不利的影響；同一硬件電路可以控制和驅(qū)動(dòng)多相步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)靈活的接口電路，單片機(jī)使鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路實(shí)現(xiàn)了有機(jī)組合，大大提高系統(tǒng)的通用性，從而使得系統(tǒng)的交互性大大增強(qiáng)。該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以用于高精度步進(jìn)控制系統(tǒng)中，具有一定的實(shí)用價(jià)值和很好的應(yīng)用前景。

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Design and implementation of stepper motor control system based on 51 MCU

Tian Cong, Su Chang
(Department of electrical and information engineering, Heilongjiang Institute of technology, Jixi Heilongjiang,158100)

Based on the characteristics of 51 single chip microcomputer, the control system of the stepper motor is studied. With 51 MCU AT89S52 as the control core, this paper presents a design scheme of stepper motor control system using the drive circuit of ULN2003A chip. Complete the hardware circuit design and software programming of the control system to realize the control requirements of stepper motor. The system is easy to operate and has high control precision with high use value.

stepper motor; MCU; Control system

田聰（1981--），女，黑龍江雞西人，講師，碩士，主要研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)、電氣工程、實(shí)驗(yàn)教學(xué)。