淺析單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制

汪利華

摘要：本文主要是單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，首先介紹了步進(jìn)電機(jī)的工作原理原理，而后詳細(xì)闡述了基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、人機(jī)交互電路和步進(jìn)電機(jī)控制邏輯，從而實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；電子脈沖；人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）34-0240-02

1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

在傳統(tǒng)的直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，步進(jìn)電機(jī)在電脈沖的控制下，可以實(shí)現(xiàn)固定轉(zhuǎn)角距的運(yùn)動(dòng)，也就是說，在一定的電脈沖控制下，步進(jìn)電機(jī)能夠按照固定的角度和時(shí)間間隔，朝著一個(gè)既定的方向依次旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度來提供動(dòng)力，從而形成固定“步距角”的位移。對于某一型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)來說，其“步距角”在其設(shè)計(jì)生產(chǎn)之初就已經(jīng)固定了，這一指標(biāo)也是作為該型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)的固定屬性來展現(xiàn)出來，在電源的作用下和電子脈沖的控制下，步進(jìn)電機(jī)按照固有的步距一步一步向固定方向運(yùn)動(dòng)，從而提供源源不斷的動(dòng)力來源。那么對于步進(jìn)電機(jī)的控制，主要集中在電子脈沖的設(shè)定上面，頻率越高，步進(jìn)電機(jī)按照固定步伐運(yùn)動(dòng)的越快，從而在固定的步距下運(yùn)動(dòng)的速度就更快，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)在電子脈沖下的角位移和角速度的變化。

1.1 步進(jìn)電機(jī)的分類

步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力來源于其他原理相似，但是在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上和選擇材料上根據(jù)實(shí)際的功能需求有所不同，一般來說，可分為反應(yīng)磁阻式、永磁式、永磁感應(yīng)混合式三種不同工作原理的步進(jìn)電機(jī)。

1） 反應(yīng)磁阻式步進(jìn)電機(jī)。該類型的步進(jìn)電機(jī)是在轉(zhuǎn)子鐵心、定子鐵心的表面，按照設(shè)計(jì)的布局有規(guī)律地設(shè)定齒槽，定轉(zhuǎn)子的齒槽與齒槽之間在旋轉(zhuǎn)過程中位置發(fā)生變化，磁路磁阻就會(huì)發(fā)生變化，從而生成固定的轉(zhuǎn)矩力。反應(yīng)磁阻式步進(jìn)電機(jī)在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上非常簡潔，步距角的精度非常高，可是實(shí)現(xiàn)1到15度甚至更小的步距角，但是其動(dòng)態(tài)性能比較差，效能較低，步進(jìn)性能難以令人滿意。

2） 永磁式步進(jìn)電機(jī)是使用永磁材料制作成轉(zhuǎn)子，而在定子上通過多相繞組纏繞定子鐵心上，從而在電流的作用下形成電磁場，與永磁材料的磁場相互作用產(chǎn)生磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)永磁材料選擇的不同，一般的永磁式步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)7.5、11.25、15、18以及45、90等多種固定轉(zhuǎn)角的步進(jìn)電機(jī)。永磁式電機(jī)在動(dòng)力輸出上優(yōu)勢非常明顯，其動(dòng)態(tài)性能也非常優(yōu)越，但是在步進(jìn)精度上很難滿足要求較高產(chǎn)品的需求。

3） 永磁感應(yīng)混合式步進(jìn)電機(jī)。在反應(yīng)磁阻式步進(jìn)電機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)上，永磁感應(yīng)混合式步進(jìn)電機(jī)通過使用軸向磁化的磁鐵作為轉(zhuǎn)子，通過復(fù)極的形式來形成磁極，從而使得步進(jìn)電機(jī)在強(qiáng)大的轉(zhuǎn)矩力前提下還能保證較高的精度。但是該類型點(diǎn)擊在設(shè)計(jì)上結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本也非常高。

1.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)在具體實(shí)現(xiàn)上基本相同，是在電子脈沖的作用下，通過步進(jìn)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子的角度位移轉(zhuǎn)化成線位移，從而提供既定方向上的動(dòng)力。如圖1所示，為三相步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。

三相步進(jìn)電機(jī)是常見的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力提供方式，通過三條電源線來為步進(jìn)電機(jī)提供電源力，在圖1中AA、BB、CC分別對應(yīng)一相電源線連接形成回路，而三相電源之間的相位差則是120度，最終三相電源一次通電形成一個(gè)動(dòng)力周期。

假如首先在AA相路上進(jìn)行通電，那么產(chǎn)生的電磁場的作用力下會(huì)促使轉(zhuǎn)定子形成閉合的磁力線，促使AA上的齒進(jìn)行對齊，此時(shí)BB、CC的齒處在為對齊狀態(tài)，如果依次在BB、CC上進(jìn)行通電，那么也會(huì)為了磁力線閉合來轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子。當(dāng)轉(zhuǎn)子AA的齒與定子AA齒對齊時(shí)，轉(zhuǎn)子上與定子B 相中間應(yīng)該對齊的齒號(hào)為120°/9°=13.33，不是整數(shù)，即轉(zhuǎn)子與定子上的齒未對齊，則磁阻大，為減小磁阻，轉(zhuǎn)子要旋轉(zhuǎn)。所以按照預(yù)定的相位差，依次為定子的A→B → C → A → B 相路進(jìn)行通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之則逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

2 單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制

2.1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，本質(zhì)上提供外部人機(jī)交互接口，在單片機(jī)的判斷和控制下產(chǎn)生不同頻率的電子脈沖來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。由于控制邏輯相對比較簡單，所以可以采用穩(wěn)定的、高效的、性價(jià)比較高的AT89C51單片機(jī)為核心控制部件，通過編程來實(shí)現(xiàn)該單片機(jī)對外部人機(jī)交互結(jié)構(gòu)電路的輸入判斷，并改變相應(yīng)的輸出電子脈沖頻率，在驅(qū)動(dòng)芯片的作用下為步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力來源。

為了滿足上述設(shè)計(jì)需求，在搭建整個(gè)控制系統(tǒng)硬件電路時(shí)，首先要滿足AT89C51單片機(jī)工作的最低要求，配備時(shí)鐘電路、電源電路等，人機(jī)交互電路開關(guān)按鈕電路來讀取控制人員的控制指令，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用ULN2003來為步進(jìn)電機(jī)提供功率，為了滿足AT89C51單片機(jī)外部數(shù)據(jù)的交互，使用8255作為擴(kuò)展芯片來讀取各種信號(hào)以及對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)控制。如圖2所示，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)圖。

2.2 AT89C51單片機(jī)

其中，AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，能夠?qū)ν獠块_關(guān)控制電路的輸入信號(hào)進(jìn)行讀取和判斷，能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行讀取，并對顯示電路進(jìn)行顯示控制，同時(shí)生成步進(jìn)電機(jī)的電子脈沖控制信號(hào)，在ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)下來為步進(jìn)電機(jī)提供控制信號(hào)和動(dòng)力來源。

在AT89C51單片機(jī)中，提供了兩個(gè)可編程的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，通過編程人員對這兩個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制設(shè)定并初始化，而后通過啟動(dòng)指令來開啟定時(shí)，從而為電子脈沖產(chǎn)生固定的頻率。在對定時(shí)器/計(jì)數(shù)器進(jìn)行編程時(shí)，主要是對控制字TMOD和TCON進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過在控制字中寫入數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的控制，其中TMOD是選定其工作模式，而后設(shè)定初始化數(shù)據(jù)，TCON則是啟動(dòng)或停止其工作。當(dāng)然AT89C51單片機(jī)中的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)最大定時(shí)時(shí)長是一定的，最大約為131ms，如果步進(jìn)電機(jī)所需要的脈沖周期時(shí)間長度大于131ms而超過了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的定時(shí)期限，即需要在軟件設(shè)計(jì)上，通過定義循環(huán)次數(shù)，來滿足步進(jìn)電機(jī)的電子脈沖頻率的設(shè)定。

2.3 步進(jìn)電機(jī)的控制邏輯設(shè)計(jì)

在ULN2003芯片的驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)AT89C51單片機(jī)上電后，即可產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)，來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

1） AT89C51單片機(jī)上電，系統(tǒng)初始化各種數(shù)據(jù)，包括定時(shí)器、擴(kuò)展芯片使能和初始化賦值等；2）判斷步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，將其置于非工作狀態(tài)；3）將P0的停止二極管的燈端口至于低電平，使二極管顯示為步進(jìn)電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)；4）檢測P3口，檢測開關(guān)按鈕是否按下：如果正轉(zhuǎn)按鈕按下，預(yù)設(shè)固定低頻率發(fā)送正向電子脈沖，趨使步進(jìn)電機(jī)開始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將P0口正轉(zhuǎn)二極管對應(yīng)端口電壓至0，停止和反轉(zhuǎn)二極管對應(yīng)端口電壓至1；如果反正按鈕按下，預(yù)設(shè)固定低頻率發(fā)送反向電子脈沖，趨使步進(jìn)電機(jī)開始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將P0口反轉(zhuǎn)二極管對應(yīng)端口電壓至0，停止和正轉(zhuǎn)二極管對應(yīng)端口電壓至1；如果加速按鈕按下，提升電子脈沖頻率，趨勢步進(jìn)電機(jī)加速；如果停止按鈕按下，將發(fā)送的電子脈沖頻率降低至0，即不發(fā)送電子脈沖，從而使步進(jìn)電機(jī)停止，同時(shí)將P0口停止二極管對應(yīng)端口電壓至0，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)二極管對應(yīng)端口電壓至1。

3 總結(jié)

作為第三類電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電機(jī)繼承了交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)秀特性之后，在數(shù)字化控制支持方面也表現(xiàn)得特別優(yōu)秀，從而實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的良好融合。采用單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)行控制系統(tǒng)的研究與分析，加快人們在工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活發(fā)展中的數(shù)字化信息化控制的發(fā)展進(jìn)程，極大提提升了人們的生產(chǎn)效率和生活質(zhì)量。

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