基于單片機的步進電機控制

郭　豪，趙樹忠

(華北理工大學，河北　唐山　063009)

0　引言

步進電機是將電脈沖控制信號轉變?yōu)闄C械角位移或直線位移的控制電動機。在驅動電源的作用下，步進電機每接收一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的角度(步距角)。電動機轉子角位移的大小和轉速的高低分別與輸入的控制電脈沖數量及其頻率成正比，而電動機的轉向與繞組的通電順序有關，因此，通過控制輸入電脈沖的數目、頻率及電動機繞組的通電順序就可以獲得所需要的轉角、轉速及轉向，利用微型計算機就可以很容易實現(xiàn)步進電機的開環(huán)數字控制[1]。步進電機可以實現(xiàn)穩(wěn)定運行，不受外界溫度和電磁等因素的影響。由于單片機具有成本低、性能高、便于維護、使用簡單等特點，使得這一技術得到了飛速的發(fā)展并廣泛運用于各個行業(yè)。單片機技術的成熟，也使得步進電機的單片機控制系統(tǒng)具有廣闊的研究和應用前景[2]。

1　電機控制系統(tǒng)結構

由于所選用的步進電機功率和額定電流都較小，因此綜合考慮選用了達林頓驅動器ULN2803, 該芯片最多可一次驅動八線步進電機，具有接口簡單、操作方便等特點[3]。

步進電機的加速、減速、正反轉和停止等控制通過鍵盤設置來實現(xiàn)。由單片機控制ULN2803芯片發(fā)送相應的指令，經過驅動芯片對指令的相應處理(例如對電流和電壓的放大)驅動步進電機。步進電機控制系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1　步進電機控制系統(tǒng)結構框圖

2　硬件系統(tǒng)

以STC89C52單片機為核心和主控制器，選用六線制四相步進電機和ULN2803芯片組成電機和驅動模塊，矩陣鍵盤負責控制步進電機的啟停、加減速和換向的操作，由數碼管顯示當前步進電機的轉速和方向。

2.1　單片機系統(tǒng)

單片微型計算機是把組成微型計算機的各功能部件，包括中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時器/計數器以及串行通訊接口等部件制作在一塊集成芯片中，構成一個完整的微型計算機。由于其結構與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設計的，故又叫單片微控制器。本次研究選用STC公司出品的52單片機作為核心，各個引腳說明如圖2所示，該單片機具有容易上手、價格低廉、使用方便等特點，此外這一款單片機還保留了MCS51系列單片機的所有功能。單片機以及復位電路和振蕩電路構成了單片機的最小系統(tǒng)，如圖3所示。

2.2　步進電機系統(tǒng)

由于六線制四相步進電機比較常見，具有代表性，因此本次研究采用六線制四相步進電機，它的控制等效電路如圖4所示。步進電機的運動受脈沖信號的控制，只要改變4條勵磁信號引線A、B、C、D上勵磁脈沖發(fā)生的時間，就可以控制電機的轉動。步進電機能否連續(xù)轉動取決于脈沖信號是否連續(xù)發(fā)送。電機的轉速和轉向控制分別由脈沖信號的頻率和繞組的通電順序來控制：轉速與頻率成正比關系；步進電機的正向轉動的通電順序為A—AB—B—BC—C—CD—D—DA,反向轉動的通電順序為D—DC—C—CB—B—BA—A。

圖3單片機最小系統(tǒng)圖4步進電機的控制等效電路

2.3　步進電機驅動系統(tǒng)

步進電機驅動系統(tǒng)電路如圖5所示， 驅動器ULN2803的2號～5號接口分別與單片機的1號～4號接口連接，單片機通過這4個引腳向ULN2803輸入信號。同時，ULN2803的14號～17號接口分別與電機的6、5、2和1號引腳相連接，用來控制和驅動電機。JP1為電機六線接口,其中JP1的第3、4引腳連接在一起與電機的公共端相連，JP1的第1引腳對應步進電機的A，JP1的第2引腳對應步進電機的C，JP1的第5引腳對應步進電機的B，JP1的第6引腳對應步進電機的D。這4條驅動線通過ULN2803后與單片機的P1.0～P1.3引腳相連。

2.4　按鍵控制系統(tǒng)

此次研究還設計了鍵盤控制系統(tǒng)，通過對鍵盤輸入信號的掃描檢測來判斷按鍵是否閉合。當鍵盤按下時輸出為高電平，當鍵盤斷開時輸出為低電平。同時通過設計4個發(fā)光二極管來顯示此時按鍵的閉合情況，當按鍵閉合時發(fā)光二極管點亮。按鍵控制電路如圖6所示。

圖6　按鍵控制電路

2.5　數碼管顯示系統(tǒng)

選用了6個共陰極單位數碼管，同時為了節(jié)省I/O端口選用了兩個74HC573鎖存器控制數碼管。所有數碼管的陽極，即標有a、b、c、d、e、f、g、h的引腳全部連在一起并與下面的U1元件74HC573鎖存器的數據輸入端相連。將P0口加上上拉電阻并與鎖存器的數據輸入端相連。單片機的P2.6和P2.7分別接兩個鎖存器的鎖存端。每一個數碼管對應一個位選端，U2元件74HC573的數據輸出端的低6位分別與數碼管中的位選端WE1、WE2、WE3、WE4、WE5、WE6相連，同時將數據輸入端連接到單片機的P0口。系統(tǒng)的數碼管顯示電路如圖7所示。

圖7　數碼管顯示電路

3　軟件設計

通過各硬件模塊的搭建，初步具備了單片機控制步進電機系統(tǒng)的條件。通過MCS-51單片機的匯編語言編程，可以實現(xiàn)初始化、鍵盤輸入、數碼管顯示、步進電機驅動等模塊的控制，從而實現(xiàn)電動機的啟停、加減速、換向等功能，以及電機轉向和轉速的數碼管顯示?？刂葡到y(tǒng)程序流程見圖8。

圖8　控制系統(tǒng)程序流程

4　結束語

本文設計了基于STC89C52單片機的四相步進電機控制硬件電路，并通過軟件編程實現(xiàn)了步進電機的加減速控制、啟停控制和換向控制。該系統(tǒng)具有價格低廉、控制精度高、運行平穩(wěn)、通用性強等特點，可廣泛用于數控機床、機器人和機械加工等領域，具有一定的實用價值。

參考文獻：

[1]陳慧琴.基于STC89C51單片機步進電機控制系統(tǒng)的設計[J].山東工業(yè)技術,2016(18):187-188.

[2]孟武勝,李亮.基于AT89C52單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計[J].測控技術,2006(11):45-47，51.

[3]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.