一種步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制器的設(shè)計(jì)

劉潤澤　王憲磊

【摘 要】步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的元器件。本設(shè)計(jì)采用ST89C51單片機(jī)芯片作為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制器的核心，通過單片機(jī)的I/O口輸出信號(hào)，再通過ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、復(fù)位、加速、減速，同時(shí)用液晶顯示屏來顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)[1]。

【關(guān)鍵詞】步進(jìn)電機(jī);運(yùn)行;控制

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）16-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.006

步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的元器件。是一種可靠性較高而且廉價(jià)的開環(huán)控制系統(tǒng)，在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用[2]。

步進(jìn)電機(jī)控制器主要是由控制器、功率放大器以及步進(jìn)電機(jī)等元件組成。在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)生活過程中，為了增強(qiáng)運(yùn)行控制器的可靠性、簡化運(yùn)行控制器的結(jié)構(gòu)并且降低生產(chǎn)成本，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制可以采用單片機(jī)來完成，然后利用仿真軟件進(jìn)行仿真[3]，代替步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制器來達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)，被控制對(duì)象選用四相步進(jìn)電機(jī)。通過編寫的程序，最終實(shí)現(xiàn)通過按鈕控制電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的使用場合不同，設(shè)計(jì)十個(gè)不同轉(zhuǎn)速的檔位，并通過程序的編寫實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加減速的功能[3]。為了可以使所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制器具有更好的使用效果并可以運(yùn)用到生產(chǎn)生活中，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可以用LCD顯示屏顯示[4]。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)主要涵蓋驅(qū)動(dòng)電路、狀態(tài)顯示和按鍵三大部分[5]。總框圖如圖1所示。

2 步進(jìn)電機(jī)及其主控芯片的選擇

設(shè)計(jì)中，選用的主控芯片不僅需要考慮控制系統(tǒng)的大小和復(fù)雜程度，還要考慮功耗和抗干擾性能[6]。本設(shè)計(jì)中的受控對(duì)象只有步進(jìn)電機(jī)和液晶顯示屏兩個(gè)部分，復(fù)雜程度較低，采用普通單片機(jī)芯片即可。同時(shí)，單片機(jī)的芯片運(yùn)行速度、內(nèi)部儲(chǔ)存容量、輸入/輸出引腳的數(shù)量，及其所需要的工作電壓等方面也符合設(shè)計(jì)要求。所以本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用ST89C51單片機(jī)，

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)電壓采用的是+5V直流電壓，因此本設(shè)計(jì)選用的是28BYJ-48型電機(jī)作為被控制對(duì)象。

3 硬件設(shè)計(jì)及運(yùn)行原理

本設(shè)計(jì)運(yùn)行控制器的硬件系統(tǒng)是以ST89C51單片機(jī)為運(yùn)行控制核心構(gòu)成的運(yùn)行控制器，采用集成電路ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。五個(gè)分別控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的按鍵輸入;同時(shí)采用LCD1602液晶顯示屏顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度的檔位以及電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

通過按鍵來給單片機(jī)輸入動(dòng)作信號(hào)，單片機(jī)輸出信號(hào)到驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片提供脈沖信號(hào)并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制[7]。當(dāng)對(duì)所選用的步進(jìn)電機(jī)施加一系列的連續(xù)并且不間斷的控制脈沖的時(shí)候，電機(jī)可以做到連續(xù)不間斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)發(fā)出的脈沖可以改變電機(jī)繞組的通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成整個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距[8]。本設(shè)計(jì)的硬件原理圖如圖2所示。

4 控制系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計(jì)

為了使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制器正常運(yùn)行并達(dá)到預(yù)期效果，在設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制器時(shí)，必須使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制器的硬件部分與軟件部分的程序相互匹配。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制主要包括：控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和加減速。在對(duì)運(yùn)行程序的編寫之前，應(yīng)首先繪制本部分的設(shè)計(jì)框圖，本設(shè)計(jì)主程序的框圖如圖3所示：

在程序編輯過程中，單片機(jī)首先要對(duì)運(yùn)行控制系統(tǒng)中的功能按鍵進(jìn)行掃描;其次單片機(jī)根據(jù)功能按鍵所發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行處理，并向ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào);與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)的過程中還需要利用單片機(jī)所發(fā)出的信號(hào)，對(duì)LCD1602液晶顯示屏進(jìn)行控制，使得液晶顯示屏可以正常顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

在本設(shè)計(jì)中，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路為：第一步，先在運(yùn)行控制的整體上規(guī)劃出所需要的各個(gè)功能模塊;第二步，對(duì)于各個(gè)功能模塊的硬件設(shè)計(jì)以及軟件程序的編輯同時(shí)進(jìn)行，并依次逐步完善各個(gè)功能模塊;第三步，將各個(gè)功能模塊搭建成步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制器。

設(shè)計(jì)過程就是將步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制器的理論做成實(shí)物的過程[4]，其中包括：電子電路的設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算、電路原理圖的繪制、電路板中電子器件的焊接、軟件控制流程圖的設(shè)計(jì)與分析、運(yùn)行程序的編寫與軟件的調(diào)試、燒錄程序到單片機(jī)、硬件與軟件系統(tǒng)的檢查與調(diào)試，直到最后步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孔祥煜.基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（05）：92-93.

[2]趙成龍，張春雷，陳龍.基于定時(shí)器的步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)[J].精密制造與自動(dòng)化，2018（04）：30-32.

[3]張宗猛，王正蘭，楊德華，吳常鋮，金振宇.基于步進(jìn)電機(jī)的位移促動(dòng)器設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)[J/OL].天文研究與技術(shù)

[4]張菁，趙鵬，郭紅霞.基于組態(tài)王的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].榆林學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，28（06）：50-52.

[5]謝述雙.一種基于脈沖控制器控制的步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)電路的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（10）：136-139.

[6]何慶.一種面向步進(jìn)電機(jī)控制的PID控制算法[J].電工技術(shù)，2018（18）：21-23+26.

[7]齊詩萌，閔華松，黃文暉.基于步進(jìn)電機(jī)的機(jī)器人夾持器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2018（09）：61-65.

[8]孫祥明.淺議西門子PLC在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018，26（24）：83.