單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張德田

(保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000)

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由CPU控制模塊、啟動(dòng)控制模塊、步數(shù)調(diào)節(jié)模塊、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊、正反轉(zhuǎn)控制模塊、電機(jī)控制模塊及正反轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)模塊構(gòu)成。

具備以下控制功能：

(1)一鍵啟停功能。

(2)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)步數(shù)增減可調(diào)功能。

(3)電機(jī)轉(zhuǎn)速增減功能。

(4)正反轉(zhuǎn)控制功能。

(5)正反轉(zhuǎn)方向標(biāo)識(shí)功能。

其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示：

圖1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

2 各模塊介紹

2.1 CPU控制模塊

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)選用C8051F系列單片機(jī)作為控制核心。C8051F系列單片機(jī)是由美國Silicn Labs公司生產(chǎn)的，不僅完全兼容89S51單片機(jī)指令系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)也與傳統(tǒng)單片機(jī)類似，具有優(yōu)越的性能和很好的應(yīng)用前景。

2.2 電機(jī)控制模塊

本步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)選用四相永磁式步進(jìn)電機(jī)。選用單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2和P2.3引腳分別連接步進(jìn)電機(jī)的U、V、-U、和-V端。采取單雙八拍控制方式控制步進(jìn)電機(jī)工作。

2.3 啟動(dòng)控制模塊

單片機(jī)P0.5口接啟動(dòng)按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)。低電平令步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)模塊。

2.4 步進(jìn)調(diào)節(jié)模塊

單片機(jī)P0.0和P0.1引腳接步進(jìn)電機(jī)步數(shù)增加、減少的調(diào)節(jié)按鍵，構(gòu)成步數(shù)調(diào)節(jié)模塊。

2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊

單片機(jī)P1.4和P1.5引腳接步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加、減少的調(diào)節(jié)按鍵，構(gòu)成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊。

2.6 正反轉(zhuǎn)控制模塊

單片機(jī)P1.6引腳接正反轉(zhuǎn)控制按鍵，構(gòu)成正反轉(zhuǎn)控制模塊。

2.7 正反轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)模塊

單片機(jī)P0.3口設(shè)為轉(zhuǎn)向標(biāo)志位，低電平為正轉(zhuǎn)、高電平為反轉(zhuǎn)。

3 軟件編制要點(diǎn)

步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組可以制成各種相數(shù)，常見的有單相、三相、四相和五相等多種。四相步進(jìn)電機(jī)有4對磁極、4個(gè)繞組，每個(gè)磁極的表面都分布著大小相同、間距相同的多個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子圓周表面也均勻分布著與定子小齒形狀相似、齒間距相同的小齒。若轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z為40個(gè)，則

齒距角=360°/Z=360°/40=9

為了控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使其實(shí)現(xiàn)數(shù)字到角度的轉(zhuǎn)換，可以由單片機(jī)按順序給電機(jī)繞組加有序的脈沖電流。轉(zhuǎn)過的角度數(shù)正比于脈沖個(gè)數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度正比于脈沖頻率，而轉(zhuǎn)動(dòng)的方向則與脈沖順序有關(guān)。

令單片機(jī)P2.0口接U相驅(qū)動(dòng)端，P2.1口接V相驅(qū)動(dòng)端，P2.2口接-U相驅(qū)動(dòng)端，P2.2口接-U相驅(qū)動(dòng)端。單相四拍、雙向四拍和單雙相八拍3種情況下整轉(zhuǎn)的控制字如表1所列。

表1 控制字表

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)可通過調(diào)節(jié)脈沖周期來實(shí)現(xiàn)。程序中，可設(shè)置延時(shí)子程序，改變每個(gè)脈沖周期，調(diào)用延時(shí)子程序的次數(shù)或改變延時(shí)時(shí)間可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。

4 結(jié)語

此單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)控制的方案，能實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)變速、勻速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)控制。該方案可在彩色電腦噴印機(jī)、繪圖儀等應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)過程的平穩(wěn)控制和精確控制。