基于89C51單片機的步進(jìn)電動(dòng)機控制系統設計

隨著(zhù)數字化技術(shù)的快速發(fā)展，數字控制技術(shù)在工業(yè)控制方面得到了極其廣泛的應用。由步進(jìn)電動(dòng)機組成的控制系統具有結構簡(jiǎn)單、功能強大、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，能滿(mǎn)足工業(yè)控制的基本性能需求和大規模商用要求，因此在工業(yè)自動(dòng)化設備等領(lǐng)域得到了廣泛而深入的應用。步進(jìn)電動(dòng)機是一種將電脈沖信號轉變成對應角位移或線(xiàn)位移的電動(dòng)機，實(shí)際上是一個(gè)D/A轉換器，也即是一個(gè)數字/角度轉換器。步進(jìn)電機的角位移與控制脈沖間實(shí)現精確同步，若將步進(jìn)電機的角位移的改變轉換為線(xiàn)位移、位置、體積、流量等物理量的變化，便可實(shí)現對它們的控制。步進(jìn)電動(dòng)機是數字控制電動(dòng)機，能將脈沖信號轉換成角位移，電動(dòng)機的轉速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，在非超載狀態(tài)下，根據上述線(xiàn)性關(guān)系，再加上步進(jìn)電動(dòng)機只有周期性誤差而無(wú)累積誤差，因此步進(jìn)電機適用于單片機控制。由于步進(jìn)電動(dòng)機具有快速啟停，可直接接收計算機輸出的數字信號以及精度高等顯著(zhù)特點(diǎn)，因此，步進(jìn)電機現已成為工業(yè)過(guò)程控制中的重要控制元件之一。

由于單片機技術(shù)的成熟發(fā)展和成本優(yōu)勢，使得使用單片機控制的步進(jìn)電動(dòng)機系統具有成本低廉、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應用在數控機床、機器人，工業(yè)自動(dòng)控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等應用領(lǐng)域中。

1 步進(jìn)電動(dòng)機工作原理

步進(jìn)電動(dòng)機按其相位數不同，可以分為二相、三相、四相、五相和六相。本文以三相為例來(lái)說(shuō)明步進(jìn)電動(dòng)機的工作原理。電動(dòng)機的定子上有6個(gè)等分的磁極，A——A’、B——B’、C——C’，相對的兩個(gè)磁極組成一組，每個(gè)磁極上都有5個(gè)均勻分布的小齒輪。轉子上由40個(gè)小齒輪均勻分布在圓周上，相鄰兩齒輪之間的夾角為3600/40=90。當電流通過(guò)某一繞組時(shí)，該繞組對應的兩個(gè)磁極即可形成N——S極，并產(chǎn)生磁場(chǎng)，寫(xiě)轉子形成磁路。若定子的小齒輪此時(shí)與轉子的小齒輪沒(méi)有對齊，則在該磁場(chǎng)的作用下，轉子就會(huì )進(jìn)行一定角度的旋轉，使轉子的小齒輪與定子的小齒輪進(jìn)行對齊，選擇的角度即為步距角。

在單三拍控制方式下，當A相通電，B、C相斷電時(shí)，在磁場(chǎng)作用下，使轉子小齒輪與A相的定子小齒輪對齊。若假定與A相中心對齊的為0號齒輪，A相所在角度為00。由于三相磁極相差1200，此時(shí)轉子13號齒輪與B相的中心相差角度為1 200-90*13=30，轉子27號齒輪與C相的中心相差角度為2 400—90*27=-30，若此時(shí)讓B相通電，A、C相斷電，在磁場(chǎng)作用下，要使轉子小齒輪與B相定子齒輪對齊，轉子需順時(shí)針旋轉30。若此時(shí)讓C相通電，A、B相斷電，在磁場(chǎng)作用下，要使轉子小齒輪與C相定子齒輪對齊，轉子需逆時(shí)針旋轉30。若通電順序為：A——B——C——A，轉子則順時(shí)針旋轉，若通電順序為：A——C——B——A，轉子則逆時(shí)針旋轉，從而實(shí)現對電機的正反轉控制。

2 控制系統設計

步進(jìn)電機控制系統主要由單片機、PC上位機、驅動(dòng)電路、步進(jìn)電動(dòng)機、4*4鍵盤(pán)和LED顯示等模塊組成，下圖1為步進(jìn)電機控制系統是總體結構圖。單片機產(chǎn)生脈沖信號并將脈沖信號傳送給步進(jìn)電動(dòng)機，完成對步進(jìn)電動(dòng)機的步數和圈數的準確計數，從而實(shí)現對步進(jìn)電動(dòng)機的轉速控制。PC上位機模塊是系統的核心，通過(guò)串口向單片機發(fā)送控制命令，實(shí)現PC機對步進(jìn)電動(dòng)機的實(shí)時(shí)控制，并實(shí)時(shí)顯示步進(jìn)電動(dòng)機的運行狀態(tài)。4*4鍵盤(pán)模塊實(shí)現指令輸入，LED顯示模塊可顯示步進(jìn)電動(dòng)機的轉速和轉向等運行狀態(tài)。為保護單片機控制系統硬件電路，在單片機和步進(jìn)電機之間增加過(guò)驅動(dòng)電路。

由于步進(jìn)電動(dòng)機的驅動(dòng)電流比較大，步進(jìn)電動(dòng)機較大驅動(dòng)電流的通斷會(huì )造成電磁干擾，進(jìn)而會(huì )影響單片機的正常工作。因而單片機與步進(jìn)電動(dòng)機之間的驅動(dòng)電路就顯得尤為重要。本系統采用74LS04非門(mén)與有光電隔離的4N29達林頓管組成驅動(dòng)電路，這樣不僅避免了在驅動(dòng)電路發(fā)生故障，造成高電壓、大電流進(jìn)入單片機而燒毀器件。同時(shí)割斷了驅動(dòng)電路與單片機控制電路之間的電氣連接。另外步進(jìn)電動(dòng)機的啟停和正反轉分別由S1，S2控制。硬件接線(xiàn)圖如圖2所示。

3 軟件實(shí)現

單片機程序判斷步進(jìn)電機是否啟動(dòng);若啟動(dòng)則進(jìn)一步判斷其旋轉方向;然后按照既定的旋轉方向傳送控制脈沖序列，再加上脈寬延時(shí)即可。每走一步步數減1，并判斷步數是否為零，從而決定是否送下一個(gè)脈沖序列。其控制狀態(tài)如表1所示。

由表1可以看出，輸出的不同狀態(tài)字，表示不同的勵磁方式。P1=0x06H，表示A相通電，其它兩相斷電：P1=0x05H，表示B相通電，其它兩相斷電;P1=0x03H，表示C相通電，其它兩相斷電。若以次給P1口送0X06H，0X05H，0X03H，則步進(jìn)電機通電順序為A——B——C——A相。反之若以次給P1口送0X03H，0X05H，0X06H，則步進(jìn)電機通電順序為C——B——A——C相。從而用軟件實(shí)現了步進(jìn)電機的正反轉控制。步進(jìn)電機的旋轉速度可以用脈沖寬度，即送出控制狀態(tài)字后的延時(shí)時(shí)間長(cháng)短來(lái)控制。

軟件設計流程框圖如圖3所示。

4 結束語(yǔ)

本系統通過(guò)89C51單片機控制步進(jìn)電動(dòng)機，操作方便、可靠性高，步進(jìn)電動(dòng)機的步距角非常精確，且不受外界環(huán)境溫度，濕度等因素的影響。本系統只需要簡(jiǎn)單的改變輸出狀態(tài)字序列，及狀態(tài)字的輸出頻率，便可實(shí)現對步進(jìn)電機的精度及速度控制。由PC上位機程序可以完全控制步進(jìn)電動(dòng)機的各種運行方式，使系統能夠應用于惡劣環(huán)境中，保證使用人員的安全，且適用范圍較廣，該系統在數控銑床進(jìn)給伺服機構的驅動(dòng)電動(dòng)機進(jìn)行試用，實(shí)用價(jià)值較高，因此本系統具有很好的應用前景。