基于單片機步進電機智能控制

劉 博 曹玉英 袁闊宇

(1.沈陽三洋建筑機械有限公司，遼寧 沈陽 110122;2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168)

隨著工業(yè)自動化的快速發(fā)展，自動化技術(shù)成果在實踐中的推廣應(yīng)用，大幅提高了生產(chǎn)力水平。自動化技術(shù)作為一門與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的專業(yè)，近年來，隨著計算機技術(shù)，電子技術(shù)，數(shù)字控制技術(shù)，變頻技術(shù)的快速發(fā)展，一些先進的控制理論和方法在當(dāng)今得以實現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)高度自動化成為未來發(fā)展的必然趨勢。本文就步進電機的控制原理及單片機在步進電機智能控制中的應(yīng)用做以簡單介紹。

1 單片機

單片微型計算機(SCM)簡稱單片機。它是由中央處理器、可編程存儲器、隨機存取存儲器、只讀存儲器、定時器/計數(shù)器、中斷控制器、并行及串行輸入/輸出接口電路、等部件組成，并集成在半導(dǎo)體芯片之上，組成一個完整的計算機。隨著現(xiàn)代大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，組成微型機算計的各功能部件：中央處理器、儲存器、串/并輸入輸出接口、定是器/計數(shù)器、中斷控制器，以及許多特殊功能單元，如：A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、高速輸入輸出部件、DMA、浮點運算等已集成在一塊半導(dǎo)體晶體芯片上，構(gòu)成一個完整的微型機算計——單片機。由于它具有功能強、體積小、功耗低、價格便宜、工作可靠、所以方便等特點，因此特別適合于工業(yè)控制有關(guān)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，愈來愈廣泛地應(yīng)用于自動控制、智能化儀器、儀表、數(shù)據(jù)采集、軍工產(chǎn)品以及家用電器等各個領(lǐng)域。

2 步進電動機

步進電動機又被稱為脈沖電動機或階躍電動機，經(jīng)歷了80年的發(fā)展歷史，步進電動機演變成了一種離散運動的裝置，是一種數(shù)字控制的電動機，它通過控制外加脈沖，對步進電動機各相繞組的導(dǎo)通或截止進行控制并產(chǎn)生步進運動。PLC會給電動機發(fā)送電脈沖信號，通過輸入遵循一定比例關(guān)系脈沖的不同數(shù)量和頻率信號，使電動機改變其輸出轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。在一定負(fù)載能力的范圍內(nèi)，這些關(guān)系不隨其電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的變化而變化。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速和位置不受負(fù)載變化的影響，而只取決于接收的脈沖信號的脈沖數(shù)和脈沖頻率。其最突出的優(yōu)點是在寬廣的頻率范圍內(nèi)，通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)快速起停、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)控制等動作，同時可以保證其只有周期性誤差并避開了累積誤差，精度較高。

2.1 傳統(tǒng)步進電機控制原理

傳統(tǒng)步進電機的控制方式是時序邏輯門電路控制，此方式會使工作的硬件電路變得異常的復(fù)雜，而且這樣的硬件電路一旦成形，就使得電路更改變更異常復(fù)雜，給相關(guān)工作人員在工作中帶來極大的不便，同時，組成時序邏輯電路的硬件成本相對單片機的硬件成本來說是較高的，無論從維修維護還是綜合成本方面來說，單片機都有著極大的優(yōu)勢。

2.2 單片機控制步進電機的原理

通過使用單片機來對步進電機進行控制，可以實現(xiàn)其軟件與硬件相結(jié)合。同時它將環(huán)形分配器用軟件代替，從而可以更好的控制步進電機。系統(tǒng)中以單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。因單片機的強大功能，同時還可設(shè)計大量的外圍電路，來設(shè)置步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，并采用軟件編程的辦法實現(xiàn)脈沖的分配。

3 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案

3.1 方案概述

步進電機的控制可以由時序邏輯門電路來控制，但用此工作方式會使得工作的硬件電路變得異常的復(fù)雜，而且硬件電路一旦成形，就使得硬件電路更改變更非常復(fù)雜，給工作人員帶來很大的不變，形成時序邏輯電路的硬件成本相對單片機的硬件成本來說是較高的，無論從哪一方面來說，時序邏輯電路都沒有優(yōu)勢。傳統(tǒng)方法上是采用時序電路的方法來對步進電機進行控制的，其工作的硬件電路異常的復(fù)雜，而且硬件電路一旦成形，就使得硬件電路更改變更非常難。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機無論是從價格還是從工作的可靠信方面來說，單片機都成為大部人群所要選的首選對象。隨著單片機的功能也在日益的壯大。單片機的應(yīng)用也越來越廣泛，單片機正在逐漸走進人們的生活，并讓人們的生活逐漸走向智能化。本設(shè)計采用AT89C51 MCU作為控制芯片改進了傳統(tǒng)時序方法，軟體通過匯編語言編寫，硬件方面規(guī)劃由單片機應(yīng)用電路、三按鍵電路、步進電機驅(qū)動電路以及數(shù)碼管顯示電路組成，通過設(shè)定電機轉(zhuǎn)速并在數(shù)碼管中顯示其轉(zhuǎn)速大小，從而實現(xiàn)步進電機的智能化控制。本設(shè)計采用protel繪制原理圖，將基于單片機步進電機智能控制(LED顯示)工作的原理圖畫出來，通過protues進行仿真，protues能夠很好反應(yīng)步進電機的工作情況，通過Keil uVision3對程序進行編譯，看程序是否正確。

［1]余發(fā)山主編，《單片機原理及應(yīng)用技術(shù)》.中國礦業(yè)大學(xué)出版社.2003

［2]哈爾濱工業(yè)大學(xué)，成都電機廠編著《步進電動機》.科學(xué)出版社.1979

［3]陳隆昌.《控制電機》.《西安電子科技大學(xué)出版社》.2000