基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵陽(yáng)學(xué)院信息工程系　付藝豪　許建明　李　忠

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基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵陽(yáng)學(xué)院信息工程系付藝豪許建明李忠

【摘要】文章介紹一款基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)完成正反轉(zhuǎn)、啟停、轉(zhuǎn)速控制等基本功能，利用單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、鍵盤實(shí)現(xiàn)功能切換，采用發(fā)光二極管顯示步進(jìn)電機(jī)的各個(gè)工作狀態(tài)。對(duì)步進(jìn)電機(jī)、單片機(jī)等硬件系統(tǒng)工作原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，同時(shí)對(duì)硬件電路進(jìn)行仿真調(diào)試。本設(shè)計(jì)具有思路清晰、高可靠性、較強(qiáng)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；轉(zhuǎn)速

步進(jìn)電機(jī)是利用脈寬可調(diào)信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制，將脈寬可調(diào)信號(hào)變換為對(duì)應(yīng)的角位移或者線位移的微型電機(jī)，這種電機(jī)最大優(yōu)點(diǎn)是可以較大頻率范圍內(nèi)進(jìn)行快速啟停、正反轉(zhuǎn)控制、調(diào)速等操作，組成的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)具有廉價(jià)和簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因此在各種需要轉(zhuǎn)速可調(diào)的設(shè)備中具有非常大的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)與微控制器技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求俱增，研究步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有較重要的意義。

1　系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)利用51單片機(jī)微控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)將脈寬可調(diào)信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行部件。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到單片機(jī)發(fā)送的一個(gè)脈寬可調(diào)信號(hào)后，就會(huì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的某一方向旋轉(zhuǎn)某個(gè)固定的角度(也稱“步距角”)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)以固定的某角度實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。改變脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)可以控制角位移量大小，進(jìn)而達(dá)到定位的目的，也可以通過(guò)改變脈寬可調(diào)信號(hào)的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度及加速度，達(dá)到調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度的目的。利用鍵盤改變單片機(jī)運(yùn)行程序可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟停等動(dòng)作，并且利用LED指示電機(jī)運(yùn)行情況。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)方框圖

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是利用脈寬可調(diào)信號(hào)控制角位移或線位移大小的開(kāi)環(huán)控制部件。在沒(méi)有過(guò)載的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止位置只由脈寬可調(diào)信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)量決定，并不受負(fù)載大小變化的影響。電動(dòng)機(jī)變化一個(gè)步距角表示接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，由于存在這種線性關(guān)系，步進(jìn)電機(jī)僅存在周期性的誤差而沒(méi)有累積誤差等特點(diǎn)，使得步進(jìn)電機(jī)控制速度和位移實(shí)現(xiàn)非常的容易。一般情況下，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的總角度跟接收到的脈沖個(gè)數(shù)成正比的，連續(xù)輸入某一定頻率的脈寬可調(diào)信號(hào)時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與輸入脈沖信號(hào)的頻率有著確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，信號(hào)電壓的變化及負(fù)載變化對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度沒(méi)有多大影響。由于步進(jìn)電機(jī)能夠直接接收數(shù)字信號(hào)，因此實(shí)現(xiàn)微控制器進(jìn)行控制非常的方便。

2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用風(fēng)機(jī)、繼電器、電磁閥、微型電機(jī)、空調(diào)等設(shè)備場(chǎng)合非常普遍，這些設(shè)備通常采用微控制器進(jìn)行集中控制，而微控制器不能直接控制設(shè)備，通常采用驅(qū)動(dòng)模塊放在微控制器和被控制對(duì)象之間，由微控制器發(fā)出指令控制驅(qū)動(dòng)模塊，因此驅(qū)動(dòng)模塊需要由功率電路來(lái)滿足輸出電流的要求。ULN2系列產(chǎn)品為大電壓、大電流達(dá)林頓管陣列組成，屬于可控大功率器件。這類器件由于功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛，因此，本設(shè)計(jì)也采用這類大功率器件。ULN2003采用了7路反相器電路，即當(dāng)輸入高電平時(shí)，ULN2003輸出端為低電平；當(dāng)輸入低電平時(shí)，ULN2003輸出端為相反電平即高電平，類似繼電器的吸合。

2.3系統(tǒng)總體電路

本設(shè)計(jì)采用了對(duì)單片機(jī)進(jìn)行外部中斷的方式，系統(tǒng)總電路原理圖如圖2所示，利用p3.0-p3.2口作為信號(hào)的輸入端，采用按鍵作為輸入設(shè)備；p0.0-p0.2口為顯示部分輸出端，采用LED指示燈來(lái)指示電機(jī)的狀態(tài)；p1.0-p1.6口為驅(qū)動(dòng)模塊控制信號(hào)端，輸出電機(jī)的控制指令及控制電機(jī)的狀態(tài)。

圖2　系統(tǒng)整體電路圖

3　結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是采用微控制器的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各狀態(tài)的控制，具有比傳統(tǒng)控制相應(yīng)速度快、控制簡(jiǎn)單可靠、精度高、電路簡(jiǎn)單、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中具有非常廣泛的應(yīng)用，也具有重要的研究意義。

參考文獻(xiàn)

[1]江世明,許建明,朱群峰,申壽云.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2013.

[2]張永瑞.電路分析基礎(chǔ)(第二版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[3]黃同成.程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程(C語(yǔ)言)[M].長(zhǎng)沙:湖南人民出版社,2011.

付藝豪（1994—），男，貴州貴陽(yáng)人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于邵陽(yáng)學(xué)院信息工程系電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。

許建明（1977—），男，湖南武岡人，碩士，副教授，主要從事電子技術(shù)研究。

通信作者：

作者簡(jiǎn)介：