基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究

郭昊坤

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，江蘇 江陰 214405）

0 引 言

步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機(jī)，憑借其定位精度高、使用方便、性?xún)r(jià)比高、容易控制等優(yōu)點(diǎn)，在辦公自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等領(lǐng)域中受到廣泛應(yīng)用[1,2]，故對(duì)其控制系統(tǒng)的研究頗為重要。

本文采用C52單片機(jī)[3,4]設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，并使用Protues繪制仿真圖，同時(shí)與編程軟件（Keil4）進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試仿真，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)使用便捷、有效。

1 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介

步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，根據(jù)電子電路的原理將直流電變?yōu)榉謺r(shí)供電、多相時(shí)序控制的電流，用分時(shí)電流為步進(jìn)電機(jī)供電，使步進(jìn)電機(jī)正常工作，而驅(qū)動(dòng)器就是一種能為其分時(shí)供電，多相時(shí)序的控制器[5,6]。

步進(jìn)電機(jī)在不超過(guò)負(fù)載的情況下，其轉(zhuǎn)速、停止的位置只由脈沖頻率以及脈沖數(shù)決定，而負(fù)載以外的變化對(duì)其無(wú)影響，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，便會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定好的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（“步距角”），其旋轉(zhuǎn)按設(shè)定方向一步步運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到精準(zhǔn)定位。同時(shí)也可通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制其速度與加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文以STC89C52單片機(jī)為核心處理器，將按鍵作為輸入模塊，以控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、步進(jìn)，并實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)選用28BYJ-48型四相八拍式步進(jìn)電機(jī)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

由于單片機(jī)直接輸出的脈沖信號(hào)不大，無(wú)法讓步進(jìn)電機(jī)正常工作，因此不能將其直接連接到步進(jìn)電機(jī)上，需要在它們之間加上一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于直流電流小于0.5 A的步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，可通過(guò)型號(hào)為ULN2003A的達(dá)林頓芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而使其正常工作。ULN2003A系列驅(qū)動(dòng)器的引腳與步進(jìn)電機(jī)連線(xiàn)示意圖如圖2所示。左邊1～7為輸入端，接單片機(jī)P2口的輸出端，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由P2口的P2.0至P2.3輸出，左側(cè)10～16為輸出端引腳，接步進(jìn)電機(jī)，引腳9接5 V電源，該驅(qū)動(dòng)器提供的電流最高為0.5 A。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路接線(xiàn)圖

鍵盤(pán)是由若干按鍵組成的按鍵矩陣，是一種最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過(guò)鍵盤(pán)輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)和指令來(lái)實(shí)現(xiàn)人對(duì)機(jī)器的控制，鍵盤(pán)電路如圖3所示。

圖3 鍵盤(pán)電路圖

本文采用外部中斷的方式。信號(hào)輸入部分為P3口，P1口為發(fā)光二極管顯示部分，P2口作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分，整體仿真電路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)整體仿真圖

3 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。系統(tǒng)上電復(fù)位，對(duì)參數(shù)進(jìn)行初始化，然后檢測(cè)串口是否發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)確定串口數(shù)據(jù)發(fā)送后程序便調(diào)用相應(yīng)的子程序；如果串口沒(méi)有發(fā)送數(shù)據(jù)則程序重新初始化。系統(tǒng)上電復(fù)位后，鍵盤(pán)初始化并復(fù)位，然后進(jìn)入按鍵查詢(xún)，等待操作。當(dāng)有按鍵按下后，系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)用相應(yīng)的子程序。按鍵程序流程如圖6所示，步進(jìn)電機(jī)工作流程如圖7所示。

圖5 主程序流程圖

圖7 步進(jìn)電機(jī)工作流程圖

圖6 按鍵程序流程圖

4 仿真調(diào)試

使用Protues繪制仿真圖，與編程軟件（Keil4）進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試仿真。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到連續(xù)不斷的脈沖信號(hào)時(shí)，則持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的繞組通電狀態(tài)每改變一次就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子也相應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。當(dāng)通電狀態(tài)結(jié)束一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。四相八拍方式的通電順序?yàn)椋篈相線(xiàn)圈最先通電；然后轉(zhuǎn)換變?yōu)锳，B兩相線(xiàn)圈同時(shí)通電；接著B(niǎo)相線(xiàn)圈通電；再之后B，C兩相線(xiàn)圈同時(shí)通電……（即按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…的順序進(jìn)行）。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)定子繞組按順序周期性通電時(shí)，轉(zhuǎn)子沿設(shè)定方向一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)工作波形如圖8所示。

圖8 步進(jìn)電機(jī)工作波形圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用C52單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，介紹了其總體方案、主控制模塊、驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤(pán)、晶振電路模塊等，并使用Protues繪制仿真圖，與編程軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試仿真，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)正確有效。

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