基于89C51單片機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)在工業(yè)控制方面得到了極其廣泛的應(yīng)用。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成的控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，能滿足工業(yè)控制的基本性能需求和大規(guī)模商用要求，因此在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛而深入的應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，實(shí)際上是一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，也即是一個(gè)數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。步進(jìn)電機(jī)的角位移與控制脈沖間實(shí)現(xiàn)精確同步，若將步進(jìn)電機(jī)的角位移的改變轉(zhuǎn)換為線位移、位置、體積、流量等物理量的變化，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，能將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，在非超載狀態(tài)下，根據(jù)上述線性關(guān)系，再加上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只有周期性誤差而無累積誤差，因此步進(jìn)電機(jī)適用于單片機(jī)控制。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有快速啟停，可直接接收計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)以及精度高等顯著特點(diǎn)，因此，步進(jìn)電機(jī)現(xiàn)已成為工業(yè)過程控制中的重要控制元件之一。

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

1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其相位數(shù)不同，可以分為二相、三相、四相、五相和六相。本文以三相為例來說明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。電動(dòng)機(jī)的定子上有6個(gè)等分的磁極，A——A’、B——B’、C——C’，相對(duì)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(zhuǎn)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(dāng)電流通過某一繞組時(shí)，該繞組對(duì)應(yīng)的兩個(gè)磁極即可形成N——S極，并產(chǎn)生磁場(chǎng)，寫轉(zhuǎn)子形成磁路。若定子的小齒輪此時(shí)與轉(zhuǎn)子的小齒輪沒有對(duì)齊，則在該磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子就會(huì)進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子的小齒輪與定子的小齒輪進(jìn)行對(duì)齊，選擇的角度即為步距角。

在單三拍控制方式下，當(dāng)A相通電，B、C相斷電時(shí)，在磁場(chǎng)作用下，使轉(zhuǎn)子小齒輪與A相的定子小齒輪對(duì)齊。若假定與A相中心對(duì)齊的為0號(hào)齒輪，A相所在角度為00。由于三相磁極相差1200，此時(shí)轉(zhuǎn)子13號(hào)齒輪與B相的中心相差角度為1 200-90*13=30，轉(zhuǎn)子27號(hào)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(zhuǎn)子小齒輪與B相定子齒輪對(duì)齊，轉(zhuǎn)子需順時(shí)針旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子小齒輪與C相定子齒輪對(duì)齊，轉(zhuǎn)子需逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30。若通電順序?yàn)椋篈——B——C——A，轉(zhuǎn)子則順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，若通電順序?yàn)椋篈——C——B——A，轉(zhuǎn)子則逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、PC上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、4*4鍵盤和LED顯示等模塊組成，下圖1為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)是總體結(jié)構(gòu)圖。單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)并將脈沖信號(hào)傳送給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完成對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步數(shù)和圈數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。PC上位機(jī)模塊是系統(tǒng)的核心，通過串口向單片機(jī)發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制，并實(shí)時(shí)顯示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。4*4鍵盤模塊實(shí)現(xiàn)指令輸入，LED顯示模塊可顯示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等運(yùn)行狀態(tài)。為保護(hù)單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路，在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間增加過驅(qū)動(dòng)電路。

由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流比較大，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)較大驅(qū)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(jī)的正常工作。因而單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)之間的驅(qū)動(dòng)電路就顯得尤為重要。本系統(tǒng)采用74LS04非門與有光電隔離的4N29達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路，這樣不僅避免了在驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障，造成高電壓、大電流進(jìn)入單片機(jī)而燒毀器件。同時(shí)割斷了驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)控制電路之間的電氣連接。另外步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)分別由S1，S2控制。硬件接線圖如圖2所示。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)程序判斷步進(jìn)電機(jī)是否啟動(dòng);若啟動(dòng)則進(jìn)一步判斷其旋轉(zhuǎn)方向;然后按照既定的旋轉(zhuǎn)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(shù)減1，并判斷步數(shù)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(lì)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(jī)通電順序?yàn)锳——B——C——A相。反之若以次給P1口送0X03H，0X05H，0X06H，則步進(jìn)電機(jī)通電順序?yàn)镃——B——A——C相。從而用軟件實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)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(zhǎng)短來控制。

軟件設(shè)計(jì)流程框圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過89C51單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，操作方便、可靠性高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(tǒng)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(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精度及速度控制。由PC上位機(jī)程序可以完全控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行方式，使系統(tǒng)能夠應(yīng)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(tǒng)在數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行試用，實(shí)用價(jià)值較高，因此本系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。