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

1、基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【大比特導(dǎo)讀】單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有成本低、使用靈活的特 點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人，定量進(jìn)給、工業(yè)自動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)域單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有成本低、使用靈活的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、 機(jī)器人，定量進(jìn)給、工業(yè)自動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。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)， 將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響,非超載狀態(tài)下F據(jù)上述線性關(guān)系，再加上防i 電機(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。步進(jìn)電機(jī)通過輸入脈

2、沖信號進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路是根據(jù)單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號進(jìn)行工作。因此，單片機(jī)通過向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)送控制信號就能實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。|1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、鍵盤LED驅(qū)動/放大和PC上位機(jī)等4個模塊組成，其中PC機(jī)模塊是軟件控制部分，該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能：1）通過鍵盤啟動/暫停步進(jìn)電機(jī)、 設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向；2）通過LED管顯示步進(jìn)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等工作狀態(tài);3）實(shí)現(xiàn)三相或四相步進(jìn)電機(jī)的控制：4）通過PC上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制 （啟停、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等）。為保護(hù)單片機(jī)控制系統(tǒng)

3、硬件電路，在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間增加過流保護(hù)電 路。圖l為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖。MSP430TG461R單片機(jī)PMM&713 PMM2WI尊斗電路功匕放七¥1 1步進(jìn)電機(jī)擰制系統(tǒng)框圖2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)2.1 單片機(jī)模塊單片機(jī)模塊主要由 MSP430FG46181片機(jī)及外圍濾波、電源管理和晶振等電路組成。MSP430FG46181片機(jī)內(nèi)部的 8 KB RAM和116 KB Flash滿足控制系統(tǒng)的存儲要求，P1和P2端口在步進(jìn)電機(jī)工作過程中根據(jù)按鍵狀態(tài)判斷是否跳入中斷服務(wù)程序來改變步進(jìn)電機(jī)的衛(wèi)|作狀態(tài)，USART莫塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和 PC上位機(jī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對步進(jìn)電機(jī)控制。

4、電源管理電路提供穩(wěn)定的 3.3 V和5 V電壓，分別給單片機(jī)、晶振電路和驅(qū)動和功率放大電路供 電。32 kHz晶振給單片機(jī)、鍵盤/顯示接口器件8279和脈沖分配器PMM871提供日鐘；當(dāng)采 用USART莫塊時需開啟8MHz晶振設(shè)置通信模塊。圖 2為單片機(jī)模塊結(jié)構(gòu)框圖。32kH 7 晶提北放路 2率電 驅(qū)功大MSP430GF4618單片機(jī)涯波電路圖2單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖2.2 鍵盤/LED模塊為實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)擴(kuò)展了 3x4按鈕矩陣鍵盤和4片8段LED數(shù)碼管，可手動 直接操作該控制系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，通過鍵盤輸入步進(jìn)電機(jī)的啟停、步數(shù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等，由LED管動態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。鍵

5、盤的輸入和LED管的輸出由8279進(jìn)行控制，減少單片機(jī)工作負(fù)擔(dān)。8279編程工作在鍵盤掃描輸入方式，讀入鍵盤時具有去抖動功能，避 免誤觸發(fā)。圖3為鍵盤LED模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。圖3鍵點(diǎn)LEI）模塊框圖2.3驅(qū)動/放大模塊控制系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)控制用的脈沖分配器（又稱邏輯轉(zhuǎn)換器）PMM8713該器彳是CMOS集成電路，相輸出驅(qū)動能力（源電流或吸入電源）為20 mA適用于控制三相或四相步進(jìn)電機(jī)， 可選擇下列6種激勵方式：三相步進(jìn)電進(jìn)：1相，2相，1-2相；四相步進(jìn)電進(jìn)：1相，2相，1-2相。輸入方式可選擇單時鐘 （加方向信號）和雙時鐘（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時鐘）兩種方式，具有正 反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)位、原點(diǎn)監(jiān)視、

6、激勵方式監(jiān)視和輸入脈沖監(jiān)視等功能。器件PMM8713由時鐘選通、激勵方式控制、激勵方式判斷和可逆環(huán)形計(jì)數(shù)器等部分構(gòu)成，所有輸入端內(nèi)都設(shè)有施密特電路，可提高抗干擾能力。PMM8713俞出需接功率驅(qū)動電路，選用功率驅(qū)動器PMM2101最大輸出電流為 1.4 A ,滿足驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的要求。驅(qū)動/放大電路如圖4所示。MSP43彈片機(jī)通過調(diào)節(jié) PMM8713勺端口 14輸入脈沖信號控制步進(jìn)電機(jī)的啟停、速度和轉(zhuǎn)向等。|3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)程序利用單片機(jī)的定時器 TIMER_A(TA)中斷產(chǎn)生脈沖信號，通過在響應(yīng)的中斷程序中實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步數(shù)和圈數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，通過PWM；現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制；利用P1.0端口的中

7、斷關(guān)閉TA中斷程序，并推入堆棧，停止電機(jī)；P1.1中斷則開啟TA中斷，堆棧推入程序計(jì)數(shù)器(PC),開啟電機(jī);P3.1端口輸出高電平由 PMM8713勺U/D端口控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向；P3.0P3.7端口接8279的8個數(shù)據(jù)接口，當(dāng)單片機(jī)掃描到矩陣鍵盤有鍵按下時，利用P2端口的中斷設(shè)置TA,控制啟停、調(diào)速和轉(zhuǎn)向等，同時單片機(jī)反饋給 8279控制LED管顯示轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。其程序流程如圖5所示。W4空前/信k電埼索MJ?，*，？劣£區(qū)*r-ji ”上r|_T pHCWW) » 顯示1 .初始化I 數(shù)字鍵處理一一方向俄處理圖5單片機(jī)程序流程於匕3.2 PC上位機(jī)模塊PC上位機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)PC機(jī)

8、對步進(jìn)電機(jī)的控制。利用MSP430II片機(jī)的USART莫塊實(shí)現(xiàn)與PC上位機(jī)的通信，PC機(jī)通過串口向單片機(jī)發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。單片機(jī)所接收到 控制命令暫存在 RXBUFFERh,然后與存儲在片內(nèi) Flash的中斷程序的入口地址相比較，相 同就進(jìn)入中斷，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。操作該模塊時需要開啟8 MHz晶振為USART莫塊設(shè)置波特率（設(shè)置波特率為9 600）。控制軟件由VB6.0編寫，利用 MSCom腔件實(shí)現(xiàn)串行通訊功 能。其控制軟件界面如圖6所示。圖6控制軟件界面4系統(tǒng)檢測為檢驗(yàn)該控制系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，在給定PMM210輸出工作電流的狀態(tài)下采用能量轉(zhuǎn)化法測得步進(jìn)電機(jī)輸出的最大靜車t矩。選取輸出電流間隔0.2 A,測到步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩與電流之間關(guān)系的靜特性曲線，如圖7所示，說明該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較合理。5結(jié)論該系統(tǒng)通過 MSP43印片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，可靠性高，在電機(jī)運(yùn)行時能夠方便設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的啟/停、轉(zhuǎn)速和方向，提高步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)精度；能夠控制三相或四相步進(jìn)電j書俵不武一 口”飛