基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制

1、基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制 摘要：介紹了以AT89C51單片機(jī)為內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的單步進(jìn)給和連續(xù)進(jìn)給，利用延時(shí)程序送脈沖，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)。鍵盤設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)向、工作方式、步數(shù)，速度和步數(shù)都為步進(jìn)設(shè)置，給出了步進(jìn)電機(jī)的序列脈沖波形圖及電路圖，此系統(tǒng)中有多個(gè)速度和不同步數(shù)可選。該電路簡(jiǎn)單，其可靠性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，不易受干擾。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；控制；步進(jìn)電機(jī)；自動(dòng)進(jìn)給中圖分類號(hào)：TP368.1；TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004-0420(2009)06-0042-05Drive control of stepping motor based on SCMDAI Zi

2、-feng，WU Feng(Zhejiang People Electric Appliance, 325604)Abstract：This article introduces the AT89C51 microcontroller as the core, to achieve a single-step to the stepper motor and continuous feed, using time delay procedures to send pulses to achieve the operational features of stepper motors. Keyb

3、oard settings stepper motor speed, steering, working methods, steps, speed and step number are set for the step given stepper motor pulse sequence diagrams and schematics, this system has multiple speeds and are not synchronized the number of options. The circuit is simple, its reliability, stable o

4、peration, is not susceptible to interference. Key words：microcontroller; control; stepper motor; automatic feed數(shù)控技術(shù)是制造實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，集成化的基礎(chǔ)，是提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的物資手段。本設(shè)計(jì)是用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的單步進(jìn)給和連續(xù)進(jìn)給。1 設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)主要是步進(jìn)電機(jī)的控制電路。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，采用脈沖分配器和功率放大器使步進(jìn)電機(jī)工作。2 設(shè)計(jì)要求a.步進(jìn)電機(jī)能夠正反轉(zhuǎn)；b.步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給速度可調(diào)，并能進(jìn)行步進(jìn)控制；c.步進(jìn)電機(jī)的工作方式可調(diào)。3 方案的初步選定數(shù)控自

5、動(dòng)進(jìn)給的伺服系統(tǒng)采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服裝置。數(shù)控自動(dòng)進(jìn)給裝置的電子控制部分主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制(圖1)。圖1 設(shè)計(jì)方案框圖振蕩電路：產(chǎn)生具有一定頻率的連續(xù)脈沖信號(hào)；分頻電路：對(duì)振蕩電路產(chǎn)生的連續(xù)信號(hào)，經(jīng)分頻電路產(chǎn)生幾種不同頻率的脈沖信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)獲得不同轉(zhuǎn)速；脈沖分配器：將連續(xù)的脈沖信號(hào)按步進(jìn)電機(jī)的工作方式分配成步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電路：將脈沖分配器的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作；速度控制電路：使步進(jìn)電機(jī)獲得不同頻率的脈沖信號(hào)，從而獲得不同的速度；步進(jìn)電機(jī)的工作方式和正反轉(zhuǎn)控制電路：根據(jù)步進(jìn)電機(jī)不同的工作方式控制其正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1步進(jìn)電機(jī)4.1

6、.1步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)作為自動(dòng)控制領(lǐng)域中的主要控制元件之一，具有以下應(yīng)用特點(diǎn)：a.在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，它可以直接接受由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號(hào)；b.可方便地實(shí)現(xiàn)機(jī)械位移。例如，步進(jìn)電機(jī)配合絲杠和齒輪可把角度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€位移；c.控制靈敏度高。步進(jìn)電機(jī)具有快速起動(dòng)和快速停止的能力，能在瞬間實(shí)現(xiàn)起、停；d.速度變化時(shí)不失步。一般步進(jìn)電機(jī)的速率為2001 000步/秒，在速率變化時(shí)，不會(huì)失步；e.步距角變化大、精度高。在沒有齒輪減速的情況下，步距角范圍90°0.36°/步；f.能精確返回原位。無論變阻式步進(jìn)電機(jī)還是永磁式步進(jìn)電機(jī)，都能精確地返回電機(jī)的起始位置；g.控制脈沖與角

7、度位移能精確同步。在單片機(jī)控制應(yīng)用系統(tǒng)中，可以利用電機(jī)控制脈沖與它的角位移精確同步的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的控制；h.控制方便、可靠，精確定位。例如，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制中，步進(jìn)電機(jī)可方便的帶動(dòng)多圈電位器或旋轉(zhuǎn)變壓器，以調(diào)節(jié)電壓或電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。4.1.2步進(jìn)電機(jī)的類型及選擇現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。a.永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5°或15°；b.反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5°，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步

8、進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；c.混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8°而五相步進(jìn)角一般為0.72°。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。4.1.3步進(jìn)電機(jī)計(jì)算兩相步進(jìn)電機(jī):齒距角：Qz=2/ZZ-轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為50，則齒距角為Qz=2/50=7.2°；步距角-轉(zhuǎn)子走一步所轉(zhuǎn)過的角度；步距角：QnQz/N=2/NZN-步進(jìn)電機(jī)工作拍數(shù)；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速：n60×f/N×Z（轉(zhuǎn)/分）f-脈沖頻率（Hz）。4.1.4步進(jìn)電機(jī)的序列脈沖的波形圖步進(jìn)電機(jī)序

9、列脈沖的波形如圖2所示。圖2 步進(jìn)電機(jī)序列脈沖波形圖4.1.5兩相步進(jìn)電機(jī)的三種工作方式步進(jìn)電機(jī)有兩種工作方式：?jiǎn)闻?，通電順序?yàn)椋篈-B-雙拍，通電順序?yàn)椋篈B-B-A兩相八拍，通電順序?yàn)椋篈-AB-B-B-A如果按以上三種通電方式和通電順序向步進(jìn)電機(jī)輸入序列脈沖，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；如果通電方向與上面相反，則步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)（四相、五相、六相步進(jìn)電機(jī)的工作方式與三相電機(jī)相同）兩相步進(jìn)電機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài)：a.步進(jìn)電機(jī)為兩相單四拍運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳-B-時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)锳-B時(shí)為反轉(zhuǎn)；當(dāng)N=4，步距角QnQz/N2/NZ360°/4*5=18°，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所

10、需步進(jìn)數(shù)：360°/18°=20（步進(jìn)數(shù)）；b.步進(jìn)電機(jī)為兩相雙四拍運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)椋篈B-B-A時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)锳/-/-/B-BA時(shí)為反轉(zhuǎn)。當(dāng)N=4時(shí)，步距角：QnQz/N2/NZ360/4*518°，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需步進(jìn)數(shù)：360°/18°=20（步進(jìn)數(shù)）；c.步進(jìn)電機(jī)為兩相八拍運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)椋篈-AB-B-B-A時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)椋篈-A-B-B-BA時(shí)為反轉(zhuǎn)。當(dāng)N=8時(shí)，步距角QnQz/N2/NZ360/8*59°，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需步進(jìn)數(shù)：360°/9°40。4

11、.1.6兩相步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型單拍的步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如表1。表1單拍的步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型步序控制位工作狀態(tài)控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0111111110A0FEH211111011B0FBH3111011110EFH4101111110BFH（三相、四相、五相、六相步進(jìn)電機(jī)的工作方式與三相電機(jī)類似）4.2單片機(jī)最小系統(tǒng)4.2.189C51的特點(diǎn)最小單片機(jī)系統(tǒng)如圖3。兩相八拍的步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如表2表2兩相八拍的步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 步序控制位工作狀態(tài)控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0111111110A0FEH

12、211111010AB0FAH311111011B0FBH411101011B0EBH5111011110EFH6101011110AFH7101111110BFH810111110A0BEH（三相、四相、五相、六相步進(jìn)電機(jī)的工作方式與三相電機(jī)類似）&, nbsp; 圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)(EA 接高電平)89C51有4K快閃程序存儲(chǔ)器、128單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、64KROM、64KRAM、32條并行I/O口線、1個(gè)串行UART、五個(gè)中斷源、兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、工作頻率在024 MHz，該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于

13、將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。本系統(tǒng)采用了頻率為12 MHz的晶振，選用晶振的好處在于能使系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期只用1 s,這樣有利于系統(tǒng)時(shí)間的計(jì)算。采用了手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位的常用復(fù)位電路。4.2.2顯示電路采用最簡(jiǎn)單的數(shù)碼管顯示如圖4，顯示步數(shù)和速度即可。用P0或P2口分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)七段數(shù)碼管。因?yàn)閿?shù)碼管是在P0和P2口在低電平時(shí)才會(huì)有電流流過，因此它的驅(qū)動(dòng)電流：5/100=0.05 A。4.2.3鍵盤電路鍵盤電路如圖5圖4顯示電路圖 圖5鍵盤電路圖1號(hào)鍵接P3.0；2號(hào)鍵接P3.1；

14、3號(hào)鍵接P3.2；4號(hào)鍵接P3.3。設(shè)置的方法為：a.在主程序中，P3.0為步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)的按鍵；P3.1為步進(jìn)電機(jī)開始步進(jìn)的按鍵；P3.2為進(jìn)入中斷0的按鍵；P3.3為進(jìn)入中斷1的按鍵；b.在中斷0中，P3.0為設(shè)置工作方式：0-工作方式在單拍狀態(tài)下工作；1-工作方式在八拍狀態(tài)下工作。P3.1為設(shè)置速度增加的按鍵（都為步, 進(jìn)設(shè)置）：速度分為了18個(gè)段見表3。表3速度表格（轉(zhuǎn)/秒）工作狀態(tài)123456789單拍01251016雙拍00.512.558c.在中斷1中，P3.0為設(shè)置正反轉(zhuǎn)：0-正轉(zhuǎn)；1-反轉(zhuǎn)。P3.1為設(shè)置步數(shù)（都為步進(jìn)設(shè)置）：步數(shù)分別有1

15、、2、4、8、16、32、64、128單位分別為百步。4.2.4指示燈電路指示燈電路如圖6圖6 指示燈電路圖a.P1.1指示燈為運(yùn)行指示燈，在運(yùn)行時(shí)或單步進(jìn)給時(shí)，指示燈亮；b.P1.2指示燈為運(yùn)行方式指示燈，在兩相四拍運(yùn)行時(shí)燈不亮，在兩相八拍運(yùn)行時(shí)燈亮；c.INT0指示燈為中斷0鍵按下指示燈，當(dāng)有鍵按下時(shí)就亮，能確保按鍵有鍵按下；d.INT1指示燈為中斷1鍵按下指示燈，當(dāng)有鍵按下時(shí)就亮，能確保按鍵有鍵按下。4.2.5電源電路電源電路如圖7，電源電路用橋堆整流后通過2200 F濾波，7805穩(wěn)壓，0.1 F電容去耦，就得到了穩(wěn)定的DC 5 V電源。圖7電源電路圖 圖8接口電路圖4.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

16、電路4.3.1步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的接口電路步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的接口電路如圖8。4.3.2工作原理如圖8所示，單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)之間加了一個(gè)反向器。當(dāng)P1.0=0 P1.2=1時(shí)，L1相繞組通電。反之，當(dāng)P1.0輸出為1，P1.2輸出為1，L1相繞組不通電。同理，P1.4、P1.6亦然。4.3.3驅(qū)動(dòng)和抗干擾問題驅(qū)動(dòng)器選用了最簡(jiǎn)單的反向器，使系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔。大大減小了對(duì)元器件的干擾。軟件里對(duì)鍵盤的采樣使用了多次，使系統(tǒng)受干擾的可能性也降低了。5 系統(tǒng)軟件電路設(shè)計(jì)5.1步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：a.判斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度；b.按順序傳遞控制脈沖；c.判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完

17、畢；d.判斷工作方式；e.速度的設(shè)置；f.正反轉(zhuǎn)的設(shè)置；g.步數(shù)的設(shè)置；h.工作方式的設(shè)置?？傊?，步進(jìn)電機(jī)控制程序就是完成環(huán)行脈沖分配器的任務(wù)，以控制步進(jìn)電機(jī)按照預(yù)先的設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)。5.2步進(jìn)電機(jī)的程序設(shè)計(jì)思路步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)步進(jìn)電機(jī)程序進(jìn)行步進(jìn)還是正常運(yùn)行的判別，然后轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的控制程序階段，判斷工作方式，判斷正反轉(zhuǎn)，再轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序，給出脈沖。正反轉(zhuǎn)控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)分別按要求的控制順序輸出相應(yīng)的控制模型，加上脈沖寬度的延時(shí)程序即可。軟件延時(shí)方法：改變延時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度就可以改變輸出脈沖的寬度，但這種方法使CPU長(zhǎng)時(shí)間等待，無法進(jìn)行其它工作。5.3控制程序流程圖（圖9圖12）圖9主程序

18、框圖 圖10運(yùn)行程序框圖圖11中斷0設(shè)置框圖圖 12中斷1設(shè)置框圖6系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)的硬件電路較為簡(jiǎn)單，稍做調(diào)試就可完成。系統(tǒng)的軟件調(diào)試當(dāng)中，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給脈沖時(shí)間間隔采用了延時(shí)進(jìn)給（因?yàn)楸鞠到y(tǒng)無需其他動(dòng)作）。在延時(shí)進(jìn)給脈沖時(shí)，系統(tǒng)不能以步進(jìn)方式給出進(jìn)給脈沖（比如說每按一次鍵是系統(tǒng)多延時(shí)5 s）。因單片機(jī)在處理帶標(biāo)點(diǎn)符號(hào)的數(shù)時(shí)比較麻煩，所以采用了不規(guī)則的方式步進(jìn)設(shè)置。7 問題及改進(jìn)措施7.1硬件問題及改進(jìn)措施 選用的步進(jìn)電機(jī)為兩相永磁式步進(jìn)電機(jī)，步距角較大。要求步距角小時(shí)無法實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)有較小響聲和振動(dòng)，只需改變脈沖的輸出頻率即可。本系統(tǒng)鍵盤設(shè)置較小，使系統(tǒng)設(shè)置速度，步數(shù)時(shí)有局限性，只要擴(kuò)展為4*4鍵盤即可。顯示也只顯示主要兩位數(shù)值，如換用液晶顯示器就可以帶單位顯示。7.2軟件問題及改進(jìn)措施軟件中正反轉(zhuǎn)判斷和工作方式判斷在脈沖給出4步（或8步）后進(jìn)行再次判斷，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)有小誤差。只要每給出一步脈沖就進(jìn)行判斷則可以改變這一誤差。系統(tǒng)延時(shí)采用了軟件延時(shí)方法，使系統(tǒng)大部分時(shí)間在運(yùn)行延時(shí)程序。如采用定時(shí)延時(shí)方法，則不占用單片機(jī)時(shí)間。8結(jié)束語近年來，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，還應(yīng)將具體硬件結(jié)構(gòu)與針對(duì)具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件有機(jī)結(jié)合，才算應(yīng)用成功。參考文獻(xiàn)：1張志良.單片機(jī)原理與控制技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版