基于單片機的步進電機控制系統研制

曹紅艷

阿城繼電器股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150302

傳統的步進電機控制方法是由觸發器產生控制脈沖來進行控制的，難于實現人機交互，，而且傳統的觸發器構成的控制系統，控制電路復雜、控制精度低、生產成本高等。以微電子芯片為控制核心，以電力電子功率變換器為執行機構，在自動控制理論的框架下組成的控制系統，能通過控制電機轉速或轉矩進而控制生產機械或運動部件按照人們所希望的規律運動。克服了傳統控制器的缺點，滿足工業生產新的控制要求。如今各領域步進電機無處不在，應用領域涉及機器人，工業電子自動化設備、醫療器械、廣告器材、計算機外部應用設備等。高精度，實時監控的步進電機控制系統具有重要意義和實用價值。

1 系統原理

步進電機控制系統主要由AT89S51單片機及單片機工作外圍電路和放大電路組成。采用8155作為AT89S51單片機的擴展I/O口來連接鍵盤和LED顯示器。單片機的P1.0、P1.1、P1.2分別連到步進電機的A、B、C三相繞組，單片機的控制信號經信號放大驅動電路輸出到步進電機繞組就可以驅動步進電機運轉。系統在LED顯示器的提示下，由鍵盤設置步進電機運行的轉速和步數；由各個功能鍵控制系統的運行，按啟動鍵后，步進電機按照輸入的參數運行。

2 系統的硬件構成

2.1 步進電機的驅動電路設計

系統的輸出通道也就是控制步進電機的通道，由于AT89S51的P1口作為輸出通道的控制端口，采用三相六拍的步進電機進行并行控制需要單片機P1口中的三位P1.0、P1.1、P1.2，分別接三相步進電機的A、B、C三相。步進電機的脈沖分配由單片機通過軟件控制構成環行分配器，功率放大器選用單電壓功率放大電路。當單片機I/O口輸出為1時，經反相器74LS14后變成低電平，發光二極管不發光，光敏三極管截止，從而使三極管截止，電機繞組不通電，反之單片機I/O口輸出為0時，經反相器后變成高電平，三極管導通，電機繞組通電。循環使三個繞組通電就可以驅動電機，只要按照一定的順序改變三位I/O口的通電的順序就可以控制步進電機按照一定的方向轉動。單片機與電機驅動電路之間加入光電隔離，使驅動步進電機的電壓和單片機控制系統的電壓之間不會互相影響，具有更好的抗干擾能力，而且更好保護單片機。電阻起限流作用。續流二極管使電機繞組產生的反電動勢通過續流二極管而衰減掉，從而保護了步進電機，也保護了功率管不受損壞。外接電阻上并聯一個200μF電容，可以改善注入步進電機繞組的電流脈沖前沿，提高了步進電機的高頻性能。與續流二極管串聯的200Ω電阻可減少回路的放電時間常數，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時間變小，也起到提高高頻工作性能的作用。

2.2 鍵盤電路設計

鍵盤分為參數設定、正/反轉和啟動、停止等功能操作。在開始運行之前要求輸入步進電機勻速的運行速度和運行的總步數，所以要進行按鍵輸入數值以傳入參數。為了實現系統的啟動、停止和正、反轉，要設置相應的按鍵和開關進行功能鍵處理。

2.3 顯示電路設計

采用發光二極管 LED作為顯示器件，通過單片機I/O擴展芯片8155來點亮LED數碼管的。點亮LED數碼管之前，需將數字碼轉換為筆劃信息。系統選用動態顯示方式。8155A的PB0～PB7作為段選碼口，經驅動器與LED的段相連。8155的PA4～PA7和PC4作為位選碼口，經驅動器與LED的位相連。在掃描過程中，在某一瞬間，只讓某一位的字位線處于選通狀態，其它各位的字位線處于斷開狀態。同時，字段線上輸出相應位要顯示字符的段選碼。這樣在每一瞬時，5位LED中只有選通的那一位LED顯示出字符，而其它4位則是熄滅的。同樣，在下一瞬時，只顯示下一位LED。如此繼續，等5位LED都依次顯示完畢后，循環進行。

3 系統的軟件設計

系統的軟件設計包括：主程序、中斷子程序、鍵盤子程序、顯示子程序、報警子程序、步進電機控制子程度。在系統上電后，首先對系統進行初始化，然后掃描鍵盤，使最低位LED顯示器顯示“0”，以提示輸入數據。如果按下輸入參數鍵，可以輸入參數，則顯示該輸入的數值并對連續的輸入的數值進行處理，直到輸入“確認”鍵確認后表明參數值設定完畢，在內存中保存該參數，進行其它的處理。通過鍵盤可以進行正、反轉的設置，如按下一次正/反轉鍵，則變量值改變一次，即每按下一次正/反轉鍵，系統的設置在正、反轉之間進行轉換，相應的在顯示器上顯示設置的是正轉還是反轉。用戶可以通過鍵盤查詢參數的值，在待機狀態下連續按兩次參數鍵，則在LED顯示器上顯示出輸入的參數值，以供用戶查詢輸入的參數正確與否。

4 結論

基于單片機的步進電機控制系統實現了鍵盤進行輸入運行參數、啟動、停止等操作。顯示器能夠顯示輸入數據及運行狀態。通過鍵盤的輸入，控制電機帶動負載進行預定的工作，實現對角位移或線位移的控制。系統采用單片機等能完成專門功能的控制器和控制電路，使得單片機對電機的控制更易實現，性能價格比更高。步進電機采用升降速控制，避免了以要求的速度直接啟動時因該速度已超過極限啟動頻率不能正常啟動，并且可能發生丟步或根本不運行以及停止時發生偏移的情況。本設計的步進電機單片機控制系統實現了步進電機速度控制，大大改善了步進電機的運行的平穩性，減小了驅動器的體積，增強了抗干擾性能，從而拓展了步進電機系統的應用范圍，可以滿足更多場合的需要。

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