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

鄭曉靜

（長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212）

1 引 言

步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)過程控制及儀表中的主要控制元件之一，是一個(gè)數(shù)字／角度轉(zhuǎn)換器，也是一個(gè)串行的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器。步進(jìn)電機(jī)具有的特點(diǎn)：（1）步進(jìn)電機(jī)角位移與控制脈沖間精確同步；（2）位置誤差不會(huì)積累；（3）可直接接受計(jì)算機(jī)來的數(shù)字信號；（4）具有快速啟停能力；（5）通常不需要反饋就能對速度和位置進(jìn)行控制；（6）精度高。

只要給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變得非常的簡單。如在繪圖機(jī)、打印機(jī)及光學(xué)儀器中，特別在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，使用開環(huán)控制模式，微型計(jì)算機(jī)可以很容易控制步進(jìn)電機(jī)的位置和速度，而不用位移傳感器，所以其應(yīng)用越來越廣泛。

2 步進(jìn)電機(jī)工作原理

以磁阻式三相步進(jìn)電機(jī)為例，如圖1所示。從圖中可以看出，電機(jī)的定子上有六個(gè)等間距的磁極，A、C′、B、A′、C、B′，相鄰的兩個(gè)磁極之間夾角為60°，相對的兩個(gè)磁極組成一相（A-A′，B-B′，C-C′），當(dāng)某一繞組有電流通過時(shí)，該繞組相應(yīng)的兩個(gè)磁極形成N極和S極，每個(gè)磁極上各有五個(gè)均勻分布矩形小齒，電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有40個(gè)矩形小齒均勻地分布在圓周上，相鄰兩個(gè)齒之間夾角為9°。

定子和轉(zhuǎn)子齒寬和齒距都相同，所以定子磁極對應(yīng)的轉(zhuǎn)子上的小齒數(shù)為6＋2／3個(gè)。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)，對應(yīng)的磁極就產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，如果這時(shí)定子的小齒和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子和定子的齒相互對齊。由此可見，錯(cuò)齒是促使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。

圖1 三相步進(jìn)電機(jī)工作原理

3 步進(jìn)電機(jī)工作方式

3.1 三相單三拍

式中，MC為繞組相數(shù)；ZR為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

3.2 三相雙三拍

這種控制方式下，步進(jìn)電機(jī)每次都是以兩相繞組導(dǎo)通電流，兩相繞組處在相同電壓之下，以ABBC-CA-AB的方式通電，或者反之，此工作方式稱為三相雙三拍。以這種方式通電，它的步距角計(jì)算公式與三相單三拍時(shí)的公式相同。

3.3 三相六拍

4 硬件接口系統(tǒng)

典型傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制接口如圖2，主要由步進(jìn)電機(jī)控制器和功率放大器組成。其中步進(jìn)控制器由緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正、反轉(zhuǎn)控制門等組成。它的作用是把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)形脈沖，以便控制步進(jìn)電機(jī)，并能進(jìn)行正、反向控制。功率放大器的作用是將控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。傳統(tǒng)步進(jìn)控制器線路復(fù)雜，成本高，而且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生變化或使用不同類型的步進(jìn)電機(jī)時(shí)，需重新設(shè)置硬件電路，系統(tǒng)使用起來不夠方便。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成

如圖3所示，此接口是采用軟件方式控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。主要區(qū)別在于用單片機(jī)代替了步進(jìn)控制器。

圖3 單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)接口電路

根據(jù)需要可通過軟件編程任意設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向、電機(jī)步數(shù)等運(yùn)行狀況。這樣可簡化電路，降低成本，并且提高系統(tǒng)可靠性。

5 步進(jìn)電機(jī)控制程序

如圖3所示的步進(jìn)電機(jī)的接口電路，想要有效地控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，其控制程序必須要有以下幾個(gè)功能：

（1）按順序傳送控制脈沖；

（2）判斷步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向；

（3）判斷控制步數(shù)是否傳送完畢。

5.1 脈沖控制

微機(jī)輸出一定周期的脈沖，是步進(jìn)電機(jī)軟件中需解決的一個(gè)重要問題。

脈沖形成方法是先輸出一個(gè)高電平，然后再利用軟件進(jìn)行延時(shí)，再輸出一個(gè)低電平，然后再延時(shí)。延時(shí)時(shí)間的長短可改變脈沖的周期，脈沖的周期由電機(jī)的工作速率來決定。

假設(shè)時(shí)間常數(shù)已放入40H單元中，改變40H單元的內(nèi)容就可改變延時(shí)的長短，并用P1.7輸出波形，步進(jìn)電機(jī)脈沖產(chǎn)生的程序如下：

P1.7輸出的周期性脈沖序列如圖4所示。

圖4 P1.7周期性脈沖序列

5.2 步進(jìn)電機(jī)方向控制

如圖3所示硬件電路圖，用P1.0、P1.1、P1.2分別接至步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相繞組，單片機(jī)按照上述控制脈沖序列的形式輸出，可產(chǎn)生相應(yīng)的控制效果。

三相六拍的工作方式如下：

正向旋轉(zhuǎn)數(shù)學(xué)模型見表1。

表1 三相六拍正向旋轉(zhuǎn)數(shù)學(xué)模型

5.3 程序設(shè)計(jì)控制

以三相六拍工作方式為例，步進(jìn)電機(jī)的程序設(shè)計(jì)控制方法是：

（1）FLAG用于判斷步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)方向轉(zhuǎn)入相應(yīng)的控制程序；

（2）正反向控制程序分別按控制脈沖順序的要求輸出相應(yīng)的控制模型，并判斷脈沖信號輸出完畢否。

三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制程序流程圖如圖5所示。

6 結(jié) 語

用單片機(jī)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的脈沖發(fā)生器和脈沖分配器，可以簡化控制電路，降低生產(chǎn)成本；通過軟件編程實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、速度、轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)等運(yùn)行狀態(tài)，還可以大大提高系統(tǒng)的可靠性及靈活性。

圖5 步進(jìn)電控制程序流程圖

［1］董少明.單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［2］王洪慶.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2005.

［3］潘新明.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社.2006.