基于單片機控制的步進電機

廣州華商職業學院 吳文英

1.引言

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。單片機實現的步進電機控制系統具有成本低、使用靈活的特點，廣泛應用于數控機床、機器人、工業自動控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等應用領域。

2.基本原理

2.1 步進電機工作原理

步進電機按相數分可分為：單相，雙相和多相三種。以下用三相單拍步進電機為例分析步進電機的工作原理：

設A相通電(B、C兩相不通電)，產生A－A’軸線方向的磁通，并通過轉子形成閉合回路。這時A、A’極就成為電磁鐵的N、S極。在磁場的作用下，轉子總是力圖轉到磁阻最小的位置，也就是要轉到轉子的齒對齊A，A’極的位置(圖a)；接著B相通電(A、C兩相不通電)，轉子便逆時針方向轉過30度，齒對齊B，B’極的位置(圖b)；C相通電，轉子的齒和C、C’極對齊(圖c)。

圖1 三相單拍工作原理圖

2.2 步進電機的驅動方式

(1)單4拍勵磁方式

本系統采用四相步進電機。單四拍勵磁方式即所采用的勵磁方式是按照A、B、C、D、A的順序交替進行線圈的勵磁，每拍只有一個繞組通電。

A B C D T1 1 0 0 0 T2 0 1 0 0 T3 0 0 1 0 T4 0 0 0 1

(2)雙4拍勵磁方式

即所采用的勵磁方式是按照AB、BC、CD、DA、AB的順序交替進行線圈的勵磁，每拍有兩個繞組通電。

A B C D T1 1 1 0 0 T2 0 1 1 0 T3 0 0 1 1 T4 1 0 0 1

(3)8拍勵磁方式

即所采用的勵磁方式是按照A、AB、B、BC、C、CD、D、DA的順序交替進行線圈的勵磁。

A B C D T1 1 0 0 0 T2 1 1 0 0 T3 0 1 0 0 T4 0 1 1 0 T5 0 0 1 0 T6 0 0 1 1 T7 0 0 0 1 T8 1 0 0 1

3.本系統各部分硬件電路

3.1 單片機模塊

如圖2所示，用51單片機作為主控制模塊，實現對LCD的顯示控制；

對步進電機勵磁方式的選擇以及旋轉圈數的控制。按鈕作為輸入控制信號，LED燈作為工作狀態顯示信號。單片機的18、19腳采用內部時鐘連接方式，為單片機提供12MHz的時鐘脈沖。單片機的9腳接復位電路，通過按鈕開關隨時能對單片機產生復位信號。

圖2 單片機模塊原理圖

3.2 LCD顯示模塊

如圖3所示，P0口和LCD的數據口相連，作為輸出地I/O口。排阻RP1作為上拉電阻。

P2.0～P2.3分別和LCD的位選擇端口相連。本系統采用的LCD是7SEG-MPX4-CC-BLUE共陰數碼管。當位選擇端低電平的時候有效，相應的位被選擇顯示。

數碼管的左邊第一位用于顯示勵磁方式；當顯示0時，表示8拍勵磁方式；當顯示1時，表示單4拍勵磁方式；當顯示2時，表示雙4拍勵磁方式。數碼管右邊兩位用于顯示步進電機轉動圈數。

3.3 步進電機模塊

圖4中的ULN2003A是高耐壓、大電流、內部由七個硅NPN達林頓管組成的驅動芯片，用來驅動步進電機。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達林頓管組成驅動電路。ULN是集成達林頓管IC,內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE約1V左右，耐壓BVCEO約為36V。用戶輸出口的外接負載可根據以上參數估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅動繼電器或固體繼電器，也可直接驅動低壓燈泡。通常單片機驅動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應該懸空或接電源。B1～B4分別控制步進電機的四個相A、B、C、D。

圖3 LCD模塊圖

3.4 指示燈顯示模塊

如圖5所示，P2.5～P2.7分別和黃、綠、紅三盞燈相連，黃燈指示反轉，綠燈指示正轉，紅燈指示停止。

圖4 步進電機原理圖

圖5 LED指示燈

圖6 按鈕開關

3.5 按鈕控制模塊

如圖6所示，按鈕zz控制步進電機正轉；按鈕fz控制步進電機反轉；按鈕stop控制工作中的步進電機暫停；按鈕tx在暫停狀態用于控制步進電機的勵磁方式；按鈕++在暫停狀態用于增加步進電機轉動的圈數；按鈕--在暫停狀態用于減少步進電機轉動的圈數。

4.實驗結果

圖7 仿真結果

[1]彭偉.單片機C語言程序設計實訓100例[M].北京:電子工業出版社,2010,1.

[2]趙建領,薛園園.51單片機開發與應用技術詳解(珍藏版)[M].北京:電子工業出版社,2009,1.

[3]坂本正文,王自強.步進電機應用技術[M].北京:科學出版社,2010,5.