多控制模式步進電機控制系統設計與仿真

莊煥偉，戚宇恒

(廣東技術師范學院工業中心，廣州 510665)

1 引言

步進電機具有控制簡單、無累積誤差等優點，廣泛應用于數控機床、機器人、自動化儀表等領域。對步進電機控制系統的研究開發也取得了大量成果，主要有基于微控制器，如單片機［1］、DSP［2］、ARM［3］、CPLD［4］以及基于PLC［5－7］的兩大類步進電機控制系統。這些控制系統，一個明顯的特點就是對電機轉速或對電機轉動量的單一控制。在實際應用中，往往希望步進電機控制系統，能像伺服驅動器一樣，有多種控制模式，能對步進電機進行不同模式控制。基于簡單、價廉、通用性考慮，設計開發了一種基于AT89C51 單片機的步進電機控制系統，該系統具有速度和位置兩種控制模式，可自由切換，實現一個控制系統，滿足對步進電機轉速或轉動量的控制。

2 系統總體方案設計

本控制系統以兩相步進電機為控制對象，以單片機為控制核心。系統工作時，AT89C51 單片機實時檢測外圍按鍵狀態，當系統設定為速度控制模式時，可通過按鍵選定不同的段速和方向，按下啟動按鍵，步進電機以選擇的速度和方向運轉直至松開啟動按鍵。當系統設定為位置控制模式時，可通過按鍵指定電機的運轉量和方向，按下啟動按鍵時，步進電機朝指定的方向以特定的轉速運轉，當運轉量到達時，電機停止。為簡化系統，步進電機的驅動脈沖由AT89C51 單片機產生，此外，加入液晶顯示屏，實時顯示當前的控制模式和電機運行狀態，使系統有友好的人機界面。

系統主要由四大模塊組成:控制模塊、按鍵輸入模塊、液晶顯示模塊和電機驅動模塊，其結構原理圖如圖1 所示

圖1 結構原理圖

3 硬件電路設計

依該系統的功能要求和下階段仿真需要，使用Proteus 軟件進行系統電路設計，設計的電路原理圖如圖2 所示。因系統按鍵不多，按鍵輸入模塊采用獨立鍵盤形式，液晶顯示模塊選用1602 液晶，電機驅動模塊選用專門的電機驅動芯片L298N。

3.1 按鍵輸入模塊

輸入模塊由五個獨立按鍵組成，命名為UP、DOWN、MODE、DIR 和START，分別代表參數增、參數減、模式選擇、方向選擇和啟動信號。因模式和方向都只有兩種狀態，且考慮到人們的實際操作習慣，采用開關按鍵。

3.2 電機驅動模塊

系統采用的電機驅動芯片L298N是高電壓、大電流雙全橋驅動芯片，它主要把從單片機發出的驅動脈沖進行電流放大，然后驅動步進電機。電路連接上，把它的ENA、ENB 引腳連接電源正端，使步進電機的運行方向僅取決于單片機輸出驅動脈沖的順序。

圖2 系統的電路原理圖

4 軟件設計

系統軟件程序主要完成按鍵檢測、液晶顯示、驅動脈沖輸出。為節省單片機CPU 資源，保證系統的實時性，軟件程序包括主程序和中斷程序。主程序主要完成系統初始化、按鍵檢測、位置模式的驅動脈沖輸出等功能，而中斷程序主要完成液晶顯示及速度模式的驅動脈沖輸出。主程序和中斷程序流程圖如圖3 和圖4 所示。

4.1 模式方向檢測函數

系統有兩種模式狀態、兩個運動方向，有四種組合情況。在程序設計上，可設定一個參數，不同組合情況，賦予參數不同的數值，下一步的程序處理，依獲得的參數數值決定。模式方向檢測函數具體程序如下:

圖3 主程序流程圖

圖4 定時器中斷程序流程圖

4.2 速度模式下不同段速實現

改變步進電機的速度，只需改變控制它的驅動脈沖頻率，而改變頻率，即改變相應驅動數組的調用時間。系統采用單片機定時器中斷來實現不同的調用時間。單片機定時器0 作一個固定時間的定時中斷，每次定時中斷，參數i 加1，當參數值等于電機指定速度對應頻率參數值時，輸出驅動編碼。

如定時器0 中斷時間為0.5ms，步進電機步距角為1.8°，為使電機轉速為120r/min;則由120r/min 得到電機每轉的時間為0.5s，于是電機每步周期為0.5s/(360°/1.8°)=2.5ms，故頻率參數值為2.5ms/0.5ms=5;定時器0 中斷實現電機的不同段速程序如下:

5 仿真測試

在完成系統的硬件設計和軟件設計的基礎上，利用Proteus 軟件的仿真功能，對系統進行仿真測驗和調試。具體的仿真過程是:在Proteus 中，雙擊單片機AT89C51，打開其屬性編輯框，在“Program File”欄中選擇在Keil 軟件中調試編譯成功所生成的目標代碼hex 文件，并將單片機時鐘頻率改為12MHz，再在Proteus 中點擊開始仿真按鈕，啟動仿真。仿真過程中，用鼠標單擊電路圖中的按鍵，電機依程序運轉起來，液晶屏實時顯示當前電機運行模式及運行情況。系統處于速度模式和位置模式時液晶屏顯示情況分別如圖5 和圖6 所示，速度模式顯示的數值表示當前電機轉速，位置模式顯示的第一個數值表示指定電機的運轉量，第二個數值表示電機已經運轉的圈數，“+”“－”符號表示電機運轉方向正轉或反轉。

圖5 速度模式液晶顯示界面

圖6 位置模式液晶顯示界面

6 結束語

設計開發的步進電機控制系統，可實現對步進電機不同模式的控制。利用Proteus 軟件對系統進行了仿真，并取得仿真實驗成功。該系統結構簡單，操作方便，成本低，且系統的按鍵輸入模塊可用傳感器等檢測輸入模塊代替，可擴展性強，有很大的實際應用價值

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［6］王紅梅，方貴盛.基于PLC 與步進電機的氣動搬運機械手控制［J］.液壓與氣動，2009，(11):25－27.

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