一種基于STC單片機(jī)和絕對式編碼器的步進(jìn)電機(jī)控制方法

安志勇， 楊 帆， 曹 秒， 曹文曉， 楊子斌

0 引 言

在自動化控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是一種常用裝置，尤其是在機(jī)械制造、精密測量等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研發(fā)中十分常用，其特點(diǎn)是易于操作、成本低廉、性能穩(wěn)定，并且能夠根據(jù)實(shí)際需要自由擴(kuò)展外部設(shè)備等特點(diǎn)［1］。在以往的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用中，人們大多采用通過大量的軟件編程來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制，而文中側(cè)重于電路系統(tǒng)中硬件的應(yīng)用，通過絕對式編碼器、CD4096UBE芯片、HD74HC244P芯片等，使得步進(jìn)電機(jī)的控制精度得到大幅提高，程序編寫得到簡化。

1 主要工作器件的原理及選用

1.1 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器

隨著硬件設(shè)施的不斷完善，在實(shí)際應(yīng)用中人們只需要對步進(jìn)驅(qū)動器進(jìn)行操作就可以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的控制。步進(jìn)驅(qū)動器每接收到一個脈沖信號時，步進(jìn)電機(jī)就會按預(yù)先設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，角度大小可由驅(qū)動器細(xì)分來調(diào)節(jié)［2］。步進(jìn)電機(jī)的控制角位移量可以通過發(fā)送脈沖的數(shù)量控制，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；電機(jī)轉(zhuǎn)速既可通過發(fā)送脈沖的頻率來控制，又可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動器的細(xì)分模塊來實(shí)現(xiàn)。

1.2 STC單片機(jī)

STC89C52RC單片機(jī)是一種單機(jī)器周期時鐘的數(shù)字集成芯片，擁有40個引腳，32個輸入、輸出端口，8K字節(jié)的Flash，以及512字節(jié)的RAM［3］。其全雙工串行口，運(yùn)算快、功耗低、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，不僅保證了數(shù)據(jù)信號的有效傳輸，又可以隨時根據(jù)需要擴(kuò)展外設(shè)。它在傳統(tǒng)的89C51單片機(jī)的基礎(chǔ)上，將原來的2K可編程存儲空間提升至4K，應(yīng)用上更加方便。其最高運(yùn)作頻率可達(dá)35MHz，在實(shí)際運(yùn)用電路的應(yīng)用中可選擇合適的晶振頻率來確保單片機(jī)的運(yùn)算速度。

1.3 絕對式編碼器

光電式編碼器是一種采用光電技術(shù)進(jìn)行非接觸測量的儀器，可精密測量角度和位移，廣泛應(yīng)用于精密儀器，測量控制和國防建設(shè)領(lǐng)域［4］。當(dāng)前光電編碼器按測量方式主要分為增量式和絕對式。相對于增量式而言，絕對式編碼器的每個角度位置都對應(yīng)其特定碼值［5］，而在本設(shè)計中，系統(tǒng)控制的轉(zhuǎn)角范圍不大，且每一位置需要實(shí)時監(jiān)測，所以絕對式編碼器較為合適，為防止編碼器的信號發(fā)生跳變，選用格雷碼碼盤。

1.4 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由STC89C52RC單片機(jī)、鍵盤、驅(qū)動器、絕對式編碼器、控制電路5個模塊組成，其中，STC89C52RC單片機(jī)用于CPU控制。單片機(jī)通過相應(yīng)的I／O接口，將控制指令發(fā)送至驅(qū)動電路，可以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)將編碼器與步進(jìn)電機(jī)同軸化，使得編碼器能夠?qū)崟r監(jiān)測步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角并反饋給單片機(jī)，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行下一時刻的控制。控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能:

1）控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方向、運(yùn)行速度；

2）控制步進(jìn)電機(jī)在某一角度的啟動和停止；

3）通過軟件和硬件的搭配控制細(xì)分。

控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計

由于STC89C52RC內(nèi)部電路架構(gòu)的原因，本設(shè)計將P0引腳和P3引腳用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，P1引腳和P2引腳用于采集編碼器的數(shù)據(jù)［6］。

按鍵控制系統(tǒng)設(shè)置了4個獨(dú)立按鍵，通過鍵盤可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止功能的操作。鍵盤控制模塊硬件原理如圖2所示。

由于本設(shè)計采用的是10位絕對式編碼器，輸出信號為二進(jìn)制的格雷碼，將P1的8個引腳和P2末端的2個引腳與編碼器的端口相連接。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的每一步所轉(zhuǎn)過的角度都能通過編碼器實(shí)時地傳遞給單片機(jī)，通過對系統(tǒng)軟件的設(shè)計能夠使步進(jìn)電機(jī)在任何角度下停止和啟動，并且控制精度極高。

步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸出控制模塊主要由2個555芯片，1個4096芯片和1個244芯片構(gòu)成，如圖3所示。

P02引腳為高電平時系統(tǒng)左端的555芯片開始工作，P02為低電平時系統(tǒng)右端的555芯片開始工作，P04引腳控制模塊的運(yùn)行和停止。通過調(diào)節(jié)2個555芯片的電位器阻值的大小來控制244輸出脈沖的頻率。

圖2 按鍵控制模塊

系統(tǒng)程序設(shè)計的思想如下:

1）對單片機(jī)進(jìn)行初始化。首先應(yīng)該對各引腳明確定義，然后對用到的一些寄存器和功能模塊進(jìn)行初始化，并且給定步進(jìn)電機(jī)的角度初值和每次加速／減速時速度和角度變化的幅值。

2）調(diào)入子程序。分塊調(diào)入方向、速度、鍵盤的子程序。到達(dá)角度停止程序?qū)懭胪獠恐袛喑绦蛑校@樣，可以在不改變運(yùn)動方向和速度的前提下做到準(zhǔn)確地停止。

3）等待功能按鍵按下。采用查詢方式編寫按鍵程序，通過按鍵程序掃描等待功能按鍵的按下。

4）執(zhí)行按鍵功能。在程序檢測到有按鍵被按下后，執(zhí)行相應(yīng)的功能。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在本實(shí)驗(yàn)中選取 42BYG250C-SASSML-0151混合式步進(jìn)電機(jī)作為控制對象。該步進(jìn)電機(jī)為兩相四線步進(jìn)電機(jī)，步距角為0.9°，額定電流為1.5A，保持轉(zhuǎn)矩為0.54N·m。實(shí)驗(yàn)時，系統(tǒng)選擇24V直流電源供電，符合步進(jìn)電機(jī)的要求。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時，A相的電壓波形如圖4所示。

圖3 脈沖輸出控制模塊

圖4 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時的A相電壓圖

4 結(jié) 語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此系統(tǒng)達(dá)到了很好的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動效果，能夠方便地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，并且能將電機(jī)的轉(zhuǎn)角精度控制在21′左右，達(dá)到了預(yù)期的效果。本設(shè)計所用的控制軟件只能控制步進(jìn)電機(jī)在某一角度的停止和啟動，如果加入LED顯示屏就可實(shí)時顯示出電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度。該系統(tǒng)占用空間小、穩(wěn)定性高、成本低廉，支持外部設(shè)備擴(kuò)展等特點(diǎn)，實(shí)用價值極高。

［1］ 何沖，王淑紅，侯勝偉，等.基于 AT89C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究［J］.電氣技術(shù)，2012（4）:5-8.

［2］ 吳文英.基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)［J］.電子技術(shù)，2012（1）:55-56.

［3］ 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:8-12.

［4］ 梁立濤，居耀成，周榮華，等.高精度單碼道絕對式編碼器的編碼和解碼研究［J］.測繪科學(xué)，2011，6（36）:25-27.

［5］ 劉豐文.高精度絕對式編碼器的信號處理［J］.光電工程，1999，2（26）:63-67.

［6］ 鄭江海，林鈞峰，陳育群.基于AT89C51PWM驅(qū)動電路遙控小車的研究［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2008，29（5）:556-561.