步進電機驅動控制系統設計

步進電機驅動控制系統設計

胡維慶顏建軍

(浙江機電職業技術學院電氣電子工程學院，浙江 杭州 310053)

摘要：設計了一種步進電機斬波細分驅動控制系統，包括輸入電路、細分驅動電路等。以單片機AT89S52為控制核心，采用步距角的細分控制策略。該系統具有可靠性高、成本低、容易實現等特點。

關鍵詞：步進電機；細分驅動；單片機

收稿日期:2015-05-08

作者簡介：胡維慶(1978—)，男，黑龍江哈爾濱人，講師，研究方向：工業自動化。

0引言

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移的執行元件，它與其他類型電機相比具有控制方便、易于開環精確控制、無積累誤差、體積小、成本低等優點，故廣泛應用于各個領域。受制造工藝影響，步進電機的步距角一般較大，并且存在低頻振動。隨著計算機技術、數字技術和微電子技術的發展，步進電機的驅動控制技術獲得了快速發展。步進電動機細分驅動技術首先是由美國學者T.R.Fredriksen在美國增量運動控制系統及器件年會上提出，細分驅動技術能夠使步進電機獲得很好的使用性能，因而得到了廣泛應用。本文介紹一種步進電機細分驅動控制系統，該系統具有步距角小、分辨率高的優點，可減弱或消除步進電機的低頻振動，提高步進電機的運行精度。

1原理

反應式步進電機的轉動是靠電磁力拉動的，當處于錯齒狀態的某相通電時，則在電磁力作用下，轉子將向對齒的狀態轉動。再對處于錯齒狀態的下一相通電，步進電機就會再轉動，步進電機就是基于這樣的原理而不停轉動的。

步進電機驅動控制原理：由控制電路發出連續變化的脈沖信號，經過功率放大電路后加到步進電機驅動電路的輸入端，功率驅動電路對輸出較小的脈沖信號進行放大，以驅動步進電機轉動。步進電機典型控制電路如圖1所示。

圖1　典型步進電機驅動控制系統框圖

本步進電機的驅動控制系統采用單片機作為控制器，步進電機的控制指令輸入有鍵盤輸入和通訊輸入可選，單片機根據輸入指令要求經過運算由D/A轉換器輸出模擬量到比較器。比較器的輸入量是D/A轉換器輸出的模擬量和步進電機繞組上的電流采樣值，如果給定電流值低于步進電機繞組電流值則斷開斬波驅動回路；反之，如果給定電流值高于步進電機繞組電流值則開通斬波驅動回路。此系統由輸入電路部分、控制電路部分、D/A轉換電路部分、驅動斬波電路部分等組成，系統框圖如圖2所示。

2硬件系統

2.1控制器選擇

控制器采用與8051兼容的AT89S52作為控制核心。AT89S52單片機是一種低功耗、高性能的微處理器，芯片Flash系統內可編程，操作靈活。其指令與引腳和MCS51系列單片機兼容，具有處理功能強、速度快、體積小、價格低、可靠性能高等特點。

2.2控制電路設計

單片機芯片內部有一個用于構成振蕩器的高增益的反向放大器，在引腳XTALl和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調電容，形成反饋電路，構成了一個穩定的自激振蕩器，產生時鐘脈沖，晶振頻率選取11.059 2 MHz。單片機RESET引腳上保持高電平時間大于要求的時間就會自動復位，復位電路采用按鍵式。單片機最小系統如圖3所示。

圖3　AT89S52最小系統電路圖

2.3參數輸入電路設計

輸入信號可以由撥碼開關輸入，也可以由上位機輸入，根據輸入信號選擇細分驅動程序。撥碼開關輸入信號經過光電耦合器后輸入單片機，電路如圖4所示。

圖4　參數撥碼輸入電路圖

上位機以通訊方式發出信號，經過芯片MAX232向AT89S52輸入參數，電路如圖5所示。

圖5　上位機設定參數電路圖

2.4細分驅動電路設計

單片機AT89S52向D/A轉換器輸出對應的細分控制數據，通過D/A轉換器DAC0832輸出電壓，電壓經過放大調整后送給LM393比較器，作為斬波的基準電壓。步進電機線圈電流通過電阻采樣，當基準電壓小于取樣電阻電壓時，LM393輸出高電平；當基準電壓大于取樣電阻電壓時，LM393輸出低電平。在細分工作狀態時，比較器LM393不斷送出斬波信號，經過D觸發器74LS74和光電耦合器6N137不斷控制步進電機繞組電流的通斷，這樣電機的狀態就會不斷改變。細分驅動控制電路如圖6所示。

圖6　細分驅動控制電路圖

3軟件設計

該步進電機的控制采用細分驅動控制技術，控制器根據鍵盤的輸入信號或上位機通訊來的信號選擇細分數，輸出相應數值，控制步進電機每相繞組的電流。

系統運行時首先進行初始化，然后根據撥碼輸入信號或者上位機送來的信號選擇不同細分程序，調用細分子程序，根據正反轉命令要求控制步進電機運行方向。主程序流程圖如圖7所示。

圖7　系統主程序流程圖

4結語

本文介紹了步進電機可變細分驅動控制方案，可以提高步進電機的控制精度，降低步進電機的振動和噪聲。該驅動器具有可靠性高、精度高、體積小、成本低、控制系統靈活等特點，具有很好的應用價值。

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