基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制

郭　豪，趙樹忠

(華北理工大學(xué)，河北　唐山　063009)

0　引言

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械角位移或直線位移的控制電動(dòng)機(jī)。在驅(qū)動(dòng)電源的作用下，步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的角度(步距角)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子角位移的大小和轉(zhuǎn)速的高低分別與輸入的控制電脈沖數(shù)量及其頻率成正比，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與繞組的通電順序有關(guān)，因此，通過控制輸入電脈沖的數(shù)目、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序就可以獲得所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，利用微型計(jì)算機(jī)就可以很容易實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)數(shù)字控制[1]。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，不受外界溫度和電磁等因素的影響。由于單片機(jī)具有成本低、性能高、便于維護(hù)、使用簡單等特點(diǎn)，使得這一技術(shù)得到了飛速的發(fā)展并廣泛運(yùn)用于各個(gè)行業(yè)。單片機(jī)技術(shù)的成熟，也使得步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)具有廣闊的研究和應(yīng)用前景[2]。

1　電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于所選用的步進(jìn)電機(jī)功率和額定電流都較小，因此綜合考慮選用了達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器ULN2803, 該芯片最多可一次驅(qū)動(dòng)八線步進(jìn)電機(jī)，具有接口簡單、操作方便等特點(diǎn)[3]。

步進(jìn)電機(jī)的加速、減速、正反轉(zhuǎn)和停止等控制通過鍵盤設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。由單片機(jī)控制ULN2803芯片發(fā)送相應(yīng)的指令，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片對指令的相應(yīng)處理(例如對電流和電壓的放大)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件系統(tǒng)

以STC89C52單片機(jī)為核心和主控制器，選用六線制四相步進(jìn)電機(jī)和ULN2803芯片組成電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊，矩陣鍵盤負(fù)責(zé)控制步進(jìn)電機(jī)的啟停、加減速和換向的操作，由數(shù)碼管顯示當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。

2.1　單片機(jī)系統(tǒng)

單片微型計(jì)算機(jī)是把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件，包括中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行通訊接口等部件制作在一塊集成芯片中，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。由于其結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，故又叫單片微控制器。本次研究選用STC公司出品的52單片機(jī)作為核心，各個(gè)引腳說明如圖2所示，該單片機(jī)具有容易上手、價(jià)格低廉、使用方便等特點(diǎn)，此外這一款單片機(jī)還保留了MCS51系列單片機(jī)的所有功能。單片機(jī)以及復(fù)位電路和振蕩電路構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，如圖3所示。

2.2　步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

由于六線制四相步進(jìn)電機(jī)比較常見，具有代表性，因此本次研究采用六線制四相步進(jìn)電機(jī)，它的控制等效電路如圖4所示。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)受脈沖信號的控制，只要改變4條勵(lì)磁信號引線A、B、C、D上勵(lì)磁脈沖發(fā)生的時(shí)間，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)能否連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)取決于脈沖信號是否連續(xù)發(fā)送。電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制分別由脈沖信號的頻率和繞組的通電順序來控制：轉(zhuǎn)速與頻率成正比關(guān)系；步進(jìn)電機(jī)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)的通電順序?yàn)锳—AB—B—BC—C—CD—D—DA,反向轉(zhuǎn)動(dòng)的通電順序?yàn)镈—DC—C—CB—B—BA—A。

圖3單片機(jī)最小系統(tǒng)圖4步進(jìn)電機(jī)的控制等效電路

2.3　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路如圖5所示， 驅(qū)動(dòng)器ULN2803的2號～5號接口分別與單片機(jī)的1號～4號接口連接，單片機(jī)通過這4個(gè)引腳向ULN2803輸入信號。同時(shí)，ULN2803的14號～17號接口分別與電機(jī)的6、5、2和1號引腳相連接，用來控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。JP1為電機(jī)六線接口,其中JP1的第3、4引腳連接在一起與電機(jī)的公共端相連，JP1的第1引腳對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的A，JP1的第2引腳對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的C，JP1的第5引腳對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的B，JP1的第6引腳對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的D。這4條驅(qū)動(dòng)線通過ULN2803后與單片機(jī)的P1.0～P1.3引腳相連。

2.4　按鍵控制系統(tǒng)

此次研究還設(shè)計(jì)了鍵盤控制系統(tǒng)，通過對鍵盤輸入信號的掃描檢測來判斷按鍵是否閉合。當(dāng)鍵盤按下時(shí)輸出為高電平，當(dāng)鍵盤斷開時(shí)輸出為低電平。同時(shí)通過設(shè)計(jì)4個(gè)發(fā)光二極管來顯示此時(shí)按鍵的閉合情況，當(dāng)按鍵閉合時(shí)發(fā)光二極管點(diǎn)亮。按鍵控制電路如圖6所示。

圖6　按鍵控制電路

2.5　數(shù)碼管顯示系統(tǒng)

選用了6個(gè)共陰極單位數(shù)碼管，同時(shí)為了節(jié)省I/O端口選用了兩個(gè)74HC573鎖存器控制數(shù)碼管。所有數(shù)碼管的陽極，即標(biāo)有a、b、c、d、e、f、g、h的引腳全部連在一起并與下面的U1元件74HC573鎖存器的數(shù)據(jù)輸入端相連。將P0口加上上拉電阻并與鎖存器的數(shù)據(jù)輸入端相連。單片機(jī)的P2.6和P2.7分別接兩個(gè)鎖存器的鎖存端。每一個(gè)數(shù)碼管對應(yīng)一個(gè)位選端，U2元件74HC573的數(shù)據(jù)輸出端的低6位分別與數(shù)碼管中的位選端WE1、WE2、WE3、WE4、WE5、WE6相連，同時(shí)將數(shù)據(jù)輸入端連接到單片機(jī)的P0口。系統(tǒng)的數(shù)碼管顯示電路如圖7所示。

圖7　數(shù)碼管顯示電路

3　軟件設(shè)計(jì)

通過各硬件模塊的搭建，初步具備了單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的條件。通過MCS-51單片機(jī)的匯編語言編程，可以實(shí)現(xiàn)初始化、鍵盤輸入、數(shù)碼管顯示、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊的控制，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的啟停、加減速、換向等功能，以及電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的數(shù)碼管顯示。控制系統(tǒng)程序流程見圖8。

圖8　控制系統(tǒng)程序流程

4　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于STC89C52單片機(jī)的四相步進(jìn)電機(jī)控制硬件電路，并通過軟件編程實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的加減速控制、啟停控制和換向控制。該系統(tǒng)具有價(jià)格低廉、控制精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和機(jī)械加工等領(lǐng)域，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳慧琴.基于STC89C51單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù),2016(18):187-188.

[2]孟武勝,李亮.基于AT89C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù),2006(11):45-47，51.

[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，2013.