基于單片機的步進電機驅動控制系統的設計與實現

孫碩 夏妍

(中國電子科技集團公司第五十三研究所,天津 300000)

現階段在過程控制當中,步進電機作為一項重要的控制元件,因其結構并不復雜卻具有眾多強大功能,并且成本極低,性能穩定性較高,因此也在包括醫療設備、數控機床等各個領域當中得到了大范圍地運用。為了能夠更好地完成對步進電機的驅動控制,本文將通過結合單片機的優越性,嘗試設計一種基于單片機的步進電機驅動控制系統,希望能夠為相關研究人員提供必要參考。

1 步進電機及驅動控制系統的簡要概述

工作原理。田聰、蘇暢(2017)在其研究著述當中提出,步進電機就是通過在對數字脈沖信號進行直接接收之后轉化成應角位移、線位移的一種脈沖電機。脈沖信號頻率以及脈沖數直接決定的電動機轉速控制及具體的停止位置,因此在步進電機當中并不存在累積誤差,但在個別情況下會出現周期性誤差[1]。將某一脈沖信號施加給電機之后,其在完成信號接收后將會從與之相對應的步距角轉過。因此在對步進電機進行控制的過程中,關鍵在于對脈沖信號的有效控制。學者付家翰(2017)經過研究發現,利用單片機將控制信號直接發送至步進電機驅動電路當中,便能夠高效、精準地控制步進電機,因此本文將采用其研究觀點,嘗試使用單片機設計一種步進電機驅動控制系統[2]。

2 基于單片機的步進電機驅動控制系統硬件電路設計

2.1 驅動模塊

考慮到基于單片機的步進電機驅動控制系統當中,最為關鍵與重要的部件便是單片機。其性能直接影響著整體驅動控制系統的控制成效,因此本文在對基于單片機的步進電機驅動控制系統進行設計的過程中,選擇使用當前市面上一款功耗相對較低但性能較高,且具有8KFlash存儲器以及CMOS8位控制器的AT89C51單片機。這一單片機支持在線編程,能夠與相關驅動控制系統設計要求相吻合。而在步進電機中,本文通過選用常見的直徑為28mm的四相五線減速步進電機,其步進和減速比分別為5.625×1/64以及1/64。前文提及,基于單片機的步進電機驅動控制系統中從單片機當中輸出的信號因其功率極小,因此無法直接完成對步進電機的成功驅動,需要額外增加一個驅動電路[3]。

為了能夠盡可能減少成本,本文選擇使用步進電機專用驅動芯片即ULN2003功放芯片作為單片機下的步進電機驅動控制系統的驅動模塊,其提供電流的最高值能夠達到0.5A。將其輸入端和輸出端分別與單片機P1口以及步進電機進行相互連接,同時在按鍵電路上設有三個按鍵,用對分別對步進電機的啟停、正反轉進行有效控制,在脈沖信號下能夠有效完成對步進電機的驅動。

2.2 驅動電路

在本文設計的單片機的步進電機驅動控制系統的驅動電路當中,驅動芯片ULN2003引腳7到引腳9均為步進電機細分設置管腳,在與上拉電阻相互連接之后再與撥碼開關進行相互連接,進而能夠實現包括1/1、1/2等在內的細分模式,共計五種。監視管腳則為引腳1和25,在與上拉電阻以及發光二極管進行相互連接后,再與VCC進行連接。管腳18則是步進電機的使能管腳,管腳21為該步進電機的速度控制管腳,而管腳22則為該步進電機的方向控制管腳。在與單片機芯片相應管腳進行相互連接下,利用接收脈沖,對步進電機的速度以及方向進行相應改變[4]。而管腳19和管腳5則分別為該步進電機中的復位管腳以及調節驅動電流的管腳,與變位進行相互連接。管腳23在與電容進行相互連接后,直接同管腳2、管腳13以及管腳17進行并聯接地。A相的電流調節段為管腳15,B相的電流調節端則為管腳11,在與電阻值為0.2Ω的電阻進行相互連接后再進行接地。其余管腳如管腳10、管腳12等則均直接與該步進電機進行相互連接。

除此之外,為了能夠使得本文設計的基于單片機的步進電機驅動控制系統具有較高的穩定性以及可靠程度,盡可能防止出現負載變化所導致的過電流,最終使得控制芯片、驅動芯片被燒損的情況。因此在設計過程中,本文額外使用了光電耦合器,用于對信號轉換電平進行有效控制,同時將各個器件相互隔離,并對控制信號進行相應整形,使得系統的控制精準性得到了極大提升。而這一模塊在發揮自身效用的過程中,需要確保位于光耦兩側電路的電源電路彼此相互獨立,因此本文在設計基于單片機的步進電機驅動控制系統的過程中,還在供電模塊設計當中分別使用了具有良好獨立性的供電電路,確?？梢垣@得預期的隔離成效。在隔離模塊的作用下,控制與驅動相互分離,即便負載出現變化導致產生電流沖擊,也并不會直接損傷主控制芯片。同時本文還將隔離保護模塊分別設置在點擊以及驅動信號輸出端,對控制信號進行相應保護,避免其出現滯后、畸變等問題。

圖1 步進電機正轉

圖2 步進電機反轉

圖3 系統初始化運行界面示意圖

3 基于單片機的步進電機驅動控制系統軟件設計

在對基于單片機的步進電機驅動控制系統的軟件進行設計的過程中,首先對上電系統進行初始化設置,將I/O口進行初始化后,立即進入到上位機輸入預訂信息的讀取程序中。而后對定時中斷進行查詢,對編碼器反饋數據進行讀取,如果返回值與定值相一致,則直接返回。此時在液晶顯示模塊當中將自動顯示速度值,而如果經過判定之后發現返回值同定值直接不相等,則需要對I/O口電平進行相應調整,使得電機旋轉走向發生改變,在精準計算出具體的脈沖個數之后,由使能計數寄存器對計算的脈沖個數進行判定,如果脈沖個數為零,則到達最終目標,此時在液晶顯示模塊當中將直接顯示出最終結果。而如果判定的計算脈沖個數不為零,則需要重新對脈沖個數進行計算,直至使能計數寄存器將其判斷為零。

系統中將按鍵作為輸入,單片機的P0.0以及P0.1口分別為控制方向,通過對兩個口的狀態進行嚴格查詢,即可有效完成對步進電機的運行方向的驅動控制。而電機繞組的通電順序對步進電機正轉、反轉起著局定性的作用。當通電順序為順時鐘旋轉的情況下,步進電機將進行正轉。反之如果通電順序為逆時針選裝,則此時步進電機將實現反轉。所產生的所有狀態字統一放置在程序存儲器ROM當中,依托查表形式完成狀態字的讀取。系統一方面控制轉向,另一方面需要及時精準地判斷出速度,尤其是需要對加速鍵按下與否進行科學判斷,一旦判斷加速鍵被按下,則需要立即作出相應反映。如圖1、2所示。

4 仿真測試

為有效保障本身設計的單片機的步進電機驅動控制系統具有較高的使用性能,需要對其進行仿真測試。為此,本文通過專門使用Proteus ISIS這一專業的單片機仿真設計軟件,對系統開機界面顯示、運行LCD顯示以及其他各個方面進行綜合測試。該仿真平臺帶有嵌入式系統交互仿真性能,具有包括鍵盤、顯示系統仿真以及數字、模擬電路等在內的眾多功能,同時在其軟件內部還集成了示波器、動態指針等電路檢測儀器。根據最終的仿真結果顯示,單擊仿真按鍵,系統可以進行初始化函數的自動調用,隨后順利進入到開機界面中。當系統正式啟動運行后,通過單擊按鍵正轉和反轉系統,并對系統的啟動與停止、加速和減速運轉進行調試,仿真測試結果均與相關標準要求相符。利用時鐘脈沖,所有按鍵均可以嚴格遵循相應規則進行有效驅動控制,順利將LCD從初始化界面向控制界面進行切換,因此證明了本文所設計的基于單片機的步進電機驅動控制系統基本成功[5]。如圖3、4所示。

而由于本文為了能夠增加系統的可靠程度和穩定性能,因此在設計過程中增加了光電耦合器以及去抖延遲程序,使得在系統實際運行的過程中,即便鍵盤出現抖動使得引腳電平出現瞬間下降或是突然提高等情況,系統并不會將其作為一次按鍵操作,并對相應命令進行執行,因此使得系統的穩定與可靠程度得到明顯大幅提升。相比于以往使用觸發器構成的控制系統,本文所設計的基于單片機下的步進電機驅動控制系統只通過將外圍電路以及驅動電路進行相互結合,便可以有效完成對步進電機轉向、啟停以及速度等控制工作,其成本更加低廉、操作方便易行并且具有較高的可靠性與通用性。依照具體情況,對端口控制以及編程進行相應變化,便可以對各個相數步進電機進行有效控制。

圖4 單片機引腳產生的控制脈沖

5 結語

本文在對基于單片機下的步進電機驅動控制系統進行簡要分析研究的過程中,對其工作原理以及總體結構進行明確,立足單片機對步進電機驅動控制系統的驅動模塊、驅動電路以及復位電路進行設計。利用相關專業編程程序對基于單片機的步進電機驅動控制系統軟件進行設計之后,采用仿真測試的方式驗證了系統的有效性與可行性,證明該系統具有較高的通用性和交互性,可以精準高效地完成步進電機的驅動控制。

[1]田聰,蘇暢.基于51單片機的步進電機控制系統設計與實現[J].電子測試,2017,(22):5-6+19.

[2]付家翰.基于單片機的高精度步進電機控制研究[J].中國新通信,2017,19(05):150.

[3]陳麗穎.基于TA8435H的煤礦步進電機驅動控制系統的研究[J].煤礦機械,2017,38(01):59-60.

[4]魏印龍,張向陽,孔令揚.基于AT89C51單片機的步進電機控制系統設計[J].科技廣場,2016,(08):184-189.

[5]高琴,劉淑聰,彭宏偉.步進電機控制系統的設計及應用[J].制造業自動化,2012,34(O1):150-152.