基于單片機的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)研究

引 言

步進(jìn)電機又稱脈沖電動機，憑借其定位精度高、使用方便、 性價比高、容易控制等優(yōu)點，在辦公自動化、工廠自動化和計 算機外部設(shè)備等領(lǐng)域中受到廣泛應(yīng)用 [1,2]，故對其控制系統(tǒng)的 研究頗為重要。

本文采用 C52 單片機 [3,4] 設(shè)計步進(jìn)電機的控制系統(tǒng)，并 使用 Protues 繪制仿真圖，同時與編程軟件（Keil4）進(jìn)行聯(lián)合 調(diào)試仿真，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)使用 便捷、有效。

1 步進(jìn)電機簡介

步進(jìn)電機是一種感應(yīng)電動機，根據(jù)電子電路的原理將直流電變?yōu)榉謺r供電、多相時序控制的電流，用分時電流為步進(jìn)電機供電，使步進(jìn)電機正常工作，而驅(qū)動器就是一種能為其分時供電，多相時序的控制器[5,6]。

步進(jìn)電機在不超過負(fù)載的情況下，其轉(zhuǎn)速、停止的位置只由脈沖頻率以及脈沖數(shù)決定，而負(fù)載以外的變化對其無影響， 當(dāng)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，便會驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定好的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（ 步距角 ），其旋轉(zhuǎn)按設(shè)定方向一步步運行。步進(jìn)電機通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量， 從而達(dá)到精準(zhǔn)定位。同時也可通過控制脈沖頻率來控制其速度與加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

2 硬件設(shè)計

本文以 STC89C52 單片機為核心處理器，將按鍵作為輸入模塊，以控制步進(jìn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、步進(jìn)，并實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機選用 28BYJ-48 型四相八拍式步進(jìn)電機，系統(tǒng)構(gòu)成如圖 1 所示。

由于單片機直接輸出的脈沖信號不大，無法讓步進(jìn)電機正常工作，因此不能將其直接連接到步進(jìn)電機上，需要在它們之間加上一個驅(qū)動電路。對于直流電流小于 0.5 A 的步進(jìn)電機來說，可通過型號為ULN2003A 的達(dá)林頓芯片來驅(qū)動步進(jìn)電機，從而使其正常工作。ULN2003A 系列驅(qū)動器的引腳與步進(jìn)電機連線示意圖如圖 2 所示。左邊1 ～7 為輸入端，接單片機P2口的輸出端，驅(qū)動信號由P2 口的P2.0 至 P2.3 輸出，左側(cè)10～16 為輸出端引腳，接步進(jìn)電機，引腳 9 接 5 V 電源，該

驅(qū)動器提供的電流最高為 0.5 A。

圖 2 驅(qū)動電路接線圖

鍵盤是由若干按鍵組成的按鍵矩陣，是一種最簡單的單片機輸入設(shè)備，通過鍵盤輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)和指令來實現(xiàn)人對機器的控制，鍵盤電路如圖 3 所示。

圖 3 鍵盤電路圖

本文采用外部中斷的方式。信號輸入部分為P3 口，P1 口為發(fā)光二極管顯示部分，P2 口作為電機的驅(qū)動部分，整體仿真電路如圖 4 所示。

圖 4 系統(tǒng)整體仿真圖

3 程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程如圖 5 所示。系統(tǒng)上電復(fù)位，對參數(shù)進(jìn) 行初始化，然后檢測串口是否發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)確定串口數(shù)據(jù)發(fā)送 后程序便調(diào)用相應(yīng)的子程序 ；如果串口沒有發(fā)送數(shù)據(jù)則程序 重新初始化。系統(tǒng)上電復(fù)位后，鍵盤初始化并復(fù)位，然后進(jìn) 入按鍵查詢，等待操作。當(dāng)有按鍵按下后，系統(tǒng)開始調(diào)用相 應(yīng)的子程序。按鍵程序流程如圖 6 所示，步進(jìn)電機工作流程 如圖 7 所示。

4 仿真調(diào)試

使用Protues繪制仿真圖，與編程軟件（Keil4）進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試仿真。當(dāng)步進(jìn)電機接收到連續(xù)不斷的脈沖信號時，則持續(xù)運轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機的繞組通電狀態(tài)每改變一次就會產(chǎn)生一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子也相應(yīng)轉(zhuǎn)過一個步距角。當(dāng)通電狀態(tài)結(jié)束一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一個齒距。四相八拍方式的通電順序為： A相線圈最先通電；然后轉(zhuǎn)換變?yōu)锳，B兩相線圈同時通電； 接著B相線圈通電；再之后B，C兩相線圈同時通電（即按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 的順序進(jìn)行）。當(dāng)步進(jìn)電機定子繞組按順序周期性通電時，轉(zhuǎn)子沿設(shè)定方向一步步轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機工作波形如圖8所示。

圖 8 步進(jìn)電機工作波形圖

5 結(jié) 語

本文采用 C52 單片機來設(shè)計步進(jìn)電機的控制系統(tǒng)，介紹 了其總體方案、主控制模塊、驅(qū)動電路、鍵盤、晶振電路模塊等， 并使用 Protues 繪制仿真圖，與編程軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試仿真， 仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)正確有效。