基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計研究

1、    基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計研究    牛慧佳摘要：本文介紹了該系統(tǒng)總體設(shè)計方案，以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，研究了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，分析了主程序設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；控制系統(tǒng)：tp368.1 ：a ：1007-9416（2018）07-0011-02步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動機(jī)或階躍電動機(jī)，是通過脈沖的方式進(jìn)行工作，其結(jié)構(gòu)是由定子和轉(zhuǎn)子組成的，線圈中每輸入一個電脈沖信號，電流流過定子繞組時產(chǎn)生的矢量磁場就會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個步距角，當(dāng)輸入連續(xù)脈沖信號時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。早期的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)存在

2、線路復(fù)雜，體積大，可靠性差，成本高，且低性能的單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制器抗干擾能力較差等問題。因此，利用單片機(jī)at89c51能夠?qū)崿F(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的智能化控制，同時，降低成本，提高工作的可靠性增強(qiáng)通用性。本文通過對該系統(tǒng)的總體設(shè)計方案、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、主程序設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試分析進(jìn)行系統(tǒng)的描述，設(shè)計了一套以單片機(jī)at89c51作為控制核心，采用驅(qū)動電路unl2003，并選用液晶12864對其結(jié)果進(jìn)行顯示的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)即使在脫離pc機(jī)的狀況下也能正常工作，具有良好的人機(jī)交互機(jī)制，大大提高了系統(tǒng)的整體可用性。本設(shè)計采用c語言進(jìn)行單片機(jī)程序編寫，實(shí)現(xiàn)程序的模塊化設(shè)計，增

3、強(qiáng)了程序代碼的可讀性，從而，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制功能。1 總體設(shè)計方案該步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用一片atmel公司的at89c51單片機(jī)作為本系統(tǒng)的核心運(yùn)算器件，實(shí)時把電機(jī)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速通過lcd液晶顯示器顯示出來，并結(jié)合軟件來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、定轉(zhuǎn)圈數(shù)。同時還可以在運(yùn)行過程中，利用鍵盤輸入步進(jìn)電機(jī)將要工作的速度、圈數(shù)及方向等數(shù)據(jù)，來達(dá)到脫離pc的情況下，該系統(tǒng)還可以正常工作的目的。2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)介紹步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)劣主要受步進(jìn)電機(jī)本身、電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)控制器三個因素的影響。首先，步進(jìn)電機(jī)本身的優(yōu)劣表現(xiàn)在相同的時間內(nèi)電能損耗和溫度的提升，根據(jù)焦耳定律公式：q=i2rt，可以分析出在相同的電

4、機(jī)線圈電阻和時間的情況下，電流決定了電能的損耗和溫度的提升，所以分析電流的變化已變成該因素的重點(diǎn)，而電機(jī)本身線圈繞組在電路中可以等效為一個電阻和一個電感的串聯(lián)電路，根據(jù)在一個由電源、開關(guān)、電機(jī)（電感和電阻）組成的等效電路中，分析電機(jī)（電感和電阻）電路中電氣特性可得到：在t=0時，電源電壓v施加到等效電路上時，等效電路總電流變化規(guī)律為：i（t）=v（1-e-rt/l）/r，在電流沒有達(dá)到最大值前電流上升速率為：，而經(jīng)過一段時間，電流達(dá)到最大值：imax=v/r，l/r定義為該等效電路上升和下降時的時間常數(shù)，是電流在電路中達(dá)到最大電流imax的一個百分比常數(shù)所需要的時間。在t等于電流達(dá)到最大值時的

5、時間t1，電流開始減小的過程中，電路中的電流變化規(guī)律為：i（t）=ve-r（t-t1）/l/r，通過公式可以分析出步進(jìn)電機(jī)本機(jī)的損耗、溫度提升與繞組的電流成正比。其次，電機(jī)驅(qū)動器包括：控制步進(jìn)電機(jī)各相勵磁繞組截止或?qū)ㄐ盘柕倪壿嬁刂齐娐?；為電機(jī)控制繞組提供輸入電流，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運(yùn)動的功率驅(qū)動電路；電路出現(xiàn)故障時，為迅速停止驅(qū)動器和電機(jī)工作的保護(hù)電路和電源。最后，電機(jī)控制器主要發(fā)生步進(jìn)脈沖和方向信號，來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的的高低、升速或降速、啟動或停止及電機(jī)的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)1。本設(shè)計采用at89c51單片機(jī)為硬件電路設(shè)計的核心控制步進(jìn)電機(jī)，可以從鍵盤輸入步進(jìn)電機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)來進(jìn)行工作

6、，實(shí)時對步進(jìn)電機(jī)工作方式進(jìn)行設(shè)置，并且可通過通信電路將接收到的數(shù)據(jù)來控制電機(jī)的運(yùn)行，具有實(shí)時性和交互性的特點(diǎn)。硬件電路主要包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、鍵盤顯示電路、pc機(jī)通信電路和數(shù)據(jù)存儲器。3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計根據(jù)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動及顯示電路，設(shè)計單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路，如圖1所示2。4 主程序設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試分析主程序設(shè)計主要包括鍵盤子程序、正反轉(zhuǎn)程序設(shè)計和轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)計，程序分別作用于下位機(jī)系統(tǒng)、鍵盤、液晶12864初始化，初始化程序執(zhí)行完成后開啟串口中斷，與此同時對鍵盤值進(jìn)行掃描，根據(jù)掃描的具體功能鍵值，判斷是那個功能鍵按下。之后根據(jù)

7、收到的操作指令進(jìn)入某個功能子程序。后面如果運(yùn)行正常，將循環(huán)進(jìn)行以上操作3。為了驗(yàn)證本設(shè)計主要功能實(shí)現(xiàn)情況，特別對系統(tǒng)的關(guān)鍵部分進(jìn)行實(shí)際的測試。主要是通過硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩個方面來進(jìn)行，硬件調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試兩部分，軟件調(diào)試可直接在編寫模塊程序時使用proteus軟件調(diào)試，并且下位機(jī)軟件調(diào)試采用單片機(jī)仿真器wave6000l及微機(jī)。5 結(jié)語該系統(tǒng)可以通過上位機(jī)精確地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，使系統(tǒng)具有更好的人機(jī)界面和通用性。同時基于單片機(jī)at89c51作為控制核心的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合，降低了成本，簡化了電路，通過液晶12864顯示和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，配合軟件實(shí)時的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。與此同時也可以脫離上位機(jī)工作，由鍵盤發(fā)出命令，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、步數(shù)和轉(zhuǎn)速，并由lcd顯示相關(guān)的轉(zhuǎn)動信息。參考文獻(xiàn)1田聰，蘇暢.基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)j.電子測試，2017，（11x）：5-6+19.2魏印