時(shí)間：2022-05-10 02:27:20
序論：好文章的創(chuàng)作是一個(gè)不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。
關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī)；驅(qū)動(dòng)電路；L297和L298芯片；單片機(jī)；C語言
Key words: stepper motor；drive circuit；L297 and L298 chips；microcontroller；C language
中圖分類號(hào)：TM3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2011）04-0047-02
0引言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精密執(zhí)行元件，由于步進(jìn)電機(jī)具有控制方便、體積小等特點(diǎn)，所以在數(shù)控系統(tǒng)、自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)化儀表、繪圖機(jī)和計(jì)算機(jī)設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。微電子學(xué)的迅速發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的普及與應(yīng)用，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊前景，使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復(fù)雜的控制器得以用軟件實(shí)現(xiàn)，既降低了硬件成本又提高了控制的靈活性，可靠性及多功能性。市場上有很多現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)構(gòu)，但價(jià)格都偏高。應(yīng)用SGS公司推出的L297和L298兩芯片可方便的組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并結(jié)合MCS-51單片機(jī)進(jìn)行控制，即可以實(shí)現(xiàn)用相對(duì)便宜的價(jià)格組成一個(gè)性能不錯(cuò)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。
1工作原理
由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專用設(shè)備-步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器。典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖1所示：控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾十千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號(hào)，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)輸人端，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)分器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)目的。
2硬件電路組成
文中所控制的步進(jìn)電機(jī)是四相單極式減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。本文所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器的框圖如圖2所示。它由MCS―51單片機(jī)、集成芯片L297和L298組成。
2.1 步進(jìn)電機(jī)控制電路本系統(tǒng)的控制電路采用單片機(jī)MCS-51進(jìn)行控制。
在工業(yè)檢測(cè)、控制中，許多場合都要用到計(jì)數(shù)或定時(shí)功能。例如，對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)、產(chǎn)生精確的定時(shí)時(shí)間等。MCS-51單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1、T0，以滿足這方面的需要。兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都具有定時(shí)器和計(jì)數(shù)器兩種工作模式。
2.1.1 計(jì)數(shù)器工作模式計(jì)數(shù)器是對(duì)外來脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。MCS-51芯片有T0（P3.4）和T1（P3.5）兩個(gè)輸入引腳，分別是這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的輸入端。每當(dāng)計(jì)數(shù)器的輸入引腳的脈沖發(fā)生負(fù)跳變時(shí)。計(jì)數(shù)器加1。
2.1.2 定時(shí)器工作模式定時(shí)功能也是通過計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，不過此時(shí)的計(jì)數(shù)脈沖來自單片機(jī)的內(nèi)部，即每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，也就是每經(jīng)過1個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間，計(jì)數(shù)器加1。如果MCS-51采用12MHz晶體，則計(jì)數(shù)頻率為1MHz，即每過1μs的時(shí)間計(jì)數(shù)器加1。這樣可以根據(jù)計(jì)數(shù)值計(jì)算出定時(shí)時(shí)間，也可根據(jù)定時(shí)時(shí)間的要求計(jì)算出計(jì)數(shù)器的初值。
2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路由L297和L298芯片組成。L297是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器（包括環(huán)形分配器），L298是雙H橋式驅(qū)動(dòng)器。它們所組成的微處理器至雙橋式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接口如圖3所示。這種方式結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)是，需要的元件很少，從而使得裝配成本低，可靠性高和占空間少。并且通過軟件開發(fā)，可以簡化和減輕微型計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。另外，L297和L298都是獨(dú)立的芯片，所以應(yīng)用是十分靈活的。
2.3 步進(jìn)電機(jī)原理①可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡單廉價(jià)。②位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，可在要求更高精度的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。③無刷，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高。④易于起動(dòng)，停止，正反轉(zhuǎn)及速度響應(yīng)性好。⑤停止時(shí)可有自鎖能力。⑥步距角可在大范圍內(nèi)選擇，在小步距情況下，通?？梢栽诔娃D(zhuǎn)速下高轉(zhuǎn)距穩(wěn)定運(yùn)行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。⑦速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，同時(shí)用一臺(tái)控制器控制幾臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可使它們完全同步運(yùn)行。⑧步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶慣性負(fù)載能力較差。
3軟件設(shè)計(jì)
采用C語言編程
sbit P0.0=1; //CW 方向
sbit P0.1=1; //HALF 半步
sbit P0.2=1; //ENABLE 使能
sbit P0.3=1; //RESET復(fù)位
sbit P0.7=1; //CLOCK時(shí)鐘
int SD(int a)
{ int time;
time=a;
TMOD=0*01; //TI采用定時(shí)器
TH0=(65536-time)/256；
TL0=(65536-time)%256；
TR0=1；
for(;;)
{
TH0=(65536-time)/256；
TL0=(65536-time)%256；
Do{}while(!TF0)；
P0.7=!P0.7; //CLOCK輸出時(shí)鐘
TF0=0;
if (P1.4==0)SD(65536); //電機(jī)停止
If (P1.1==0)SD(1000);//調(diào)用子程序(低速)
else If (P1.2==0)SD(4000); //調(diào)用子程序(中速)
else If (P1.3==0)SD(16000);//調(diào)用子程序(高速)
else break;
}
}
Main()
{
if (P1.0==0)
{if (P1.1==0)SD(1000);//調(diào)用子程序(低速)
else If (P1.2==0)SD(4000); //調(diào)用子程序(中速)
else If (P1.3==0)SD(16000);//調(diào)用子程序(高速)
}
else if(P1.4==0) SD(65536); //電機(jī)停止
}
4結(jié)論
本文創(chuàng)新點(diǎn)在于提出應(yīng)用單片機(jī)和L297、1298集成電路構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器。使之具有元件少，可靠性高、占空間少、裝配成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過軟件開發(fā)，可以簡化和減輕微型計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。另外，在上面提出的在加減速程序中定時(shí)器的裝載值用式子計(jì)算不精確，這兩條賦值要執(zhí)行不少的時(shí)間，具體做的時(shí)候，可直接把初值計(jì)算出來或把除號(hào)用相加來計(jì)算，以達(dá)到精確的目的。
參考文獻(xiàn):
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在PMM8713的內(nèi)部電路中,時(shí)鐘選通部分用于設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)脈沖輸入法。PMM8713有兩種脈沖輸入法:雙脈沖輸入法和單脈沖輸入法。采用雙脈沖輸入法的連線方式如圖2(a)所示,其中CP、CU兩端分別輸入步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制脈沖。當(dāng)采用單脈沖輸入法時(shí),其連線方式如圖2(b)所示,該圖中的CK為時(shí)鐘脈沖輸入,步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向由U/D的高、低電位決定。
片中的激勵(lì)方式控制電路用來選擇采用何種勵(lì)磁方式。激勵(lì)方式判斷電路用于輸出檢測(cè);而可逆環(huán)形計(jì)數(shù)器則用于產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)在選定的勵(lì)磁方式下的各相通斷時(shí)序信號(hào)。
2 SI-7300A的結(jié)構(gòu)及功率驅(qū)動(dòng)原理
SI-7300A是日本三肯公司生產(chǎn)的高性能步進(jìn)電機(jī)集成功率放大器。該器件為單極性四相驅(qū)動(dòng),采用SIP18封裝,其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)級(jí)電路可分為電壓和電流兩種驅(qū)動(dòng)方式,電壓驅(qū)動(dòng)方式有串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)和雙電壓驅(qū)動(dòng)兩種,其中串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)在相繞組中串聯(lián)了一定阻值和功率的電阻。為了維持步進(jìn)電機(jī)的相電流,通常要提高驅(qū)動(dòng)繞組的相電壓,因此繞組串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)方式效率較低,但方法簡單,成本低,故在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中使用較多。雙電壓驅(qū)動(dòng)在每相繞組導(dǎo)通時(shí),首先施加高電壓VH使電流快速上升,當(dāng)電壓上升到規(guī)定幅值時(shí),將高電壓VH切斷,此時(shí),回路以低電壓VL維持,電路驅(qū)動(dòng)效率可大大提高,但因采用高低兩種驅(qū)動(dòng)電源,且電源切換的控制電路比較復(fù)雜,因而較少采用。電流驅(qū)動(dòng)方式最常用的是PWM恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路,也是專用集成電路中最常用的能獲得高性能的驅(qū)動(dòng)方式,其中一相的等效電路圖如圖4所示。步進(jìn)電機(jī)使用較高電壓的電源時(shí),繞組電流幾乎可以近似直線地上升到預(yù)定值,此時(shí)由流過RS的檢測(cè)電流去控制一個(gè)斬波控制電路即可關(guān)斷T1,從而使繞組電流在續(xù)流回路(L、D1、T2、RS、)中續(xù)流并下降。當(dāng)電流下降到規(guī)定時(shí)間后(達(dá)到某一電流)由脈沖電路產(chǎn)生脈沖至斬波控制電路可使T1接通,如此反復(fù)(由T1的反復(fù)開關(guān))對(duì)繞組電流進(jìn)行斬波控制,就可使電流平均值趨于恒定。外接穩(wěn)壓二極管D2、D3可用作嵌位保護(hù)和內(nèi)部集成續(xù)流回路(外接檢測(cè)電阻RS),從而避免T1開關(guān)所引起的尖峰感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)所造成的尖峰電壓T1的危害。
3 在步進(jìn)電機(jī)中應(yīng)用
步進(jìn)電機(jī)是常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu),它用脈沖頻率控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度,而用脈沖的數(shù)目來決定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。由于拖動(dòng)負(fù)載大小不同,因此,僅僅接上電源是無法工作的,而必須接上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器才能工作。驅(qū)動(dòng)器的輸出可為電機(jī)各相提供相應(yīng)通電順序的勵(lì)磁電流。實(shí)際上,步進(jìn)電機(jī)的工作性能在很大程度上取決于所使用的驅(qū)動(dòng)電路的類型和參數(shù)。步進(jìn)電機(jī)可分為PM型、VR型和HB型三種。其相數(shù)有兩相,三相、四相、五相、六相等,常用的有兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)。
由SI—7300A、PMM8713和80C51構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示,圖中,PD端為SI—7300A輸出電流IO的控制端,可以懸空或接高電平,當(dāng)接高電平時(shí)可以適當(dāng)提高SI—7300A的輸出電流IO。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度可通過80C51的鍵盤輸入,同時(shí)通過軟件可編程控制并行I/O 口P1.0和P1.1,以輸出相應(yīng)頻率的脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)采用42BYG009型時(shí),驅(qū)動(dòng)電壓為24V,此時(shí)該功率驅(qū)動(dòng)電路的矩頻特性如圖6所示。
一、五相混合式步進(jìn)電機(jī)的控制原理
混合式步進(jìn)電機(jī)只有在轉(zhuǎn)子磁鋼和定子磁勢(shì)相互作用下，才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電機(jī)才能運(yùn)行。給一個(gè)特定邏輯脈沖，步進(jìn)電機(jī)便運(yùn)行一步，通電狀態(tài)每循環(huán)一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，改變輪流通電的順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。對(duì)步進(jìn)電機(jī)加一個(gè)連續(xù)不斷的控制脈沖，它可以連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子的平均速度正比于控制脈沖的頻率。因此，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)質(zhì)上是對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)的控制，所以可從以下兩方面對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制：
（一）轉(zhuǎn)速控制
步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度與輸入控制脈沖的頻率成正比。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整控制器發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。在一般情況下，步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中都需有一個(gè)加速-恒速-減速-停止的過程，本文重點(diǎn)討論步進(jìn)電機(jī)的升降速控制。
（二）轉(zhuǎn)向控制
本文所研究的五相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用五相星接半橋驅(qū)動(dòng)，功放橋有十個(gè)輸入端A，B，C，D，E和A，B，C，D，E分別表示上，下橋臂功率管的輸入。當(dāng)上橋臂的五個(gè)控制端中任意加控制脈沖使功率管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的繞組便正向?qū)?；下橋臂控制端加控制脈沖使功率管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的繞組便反向?qū)ā?/p>
步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向與輸入給各相繞組脈沖的先后次序有關(guān)，考慮工程上要求獲得最大的合成轉(zhuǎn)矩，其五相十拍的各相通電順序?yàn)锳BCDE-BCDEA-CDEAB-DEABC-EABCD-ABCDE-BCDEA-CDEAB-DEABC-EABCD（其中A，B，C，D，E表示繞組通以正向電流，A，B，C，D，E則表示繞組中通以反向電流）。如果按給定工作方式正序換相通電，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；如果按反序換相通電，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。
二、五相混合式步進(jìn)電機(jī)的FPGA控制的實(shí)現(xiàn)
由FPGA控制實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖1所示。
如圖1所示，控制系統(tǒng)的核心部件是FPGA，它由兩大功能模塊組成：
⑴轉(zhuǎn)速控制模塊。它在不同速度控制信號(hào)作用下，可將經(jīng)分頻器分頻后的系統(tǒng)時(shí)鐘改變?yōu)椴煌腜WM信號(hào)，將該信號(hào)作為轉(zhuǎn)速控制模塊的變頻時(shí)鐘，達(dá)到改變步進(jìn)電機(jī)速度的目的。
⑵方向控制模塊。在每個(gè)變頻時(shí)鐘周期內(nèi)，脈沖分配器在不同的方向控制信號(hào)下產(chǎn)生不同方向的步進(jìn)時(shí)序脈沖，從而控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。
（一）步進(jìn)電機(jī)的升降速控制的實(shí)現(xiàn)及仿真
步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，若直接將速度升到要求的運(yùn)行速度，啟動(dòng)頻率可能超過極限啟動(dòng)頻率，造成電機(jī)失步或堵轉(zhuǎn)。同樣，如果電機(jī)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)突然停下來，由于慣性，電機(jī)會(huì)發(fā)生過沖，影響位置控制精度。因此步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)必須有加速過程；在停止時(shí)必須有減速過程。步進(jìn)電機(jī)的速度控制是通過改變輸入脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)的。從而可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)平滑啟動(dòng)和停止，以防止失步和過沖現(xiàn)象。
本文工程設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一控制電路，使五相混合式步進(jìn)電機(jī)加速階段運(yùn)行50步（n=50），50步后電機(jī)頻率達(dá)到系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，而后恒速運(yùn)行400步（n=400），然后開始平滑減速50步（n=50）后停轉(zhuǎn)，模型如下圖2。其中fh為電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)頻率；f0為電機(jī)啟動(dòng)頻率。電機(jī)正是從啟動(dòng)頻率開始平滑運(yùn)行50步后達(dá)到系統(tǒng)頻率，減速反之。
（1）步進(jìn)電機(jī)的速度控制電路。由上述原理，步進(jìn)電機(jī)的速度控制硬件原理如圖3所示。
圖3中 ，DVF為數(shù)控分頻器，根據(jù)預(yù)置數(shù)據(jù)的不同，對(duì)輸入時(shí)鐘有不同的分頻比。在設(shè)計(jì)中，利用FPGA的ROM存放不同分頻比所需的預(yù)置數(shù)據(jù)，這樣可以根據(jù)不同的分頻要求靈活地改變存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)量以及大小。
由于步進(jìn)電機(jī)的減速過程是加速過程的逆過程，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器作為預(yù)置數(shù)存儲(chǔ)ROM的地址計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的u_d端為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)，對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)升速過程，u_d端為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行減計(jì)數(shù)，電機(jī)進(jìn)行降速過程。由于勻速過程介于升降速過程之間，當(dāng)升速過程結(jié)束時(shí)，由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)來控制en使能端，使可逆計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)，確保減速過程的正常運(yùn)行。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)入勻速工作狀態(tài)，變速、勻速過程的交替由MUX21選擇器來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)S為高電平時(shí)，電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)S為低電平時(shí)，電機(jī)處于升速或降速過程。而計(jì)數(shù)器COUNT4是用來對(duì)DVF輸出的PWM波形進(jìn)行計(jì)數(shù)，每輸出一個(gè)PWM波形，電機(jī)就走一步，計(jì)數(shù)器就計(jì)數(shù)一次，step就累加一次，進(jìn)而達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)步數(shù)計(jì)數(shù)的要求。
（2）實(shí)驗(yàn)仿真。速度控制模塊的仿真波形圖如圖4。
從圖4可以看出，當(dāng)s為高電平時(shí)，電機(jī)處于變速過程，此時(shí)u_d為高電平，電機(jī)處于均勻加速過程，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行50步后，s為低電平，電機(jī)處于勻速運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)頻率與系統(tǒng)時(shí)鐘頻率一致，電機(jī)勻速運(yùn)行400步后，s再次為高電平，電機(jī)又處于變速過程，此時(shí)u_d為低電平，電機(jī)處于減速過程，減速運(yùn)行50步后，電機(jī)停轉(zhuǎn)。
（二）步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制的實(shí)現(xiàn)及仿真
（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣元 628017）
（Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628017，China）
摘要： 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。
Abstract: As an executive component, stepping motor is one of the key products of mechatronics, and it is widely used in all kinds of automatic control system. With development of microelectronics and computer technology, the demand for stepping motor is increasing, and it is used in various fields of national economy.
關(guān)鍵詞： 單片機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng)
Key words: SCM; stepping motor; control system
中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2011）20-0150-01
0引言
本控制系統(tǒng)是采用單片機(jī)提供電脈沖信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路放大信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過軟硬件結(jié)合使得步進(jìn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)勻速運(yùn)轉(zhuǎn)、加速運(yùn)轉(zhuǎn)、減速運(yùn)轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)切換等功能。本系統(tǒng)硬件主要由最小應(yīng)用系統(tǒng)、鍵盤控制電路和功能電路組成。其中單片機(jī)采用AT89C51驅(qū)動(dòng)，通過由ULN2003芯片組成的放大電路，驅(qū)使三相六拍35BYJ46型步進(jìn)電機(jī)。
1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1硬件設(shè)計(jì)總體思路本系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C51為核心芯片的電路來實(shí)現(xiàn)，硬件電路由單片機(jī)(AT89C51)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成。通過按鍵開關(guān)來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功能。其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，具有以下功能：①按下正轉(zhuǎn)鍵，步進(jìn)電機(jī)勻速正向旋轉(zhuǎn)，然后重新獲取按鍵情況；②按下停止鍵，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后重新獲取按鍵情況；③按下反轉(zhuǎn)鍵，步進(jìn)電機(jī)勻速反向旋轉(zhuǎn)，然后重新獲取按鍵情況；④按下加速鍵，步進(jìn)電機(jī)以當(dāng)前方向加速旋轉(zhuǎn)，然后重新獲取按鍵情況；⑤按下減速鍵，步進(jìn)電機(jī)在加速前提下減速到勻速旋轉(zhuǎn)，然后重新獲取按鍵情況。具體的控制流程圖，如圖2所示。
1.2時(shí)鐘電路MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種方式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用內(nèi)部振蕩方式。MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時(shí)，電路簡單，所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)際使用中常采用這種方式。
1.3復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其目的是使CPU及各專用寄存器處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)。如：把PC的內(nèi)容初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行，除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需要復(fù)位以使其恢復(fù)正常工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用上電復(fù)位電路，以滿足復(fù)位的時(shí)間要求及設(shè)計(jì)質(zhì)量。
1.4鍵盤控制電路獨(dú)立式鍵盤是指各按鍵相互獨(dú)立地接通一條輸入數(shù)據(jù)線，當(dāng)任何一個(gè)鍵按下時(shí)，與之相連的輸入數(shù)據(jù)線即被清0（低電平），而平時(shí)該線為1（高電平），鍵盤電路接一個(gè)與門電路就組成了完整的鍵盤控制電路。
1.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的系統(tǒng)，它主要由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分和驅(qū)動(dòng)電路部分組成。
1.5.1 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制步進(jìn)電機(jī)按四相八拍方式來工作，在A、B、C、D四相繞組上依次輸入脈沖的順序如下所示。
步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)：
■
步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)：
■
由此可見：只要控制脈沖輸出的順序改變就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)正/反轉(zhuǎn)的控制。
1.5.2 驅(qū)動(dòng)芯片AT89C51單片機(jī)通過ULN2003芯片組成的放大電路來驅(qū)動(dòng)三相六拍步進(jìn)電機(jī)。
2軟件設(shè)計(jì)
一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，要完成各項(xiàng)功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時(shí)還必須得到相應(yīng)設(shè)計(jì)合理的軟件的支持，許多由硬件完成的工作，都可通過軟件編程而代替。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖見圖3。
3結(jié)語
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過單片機(jī)AT89C51來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，實(shí)現(xiàn)了占用CPU時(shí)間少，效率高；易控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；提高了步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)精度等。再有，該設(shè)計(jì)過程考慮比較周全，系統(tǒng)中采用上電復(fù)位模式，可瞬間將單片機(jī)初始化。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉寶廷，程樹康．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.
中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0019-02
1 前言
近年來，步進(jìn)電機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域得到了開發(fā)和應(yīng)用，并取得了良好的使用效果。步進(jìn)電機(jī)是一種常見的執(zhí)行元件無論是結(jié)構(gòu)還是操作方法，都比較簡單，其性能也與工業(yè)生產(chǎn)控制要求相適應(yīng)，在工業(yè)技術(shù)中對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，已是一種既定的趨勢(shì)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)揮著重大的用途。與此同時(shí)步進(jìn)電機(jī)調(diào)控也發(fā)生了相應(yīng)的升級(jí)和轉(zhuǎn)變，本文對(duì)單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同步應(yīng)用，以控制軟、硬件，不斷提高步進(jìn)電機(jī)工作效率。
2 單片機(jī)的應(yīng)用意義及原則
2.1 單片機(jī)的應(yīng)用意義
單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同步應(yīng)用，既能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，又是步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)過程中的基本訴求。單片機(jī)的性質(zhì)是集成電路芯片，以具體技術(shù)為依托，對(duì)中央處理器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、中斷系統(tǒng)和定時(shí)器等子系統(tǒng)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。它能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行收集、分析和處理，在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中極具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，達(dá)到良好的應(yīng)用效果。
首先，提高步進(jìn)電機(jī)性能。依據(jù)實(shí)際情況，對(duì)反應(yīng)式、永磁式和混合式等步進(jìn)電機(jī)類型進(jìn)行合理選擇，充分發(fā)揮它的設(shè)計(jì)功能，適應(yīng)社會(huì)需要。如果對(duì)該三種反應(yīng)原理進(jìn)行單一應(yīng)用，步進(jìn)機(jī)將喪失其整體性能，也會(huì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的工作質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響，使它的應(yīng)用效果大打折扣。單片機(jī)能夠依據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作環(huán)境、運(yùn)動(dòng)特性、控制性能和實(shí)際功用等，對(duì)它進(jìn)行局部性的優(yōu)化和升級(jí)，以補(bǔ)強(qiáng)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)整體，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)層面上的一體化，充分發(fā)揮它的使用性能，為工業(yè)生產(chǎn)提供物質(zhì)及技術(shù)支持。
其次，降低步進(jìn)電機(jī)維護(hù)及保養(yǎng)成本，節(jié)省資金。步進(jìn)電機(jī)的材質(zhì)一般比較昂貴。接收電信號(hào)脈沖之后，長期工作周期背景下，運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生明顯變動(dòng)。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的使用效果和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接性影響，產(chǎn)生裂紋或在記錄過程中出現(xiàn)失誤，使步進(jìn)電機(jī)維護(hù)更加困難。在實(shí)際應(yīng)用中需要在特定周期內(nèi)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，確保其具備良好的應(yīng)用效果及安全性。單片機(jī)能夠從結(jié)構(gòu)和功能上對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)，使電機(jī)不再受局部區(qū)域干擾，避免出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)差錯(cuò)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)成本進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約。
2.2 單片機(jī)在步進(jìn)電機(jī)電路中的實(shí)用性原則
設(shè)計(jì)單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的時(shí)候，需要考慮資金要素，要依實(shí)際情況，對(duì)設(shè)計(jì)成本進(jìn)行有效控制，減少不必要的資金浪費(fèi)，使單片機(jī)在步進(jìn)電機(jī)電路中得到充分應(yīng)用。
3 步進(jìn)電機(jī)概述
3.1 步進(jìn)電機(jī)發(fā)展
步進(jìn)電機(jī)別名階躍電動(dòng)機(jī)或脈沖電動(dòng)機(jī)，它能夠?qū)γ}沖信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為角位移或直線位移電機(jī)，也使它的分析過程更加便利。該種步進(jìn)電機(jī)發(fā)展較早，無論是位移量與脈沖數(shù)，還是位移速度與脈沖頻率都呈現(xiàn)正相關(guān)。
步進(jìn)電機(jī)的最初研發(fā)時(shí)間是上世紀(jì)二十年代，距今已有很長年限。上世紀(jì)五十年代，人們開始在步進(jìn)電機(jī)上對(duì)晶體管技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字化控制，使其控制過程更加快捷便利。此后，研究人員再次對(duì)步進(jìn)電機(jī)性能進(jìn)行升級(jí)和改善，使其具備分解性、響應(yīng)性、精度性和可依賴性等多方面優(yōu)勢(shì)。加之，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化控制系統(tǒng)中開始對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行頻繁應(yīng)用，使其逐漸成為機(jī)電一體化中的重要執(zhí)行元素。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)非常明顯，它既能夠提升工作效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，也能夠使位置控制更加快捷、準(zhǔn)確，不斷提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化[1]。
步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在數(shù)控機(jī)床的制造中，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達(dá)。隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在這個(gè)應(yīng)用中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)完成兩個(gè)工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進(jìn)電機(jī)也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機(jī)同步系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也可以并用在其他的機(jī)械上，比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動(dòng)器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中等等。
3.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理
定子和轉(zhuǎn)子是步進(jìn)電機(jī)的主要元件。正常工作狀態(tài)下，如果有電流經(jīng)過，定子繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)矢量磁場，繼而對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生帶動(dòng)，使其在具體作用下旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子和定子的磁極磁場方向會(huì)發(fā)生偏差，形成相應(yīng)的角度。步進(jìn)電機(jī)主要對(duì)通過定子繞組的電流進(jìn)行支配，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度控制。一旦輸入脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子即發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即步距角。完成脈沖信號(hào)給出規(guī)律設(shè)定之后，電流的通過將會(huì)更具規(guī)律性，而轉(zhuǎn)子也會(huì)有規(guī)律的進(jìn)行持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行帶動(dòng)，使步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)工作。如圖1所示，步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)具有持續(xù)性特征，控制難度相對(duì)較大。當(dāng)前的步進(jìn)電動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式是數(shù)字信號(hào)，能夠依據(jù)實(shí)際情況，對(duì)它的定位和運(yùn)轉(zhuǎn)等使用狀態(tài)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。我們對(duì)輸入脈沖的電機(jī)繞組通電順序、頻率和數(shù)量等進(jìn)行合理調(diào)整，對(duì)步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號(hào)而旋轉(zhuǎn)指定的角度進(jìn)行科學(xué)合理的指揮，使其滿足最初訴求。如今，步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)行得益于脈沖信號(hào)。如果沒有輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)將處于定位狀態(tài)。單片機(jī)能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)這一特性進(jìn)行有效控制。對(duì)單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同步應(yīng)用，有助于提高其生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的主要功用是能量轉(zhuǎn)換，而步進(jìn)電機(jī)則作為電路控制元件存在，極具精確性，對(duì)人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活具有正向性影響。
4 基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)電路的設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)可以以硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。但是，基于市場因素考慮，硬件系統(tǒng)不具備經(jīng)濟(jì)性，而它的各項(xiàng)功能也不具備適用性。一旦發(fā)生設(shè)計(jì)變更，則需要對(duì)硬件電路進(jìn)行整體性修改，加大了工作負(fù)擔(dān)，很難實(shí)現(xiàn)便利性。單片機(jī)具備可直接編程優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)\(yùn)算功能進(jìn)行有效執(zhí)行，在具體應(yīng)用過程中，可對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性控制，對(duì)具體的轉(zhuǎn)向、步數(shù)和速度等進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。借助軟件的更改，能夠滿足不同設(shè)計(jì)訴求。設(shè)計(jì)人員對(duì)顯示電路和鍵盤電路進(jìn)行有效結(jié)合，能夠進(jìn)行人機(jī)交換，最大程度降低外部干擾，使其更加可靠、高效。
4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)
電路設(shè)計(jì)中離不開單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它是步進(jìn)電機(jī)電路的起始部分。主要功能是生成步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)需要的脈沖，并對(duì)其加以控制。我們可以借助單片機(jī)的軟件編程功能，對(duì)步進(jìn)電機(jī)所需要的信號(hào)進(jìn)行輸出，使單片機(jī)輸出脈沖數(shù)與步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)正相關(guān)，單片機(jī)輸出脈沖頻率與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度也呈現(xiàn)正相關(guān)。同時(shí)，單片機(jī)也能夠?qū)﹄娏髦颠M(jìn)行有效處理，并借助數(shù)碼管明確顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。
單片機(jī)的主要模塊有復(fù)位電路和晶體振蕩電路。如圖2所示，單片機(jī)最小系統(tǒng)線路圖。
P0口主要對(duì)數(shù)碼管顯示情況進(jìn)行控制，使其顯示結(jié)果更加明確，且極具準(zhǔn)確度；P1口著重控制步進(jìn)電機(jī)中單片機(jī)的編程，使芯片處于良好的讀寫狀態(tài)；P2口作為數(shù)碼管位選，對(duì)公共端工作進(jìn)行有效控制。同時(shí)，它也能夠?qū)呙桦娐锋I盤工作情況進(jìn)行合理控制。P3口著力于模數(shù)轉(zhuǎn)化成芯片的工作控制[2]。
4.1.2 數(shù)碼管顯示電路
數(shù)碼管顯示模塊的主要顯示內(nèi)容有步進(jìn)電機(jī)選擇速度、旋轉(zhuǎn)方向、步進(jìn)電機(jī)電流通過情況。該設(shè)計(jì)中，借助數(shù)碼管對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行顯示，直接點(diǎn)亮數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)位選部分，對(duì)單片機(jī)控制端的地輸出電壓問題進(jìn)行有效控制。因而，需要將輔助三極管添加到位選和單片機(jī)控制端。
4.1.3 串口通信模塊
串口通信模塊的應(yīng)用原理是對(duì)計(jì)算機(jī)和單片機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)二者之間的信息交互和流通。它的應(yīng)用原理是借助計(jì)算機(jī)對(duì)程序進(jìn)行編程，然后對(duì)程序進(jìn)行復(fù)制，在單片機(jī)芯片中對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用。
4.1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)功率比較小，很難對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其運(yùn)行。因此要添加電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，使步進(jìn)電機(jī)信功率不斷放大。集成的驅(qū)動(dòng)芯片價(jià)格比較低，控制難度相對(duì)較小，可以將其作為核心元件應(yīng)用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中。
如圖3所示，該電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)核心由驅(qū)動(dòng)芯片L298和其周圍的電路組成，L298N的管腳IN1，IN2，IN3，IN4和ENA，ENB與單片機(jī)的I/O端口P1口的六個(gè)管腳依次連接相連，接收脈沖信號(hào)。L298N的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)的一相。其中IN1，IN2，IN3，IN4管腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度只要控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。該種連接模式和驅(qū)動(dòng)芯片與單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間的串聯(lián)模式相符合，使電路控制和操作更加簡單和便利。
4.1.5 獨(dú)立按鍵電路
內(nèi)部電路中的按鍵是獨(dú)立的，在單片機(jī)端口上對(duì)其進(jìn)行連接。將其作為外部性按鍵，使內(nèi)部各項(xiàng)模塊具有較好的中斷功能，以對(duì)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，并對(duì)它的速度進(jìn)行科學(xué)調(diào)控，使其電流呈現(xiàn)良好的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行合理控制。它屬于步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)中的輔裝置，具有不可或缺的重要作用。
4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)主要為硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)提供依托和支持。依據(jù)單片機(jī)本身的性質(zhì)和特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行合理編程和讀寫，以充分體現(xiàn)出設(shè)計(jì)功能，并對(duì)其進(jìn)行合理更改，實(shí)現(xiàn)電路控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)具有緊密相關(guān)性。軟、硬件中的任一設(shè)計(jì)模塊都直接關(guān)乎最終設(shè)計(jì)效果和步進(jìn)電機(jī)電路的整體運(yùn)行狀態(tài)。因而，需對(duì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行合理把控，以提升其整體性能。
4.2.1 紅外線編碼
遙控器編碼形式是32位二進(jìn)制碼組，前16位是用戶識(shí)別碼，能夠?qū)Σ煌碾娖髟O(shè)備進(jìn)行有效區(qū)分，避免不同機(jī)種遙控編碼相互干擾。該芯片用戶識(shí)別碼固定高8位地址和低8位地址分別為OBFH和40H，后16位則是8位操作碼和它的反碼。單片機(jī)接收紅外線之后，可按以下方式開展解碼工作：中斷信號(hào)產(chǎn)生-EA清零-延時(shí)短-等待高電平-延時(shí)不足4.5ms-再次等待高電平-延時(shí)0.84ms-P3.2腳電平值讀取，對(duì)32位代碼進(jìn)行依次讀取，前16位是識(shí)別碼，后18位中，數(shù)據(jù)碼和數(shù)據(jù)反碼均為8位[3]。
4.2.2 步進(jìn)電機(jī)程序
步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)的基本訴求是對(duì)旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行判斷，再依據(jù)正確的順序，將其傳送給控制脈沖，繼而對(duì)所需控制步數(shù)進(jìn)行判定，觀察其具體傳動(dòng)情況，直至將要求控制步數(shù)傳送完畢。分別將步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)作為具體執(zhí)行元件和控制器，并將檢測(cè)元件定義為光敏電阻傳感元件背景下的傳感器。而手動(dòng)輸入信號(hào)則是手動(dòng)按鈕，以紅外遙控裝置開展遙控操作，對(duì)時(shí)鐘控制和狀態(tài)顯示的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合限定輔助，使步進(jìn)電機(jī)的手動(dòng)、自動(dòng)和遙控多功能操作更加便利，保障其可靠性。
5 程序原理分析
5.1 程序設(shè)計(jì)思路
依據(jù)電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)的輸入和輸出分別為P1口的前6個(gè)管腳和P1口的后2個(gè)管腳及P2口的前4個(gè)管腳。首先，主程序部分向驅(qū)動(dòng)電路輸出4路高電平，停轉(zhuǎn)電機(jī)。繼而對(duì)定時(shí)器T0的具體工作模式和允許中斷位置高電平進(jìn)行合理設(shè)置，將“停轉(zhuǎn)”狀態(tài)顯示點(diǎn)亮，然后進(jìn)行按鍵掃描，按下按鍵之后，實(shí)現(xiàn)程序段跳轉(zhuǎn)。如果沒有按下按鍵，即會(huì)回歸到程序的初始部分。正轉(zhuǎn)部分需對(duì)正轉(zhuǎn)狀態(tài)指示進(jìn)行點(diǎn)亮，然后執(zhí)行起始脈沖輸出，繼而對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，并對(duì)不同狀態(tài)下的執(zhí)行情況進(jìn)行合理判斷，調(diào)配到定時(shí)器T0賦初始值子程序，對(duì)累加器A中的數(shù)值進(jìn)行累加。幾經(jīng)循環(huán)，使步進(jìn)電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。反轉(zhuǎn)部分的設(shè)計(jì)過程亦是如此。加速和減速中，對(duì)定時(shí)時(shí)間進(jìn)行改變，即可實(shí)現(xiàn)定時(shí)器定時(shí)初始值更改。
5.2 設(shè)定定時(shí)器計(jì)數(shù)初始值
程序設(shè)計(jì)中對(duì)定時(shí)器T0的定時(shí)中斷進(jìn)行選用，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)部性時(shí)間控制。對(duì)T0的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行更改，即可改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。假定步進(jìn)電機(jī)的步距角為7.5°，轉(zhuǎn)一圈耗費(fèi)的脈沖數(shù)量為48。將轉(zhuǎn)速假設(shè)為N（r/min），而每一分鐘脈沖數(shù)據(jù)輸送數(shù)量為48N，每送一個(gè)脈沖信號(hào)需要花費(fèi)的時(shí)間為s。
定時(shí)器T0的技術(shù)初值為。將步進(jìn)電機(jī)最低轉(zhuǎn)速假定為20r/min，最高轉(zhuǎn)速為100r/min，速度級(jí)的界定為5r，共17級(jí)。
6 結(jié)語
步進(jìn)電機(jī)在應(yīng)用層面極具優(yōu)越性，在工業(yè)設(shè)備中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，有助于提高生產(chǎn)質(zhì)量及效率。我們要結(jié)合具體操作背景，對(duì)單片機(jī)的優(yōu)越性進(jìn)行重點(diǎn)分析，在步進(jìn)電機(jī)電路控制系統(tǒng)中對(duì)它進(jìn)行全面應(yīng)用，使步進(jìn)電機(jī)工作性能得到充分提升。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1]洪新華，陳建鋒，等.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].湛江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，（06）：84-87.
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中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2011)24-6017-03
1 緒論
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置分別取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
步進(jìn)電機(jī)主要用于一些有定位要求的場合。例如：線切割的工作臺(tái)拖動(dòng)，植毛機(jī)工作臺(tái)（毛孔定位），包裝機(jī)（定長度）。基本上涉及到定位的場合都用得到。此外還廣泛應(yīng)用于噴涂設(shè)備、醫(yī)療儀、ATM機(jī)、噴繪機(jī)、刻字機(jī)、傳真機(jī)、計(jì)算機(jī)外設(shè)及海量存儲(chǔ)設(shè)備、精密儀器、工業(yè)控制系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化、機(jī)器人等領(lǐng)域。特別適合要求運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音、響應(yīng)快、使用壽命長、高輸出扭矩的應(yīng)用場合。
由于步進(jìn)電機(jī)在生活中有著廣泛的應(yīng)用，所以對(duì)步進(jìn)電機(jī)的研究是非常有意義的。通過這次設(shè)計(jì)，在步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)控制功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，希望能對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的精度能有一定的提高。
2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的整體框架功能概述
本步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示，該設(shè)計(jì)采用了STC89C52單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的控制器。本設(shè)計(jì)要完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)停止的控制，設(shè)計(jì)中用矩陣鍵盤做控制信號(hào)，然后通過單片機(jī)發(fā)出頻率不同的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)相關(guān)功能的控制。
ULN2003是一個(gè)單片高電壓、高電流的達(dá)林頓晶體管陣列集成電路。它是由7對(duì)NPN達(dá)林頓管組成的，它的高電壓輸出特性和陰極箝位二極管可以轉(zhuǎn)換感應(yīng)負(fù)載。單個(gè)達(dá)林頓對(duì)的集電極電流是500mA。達(dá)林頓管并聯(lián)可以承受更大的電流。此電路主要應(yīng)用于繼電器驅(qū)動(dòng)器，字錘驅(qū)動(dòng)器，燈驅(qū)動(dòng)器，顯示驅(qū)動(dòng)器（LED氣體放電），線路驅(qū)動(dòng)器和邏輯緩沖器。
3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)是基于嵌入式單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。采用STC89C52作為本系統(tǒng)的處理器。采用外接的+5V直流電源供電。采用ULN2003作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)采用4位共陽數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。步進(jìn)電機(jī)的控制命令是通過 矩陣鍵盤輸入的。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)將啟動(dòng)我們的報(bào)警電路進(jìn)行聲光報(bào)警。該系統(tǒng)還可以通過RS232串行通信接口與PC機(jī)進(jìn)行通信。
本系統(tǒng)共包括5個(gè)功能模塊，分別是鍵盤模塊、顯示模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、電源輸入模塊、串口通信模塊。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
由于本系統(tǒng)的功能模塊比較多，不能一一介紹，下面以三個(gè)比較重要的功能模塊為代表向大家作一個(gè)介紹。
3.1 鍵盤模塊
如圖3所示為矩陣鍵盤電路。步進(jìn)電機(jī)的控制命令就是通過矩陣鍵盤輸入的，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制命令有啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)速加、轉(zhuǎn)速減、正反轉(zhuǎn)切換。矩陣鍵盤的行線分別與單片機(jī)的RC4～RC7端口相連，列線分別與RC0～RC3端口相連。由于PIC單片機(jī)端口的特殊性，需要在矩陣鍵盤的行線和列線上分別接上5.1K的上拉電阻，以確保沒有鍵按下時(shí)，單片機(jī)讀入的是可靠的高電平。本系統(tǒng)鍵盤識(shí)別方法采用的是線反轉(zhuǎn)法。線反轉(zhuǎn)法分為兩個(gè)操作步驟：①先讓行線編程為輸入線，列線編程為輸出線并使輸出線輸出全為低電平，則行線中電平由高變低的所在行為按鍵所在行。②再把行線編程為輸出線，列線編程為輸入線，并使輸出線輸出為全低電平，則列線中電平由高變低的所在列為按鍵所在列。最后綜合上述兩步的結(jié)果，可確定按鍵所在的行和列，從而識(shí)別出所按的鍵。
3.2 驅(qū)動(dòng)模塊
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖從單片機(jī)輸出后送入光電耦合器進(jìn)行隔離，之后送入U(xiǎn)LN2003進(jìn)行放大，最后就可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行了。光電耦合器能有效的將控制電路與負(fù)載電路隔開，避免了負(fù)載電路對(duì)控制電路的干擾。增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。TLP521-4和ULN2003之間接了4個(gè)2K的電阻是限流作用，用于驅(qū)動(dòng)ULN2003。后面的4個(gè)10K的上拉電阻，可以增強(qiáng)步進(jìn)電機(jī)的抗干擾能力。
ULN2003介紹：
ULN2003是一個(gè)單片高電壓、高電流的達(dá)林頓晶體管陣列集成電路。它是由7對(duì)NPN達(dá)林頓管組成的，它的高電壓輸出特性和陰極箝位二極管可以轉(zhuǎn)換感應(yīng)負(fù)載。單個(gè)達(dá)林頓管最大驅(qū)動(dòng)電壓為50V，集電極最大驅(qū)動(dòng)電流是500mA。達(dá)林頓管并聯(lián)可以承受更大的電流。此芯片主要應(yīng)用于繼電器驅(qū)動(dòng)器，字錘驅(qū)動(dòng)器，燈驅(qū)動(dòng)器，顯示驅(qū)動(dòng)器（LED氣體放電），線路驅(qū)動(dòng)器和邏輯緩沖器等。
ULN2003內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。ULN2003的每對(duì)達(dá)林頓管都有一個(gè)2.7kΩ的串聯(lián)電阻，可以直接和TTL或5V CMOS裝置連接。ULN2003采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管（見內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)示意圖），通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003時(shí)，上拉2K的電阻較為合適，同時(shí)COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。
3.3 顯示模塊
這一部分由4位LED數(shù)碼顯示管組成，我們采用的是共陽的數(shù)碼管。主要顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。我們用P0.4―P0.7來控制 4位LED數(shù)碼顯示管的位選功能。由于單片機(jī)P0口的驅(qū)動(dòng)能力不夠。所以采用PNP型三極管9012來驅(qū)動(dòng)。
位選的工作原理是：9012的發(fā)射極用+5V電源拉高，基極接單片機(jī)的P0.4―P0.7口，因?yàn)镻0口加了上拉電阻所以此時(shí)單片機(jī)輸出的是高電平，9012不導(dǎo)通。當(dāng)程序控制P0.4―P0.7時(shí)，單片機(jī)輸出低電平，基極為低電平，三極管導(dǎo)通，集電極為高電平，位選成功。
我們用P2口作為4位LED數(shù)碼顯示管的數(shù)據(jù)輸出接口，采用定時(shí)來循環(huán)輸出。
顯示模塊電路見圖6。
4 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
如圖7所示為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖。
5 系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)計(jì)算公式
本系統(tǒng)采用的時(shí)鐘為4MHz，那么時(shí)鐘周期為1μS，由于本系統(tǒng)采用的控制器為PIC16F877A，所以系統(tǒng)的指令周期為4μS。
轉(zhuǎn)速計(jì)算：我們采用8拍模式控制：每個(gè)脈沖轉(zhuǎn)0.9°，每個(gè)周期只需8個(gè)脈沖的時(shí)間。設(shè)頻率為f（HZ）轉(zhuǎn)速為N（r/min），則：
（5-1）
單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間的計(jì)算：
方式1工作： 機(jī)器周期：（11.095MHz晶振） （5-2）
設(shè)T0的初值為X：
（1ms定時(shí)） （5-3）
所以X=64536=0×FC18
6 結(jié)束語
本文是基于步進(jìn)電機(jī)在生活中的廣泛應(yīng)用，采用STC89C52單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)控制器，ULN2003作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)、加減速、超速報(bào)警等工作狀態(tài)的有效監(jiān)控。同時(shí)本系統(tǒng)擴(kuò)展的串口通信電路接口和無線收發(fā)模塊電路接口對(duì)步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用也有積極的意義。
參考文獻(xiàn)：
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中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Abstract： The design of this system is to use DSP to control the four phase stepper motor.First，The main controller of the system is TMS320F28335，using DSP output PWM pulse passes the pulse distribution circuit， photoelectric isolation circuit and power amplifier circuit to drive the stepper motor；second，The step motor is controlled by the current sampling circuit，the A/D converter and the over current protection circuit to enhance the stability of the stepping motor，the reliability and the anti-interference ability of the system；finally，the wireless controlling module control step motor running state.It provides a reference for the further application of DSP in the control system of stepping motor.
Key words： TMS320F28335； PWM； Stepper motor； Wireless module
1引言
步進(jìn)電機(jī)的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以電機(jī)的線速度或轉(zhuǎn)速也與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)[1]。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的[2]。近年來，研究人員提出基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3-6]，這種控制相比DSP控制來說
精度較低；基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)
的研究[7-12]，使得步進(jìn)電機(jī)達(dá)到細(xì)分控制的效果；但是目前四相步進(jìn)電機(jī)的控制裝置還
存在一些不足：首先，步進(jìn)電機(jī)的控制策略
單一，調(diào)節(jié)范圍較小，控制精度低，穩(wěn)定性
不夠，而且步進(jìn)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和空間的限制，步進(jìn)分辨率低、缺乏靈活性，難以滿足高精度開環(huán)控制的要求；其次，目前步進(jìn)電機(jī)主要是通過按鍵輸入來控制電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)等，而且在一些環(huán)境比較惡劣或?qū)ι眢w有傷害的地方，人們無法接近步進(jìn)電機(jī)控制器部位，難以實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行；最后，在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的過程中，電機(jī)繞組可能發(fā)生過流，此時(shí)若沒有相關(guān)人員及時(shí)處理可能引發(fā)
事故，傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)靠熔斷器等傳統(tǒng)手段來保證步進(jìn)電機(jī)安全，但其成本高，沒有得到廣泛應(yīng)用。
因此，本文基于以上問題提出基于TMS320F28335的四相步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)，使步進(jìn)電機(jī)操作更加簡便，運(yùn)行更加安全可靠。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F28335，通過脈沖分配電路、光電隔離電路和功率放大電路對(duì)輸出的PWM進(jìn)行處理來控制步進(jìn)電機(jī)，無線控制模塊PTR2000[13-14]工作頻率為國際通用的數(shù)據(jù)傳輸頻率段433 MHz，采用抗干擾能力較強(qiáng)的頻移鍵控制，擴(kuò)展能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)擬選用的主控制器為TMS320F28335，其具有150MHz的高速處理能力，12位16通道ADC，具備32位浮點(diǎn)處理單元，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM）[15]。電機(jī)控制電路包括脈沖分配電路、光電隔離電路和功率放大電路、電流采樣電路和A/D轉(zhuǎn)換器組成的反饋電路。
3.1 脈沖分配電路和光電隔離電路
在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)過程中，脈沖分配電路采用SN74LS194主控芯片，控制出PWM脈沖通過脈沖分配器控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組按照一定順序接通、斷電，使步進(jìn)電機(jī)繞組的通電按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化；光電隔離利用LED與光電探測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)隔離阻障，通過光來傳輸信號(hào)。光電探測(cè)設(shè)備接受LED發(fā)出的光信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)。如圖2所示。
3.2 功率放大電路
步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，其特點(diǎn)是沒有積累誤差，所以廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移。如圖3所示。
3.3 電流采樣電路
電流采樣電路采集到輸出電流信號(hào)時(shí)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路傳輸給DSP與設(shè)定電流信號(hào)作對(duì)比，然后調(diào)節(jié)輸出PWM信號(hào)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。如圖4所示。
3.4 過電流保護(hù)電路
^流保護(hù)電路的輸入端與電流采樣電路的輸出端相接，當(dāng)采樣電流輸出的電流偏大時(shí)，過電流保護(hù)電路立刻把此信號(hào)傳輸給DSP，從而確保步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行安全可靠。如圖5所示。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件主要包括步進(jìn)電機(jī)控制程序、過電流保護(hù)中斷程序和PWM信號(hào)產(chǎn)生程序組成。
4.1 步進(jìn)電機(jī)的控制
當(dāng)上位機(jī)通電后，通過與先設(shè)置的A值進(jìn)行比較，判斷出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)并輸出此時(shí)電機(jī)正反轉(zhuǎn)電流信號(hào)，把此信號(hào)與ADC電流實(shí)際信號(hào)做差值，調(diào)用PWM子程序產(chǎn)生PWM信號(hào)，最后結(jié)合輸出的DSP電機(jī)正反轉(zhuǎn)的信號(hào)一起送到電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。主程序如圖6所示。
4.2 PWM脈沖序列的產(chǎn)生
PWM是利用DSP的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。這個(gè)子程序在DSP事件管理器EAV中完成，初始化程序采用的計(jì)數(shù)模式為遞增計(jì)數(shù)模式。如圖7所示。
4.3 過電流保護(hù)的設(shè)計(jì)
當(dāng)四相步進(jìn)電機(jī)電流過高時(shí)，DSP芯片的引腳將會(huì)接收到一個(gè)低電平信號(hào)，這一信號(hào)將觸發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生保護(hù)中斷。如圖8所示。
5 結(jié) 論
本文通過采用TMS320F28335控制四相步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.通過脈沖分配電路、光電隔離電路和功率放大電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性和精度得到提高，電路簡單，便于應(yīng)用；2.設(shè)置電流采樣電路實(shí)時(shí)檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流并將采集到的電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，再經(jīng)過流保護(hù)電路進(jìn)行比較，當(dāng)電流采
樣電路采集的電流較大時(shí)，過流保護(hù)電路輸出高電平，控制器TMS320F28335控制步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，可靠穩(wěn)定；3.通過無線控制模塊可遠(yuǎn)程控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度的控制，避免了手動(dòng)操作或外部設(shè)置不方便，提高了步進(jìn)電機(jī)控制的便捷性。
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發(fā)票抬頭：
西安科技大學(xué)
作者簡介：
黨威望（1988.12―），男，陜西省渭南市人，西安科技大學(xué)，碩士。研究方向：電機(jī)與電器。
岳改麗（1967.5―），女，陜西省興平市人，西安科技大學(xué)，副教授。研究方向：電力電子及電力傳動(dòng)、現(xiàn)代電源技術(shù)、電路與系統(tǒng)。
作者詳細(xì)通訊地址：
地址：陜西省西安市碑林區(qū)雁塔中路58號(hào)西安科技大學(xué)研究生院 電氣與控制工程學(xué)院 黨威望
中圖分類號(hào) TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1674-6708(2010)17-0101-02
傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制方法是由觸發(fā)器產(chǎn)生控制脈沖來進(jìn)行控制的,難于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,,而且傳統(tǒng)的觸發(fā)器構(gòu)成的控制系統(tǒng),控制電路復(fù)雜、控制精度低、生產(chǎn)成本高等。以微電子芯片為控制核心,以電力電子功率變換器為執(zhí)行機(jī)構(gòu),在自動(dòng)控制理論的框架下組成的控制系統(tǒng),能通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩進(jìn)而控制生產(chǎn)機(jī)械或運(yùn)動(dòng)部件按照人們所希望的規(guī)律運(yùn)動(dòng)?？朔藗鹘y(tǒng)控制器的缺點(diǎn),滿足工業(yè)生產(chǎn)新的控制要求。如今各領(lǐng)域步進(jìn)電機(jī)無處不在,應(yīng)用領(lǐng)域涉及機(jī)器人,工業(yè)電子自動(dòng)化設(shè)備、醫(yī)療器械、廣告器材、計(jì)算機(jī)外部應(yīng)用設(shè)備等。高精度,實(shí)時(shí)監(jiān)控的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。
1 系統(tǒng)原理
步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由AT89S51單片機(jī)及單片機(jī)工作電路和放大電路組成。采用8155作為AT89S51單片機(jī)的擴(kuò)展I/O口來連接鍵盤和LED顯示器。單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2分別連到步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相繞組,單片機(jī)的控制信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)電路輸出到步進(jìn)電機(jī)繞組就可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)在LED顯示器的提示下,由鍵盤設(shè)置步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速和步數(shù);由各個(gè)功能鍵控制系統(tǒng)的運(yùn)行,按啟動(dòng)鍵后,步進(jìn)電機(jī)按照輸入的參數(shù)運(yùn)行。
2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
2.1 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的輸出通道也就是控制步進(jìn)電機(jī)的通道,由于AT89S51的P1口作為輸出通道的控制端口,采用三相六拍的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行并行控制需要單片機(jī)P1口中的三位P1.0、P1.1、P1.2,分別接三相步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相。步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配由單片機(jī)通過軟件控制構(gòu)成環(huán)行分配器,功率放大器選用單電壓功率放大電路。當(dāng)單片機(jī)I/O口輸出為1時(shí),經(jīng)反相器74LS14后變成低電平,發(fā)光二極管不發(fā)光,光敏三極管截止,從而使三極管截止,電機(jī)繞組不通電,反之單片機(jī)I/O口輸出為0時(shí),經(jīng)反相器后變成高電平,三極管導(dǎo)通,電機(jī)繞組通電。循環(huán)使三個(gè)繞組通電就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī),只要按照一定的順序改變?nèi)籌/O口的通電的順序就可以控制步進(jìn)電機(jī)按照一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間加入光電隔離,使驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電壓和單片機(jī)控制系統(tǒng)的電壓之間不會(huì)互相影響,具有更好的抗干擾能力,而且更好保護(hù)單片機(jī)。電阻起限流作用。續(xù)流二極管使電機(jī)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)通過續(xù)流二極管而衰減掉,從而保護(hù)了步進(jìn)電機(jī),也保護(hù)了功率管不受損壞。外接電阻上并聯(lián)一個(gè)200μF電容,可以改善注入步進(jìn)電機(jī)繞組的電流脈沖前沿,提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200Ω電阻可減少回路的放電時(shí)間常數(shù),使繞組中電流脈沖的后沿變陡,電流下降時(shí)間變小,也起到提高高頻工作性能的作用。
2.2 鍵盤電路設(shè)計(jì)
鍵盤分為參數(shù)設(shè)定、正/反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)、停止等功能操作。在開始運(yùn)行之前要求輸入步進(jìn)電機(jī)勻速的運(yùn)行速度和運(yùn)行的總步數(shù),所以要進(jìn)行按鍵輸入數(shù)值以傳入?yún)?shù)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止和正、反轉(zhuǎn),要設(shè)置相應(yīng)的按鍵和開關(guān)進(jìn)行功能鍵處理。
2.3 顯示電路設(shè)計(jì)
采用發(fā)光二極管 LED作為顯示器件,通過單片機(jī)I/O擴(kuò)展芯片8155來點(diǎn)亮LED數(shù)碼管的。點(diǎn)亮LED數(shù)碼管之前,需將數(shù)字碼轉(zhuǎn)換為筆劃信息。系統(tǒng)選用動(dòng)態(tài)顯示方式。8155A的PB0～PB7作為段選碼口,經(jīng)驅(qū)動(dòng)器與LED的段相連。8155的PA4～PA7和PC4作為位選碼口,經(jīng)驅(qū)動(dòng)器與LED的位相連。在掃描過程中,在某一瞬間,只讓某一位的字位線處于選通狀態(tài),其它各位的字位線處于斷開狀態(tài)。同時(shí),字段線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的段選碼。這樣在每一瞬時(shí),5位LED中只有選通的那一位LED顯示出字符,而其它4位則是熄滅的。同樣,在下一瞬時(shí),只顯示下一位LED。如此繼續(xù),等5位LED都依次顯示完畢后,循環(huán)進(jìn)行。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括:主程序、中斷子程序、鍵盤子程序、顯示子程序、報(bào)警子程序、步進(jìn)電機(jī)控制子程度。在系統(tǒng)上電后,首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化,然后掃描鍵盤,使最低位LED顯示器顯示“0”,以提示輸入數(shù)據(jù)。如果按下輸入?yún)?shù)鍵,可以輸入?yún)?shù),則顯示該輸入的數(shù)值并對(duì)連續(xù)的輸入的數(shù)值進(jìn)行處理,直到輸入“確認(rèn)”鍵確認(rèn)后表明參數(shù)值設(shè)定完畢,在內(nèi)存中保存該參數(shù),進(jìn)行其它的處理。通過鍵盤可以進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)的設(shè)置,如按下一次正/反轉(zhuǎn)鍵,則變量值改變一次,即每按下一次正/反轉(zhuǎn)鍵,系統(tǒng)的設(shè)置在正、反轉(zhuǎn)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,相應(yīng)的在顯示器上顯示設(shè)置的是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。用戶可以通過鍵盤查詢參數(shù)的值,在待機(jī)狀態(tài)下連續(xù)按兩次參數(shù)鍵,則在LED顯示器上顯示出輸入的參數(shù)值,以供用戶查詢輸入的參數(shù)正確與否。
4 結(jié)論
基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鍵盤進(jìn)行輸入運(yùn)行參數(shù)、啟動(dòng)、停止等操作。顯示器能夠顯示輸入數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)。通過鍵盤的輸入,控制電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行預(yù)定的工作,實(shí)現(xiàn)對(duì)角位移或線位移的控制。系統(tǒng)采用單片機(jī)等能完成專門功能的控制器和控制電路,使得單片機(jī)對(duì)電機(jī)的控制更易實(shí)現(xiàn),性能價(jià)格比更高。步進(jìn)電機(jī)采用升降速控制,避免了以要求的速度直接啟動(dòng)時(shí)因該速度已超過極限啟動(dòng)頻率不能正常啟動(dòng),并且可能發(fā)生丟步或根本不運(yùn)行以及停止時(shí)發(fā)生偏移的情況。本設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)速度控制,大大改善了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行的平穩(wěn)性,減小了驅(qū)動(dòng)器的體積,增強(qiáng)了抗干擾性能,從而拓展了步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,可以滿足更多場合的需要。
參考文獻(xiàn)
中圖分類號(hào)：TM383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671—7597（2013）021-080-02
步進(jìn)電機(jī)可以將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為角位移或者線性位移，其在開環(huán)工作方面具有出色性能，便于通過數(shù)字設(shè)備對(duì)其進(jìn)行智能控制。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，但是具有較高的定位精度，還可以通過不同方式的信號(hào)輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)方向和移動(dòng)速度調(diào)節(jié)。因此，步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中得到了非常廣泛的應(yīng)用。
完整的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)分為三部分，分別為控制部分、驅(qū)動(dòng)部分以及步進(jìn)電機(jī)部分。本文設(shè)計(jì)分析了一種采用AT89C52型單片機(jī)為控制核心的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。
1 步進(jìn)電機(jī)工作原理及單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)分析
1.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理
步進(jìn)電機(jī)由驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通常驅(qū)動(dòng)模塊會(huì)采用雙極性驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行步進(jìn)驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)在于電機(jī)線圈中的電流可以改變流動(dòng)方向，不同的流動(dòng)方向會(huì)產(chǎn)生不同的驅(qū)動(dòng)效果。利用雙極性驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)四線或六線的多相混合步進(jìn)電機(jī)。本文以兩相步進(jìn)電機(jī)為例。
當(dāng)控制模塊向驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送脈沖信號(hào)時(shí)，若步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行正向轉(zhuǎn)動(dòng)，則根據(jù)其轉(zhuǎn)動(dòng)方式可以確定電機(jī)通電順序?yàn)锳+B+A-B+A-B-A+B-。若需要步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動(dòng)，則步進(jìn)電機(jī)繞組的通電相序則進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，變?yōu)锳+B-A-B-A-B+A+B+。此外，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角頻率是由通電頻率確定的，因此，可以通過改變通電頻率來改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。
1.2 單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)
根據(jù)選定的步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)可以確定AT89C52單片機(jī)所需要產(chǎn)生的相位信息。選用AT89C52的一個(gè)好處是其在接口和控制性能上都要優(yōu)于51單片機(jī)，故其擴(kuò)展性能要更優(yōu)一些。通常步進(jìn)電機(jī)的額定電壓為12 V左右，額定電流為8 A左右，其電流需求較大，但是電壓需求較低。因此需要在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間增加隔離電路和放大電路，以滿足系統(tǒng)需求。因此單片機(jī)控制系統(tǒng)可以通過圖1框圖實(shí)現(xiàn)：
2 硬件電路設(shè)計(jì)
由圖1可知，硬件電路分為輸入輸出部分、單片機(jī)部分、步進(jìn)電機(jī)部分、電源部分等。下面分別對(duì)每部分性能進(jìn)行分析。
2.1 輸入輸出部分
為提高系統(tǒng)的靈活度，便于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行控制和調(diào)整，需要引入輸入設(shè)備，本處選用鍵盤。輸出設(shè)備要求可以顯示當(dāng)前的控制狀態(tài)和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，可以選用LCD設(shè)備進(jìn)行顯示。
通過鍵盤可以對(duì)系統(tǒng)輸入?yún)?shù)指令和控制指令，進(jìn)而控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。而LCE設(shè)備的選用可以根據(jù)AT89C52的接口分布進(jìn)行確定，通過LCD設(shè)備可以顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行速度等信息。
此外，本文選用了一片8279作為鍵盤和顯示器與單片機(jī)之間的接口芯片。通過該芯片可以更好的滿足操作性能和控制性能的均衡需求。
2.2 單片機(jī)部分
單片機(jī)為該系統(tǒng)的核心模塊，本文選用AT89C52單片機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)。AT89C52具有8 KB的RAM和ROM，式中信號(hào)為12 MHz，可以很好的滿足系統(tǒng)需求。如果后續(xù)使用中需要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，C52單片機(jī)還提供有RAM和ROM外擴(kuò)接口。
利用引腳P1.0-P1.7進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)輸出，將引腳P3.0、P3.1、P3.2、P3.3、P3.4等分配給鍵盤控制部分，可以通過鍵盤實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、加減速、停止等功能操作。將引腳P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、等分配給LCD顯示器，可以控制輸出顯示步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行速度。
2.3 步進(jìn)電機(jī)部分
根據(jù)上文分析可知，單片機(jī)無法與步進(jìn)電機(jī)直接進(jìn)行連接，需要通過該隔離、放大電路實(shí)現(xiàn)連接。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于強(qiáng)弱電的隔離通?？梢圆捎霉怆姼綦x的方式，這種方式效果好，受干擾小。對(duì)于放大電路的選取，可以使用集成功放元件也可以根據(jù)實(shí)際需要配置獨(dú)立模塊。
2.4 電源部分
在系統(tǒng)框圖中可以看到，該系統(tǒng)涉及兩種不同的工作電壓，因此需要分別設(shè)計(jì)強(qiáng)電和弱點(diǎn)部分的電源。為滿足系統(tǒng)需求，可以使用集成穩(wěn)壓器和可變輸出電壓模塊分別為單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行供電。需要注意的是，兩個(gè)電源不能共地。
3 軟件程序設(shè)計(jì)
硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)完畢后，需要根據(jù)硬件電路對(duì)單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)編程，以滿足操作和控制需求保證各部分電路可以根據(jù)控制信號(hào)正常進(jìn)行工作。系統(tǒng)軟件部分分為三部分，分別為鍵盤和顯示模塊、系統(tǒng)監(jiān)控模塊、控制信號(hào)生成模塊等。
3.1 鍵盤和顯示模塊
該模塊實(shí)現(xiàn)的功能是，對(duì)鍵盤按鍵進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)無誤后對(duì)輸入鍵值進(jìn)行信號(hào)處理，如，若輸入的是輸入鍵則需要調(diào)用輸入程序、若輸入的是控制鍵則需要調(diào)用控制程序。而顯示模塊則是通過定時(shí)查詢接口數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)、鍵盤輸入數(shù)據(jù)等。
3.2 系統(tǒng)監(jiān)控模塊
系統(tǒng)監(jiān)控模塊在系統(tǒng)啟動(dòng)后就開始運(yùn)行，其主要功能是完成對(duì)鍵盤的掃描，根據(jù)掃描結(jié)果設(shè)置單片機(jī)控制幀內(nèi)容等，以滿足步進(jìn)電機(jī)的操作要求。對(duì)于鍵盤的掃描通常采用中斷的方式實(shí)現(xiàn)，原因在于，中斷服務(wù)程序在單片機(jī)中地位較高，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生中斷時(shí)，單片機(jī)可以進(jìn)行有限相應(yīng)，可以更好的滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和靈活性要求。
3.3 控制信號(hào)生成模塊
該模塊的主要作用是根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容控制單片機(jī)的系統(tǒng)配置和步進(jìn)電機(jī)的工作模式，如設(shè)置單片機(jī)輸出控制幾相電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行頻率等。該模塊主要通過調(diào)整單片機(jī)的控制幀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的控制。
4 總結(jié)
本文設(shè)計(jì)了一種基于AT89C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過鍵盤輸入控制信息，繼而油單片機(jī)根據(jù)輸入信息發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速率、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率等。該系統(tǒng)功能豐富、控制靈活度高、有較強(qiáng)的實(shí)際編程性，可適用范圍廣，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1]何沖，王淑紅，侯勝偉，牛慧文.基于AT89C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].電氣技術(shù)，2012（4）.
中圖分類號(hào)： TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2015）11-0000-00
一種基于PLC和組態(tài)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其控制方案由硬件與軟件相結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)。其控制方式變得直觀且容易操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速功能。
1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
1.1 步進(jìn)電機(jī)原理及其控制
步進(jìn)電機(jī)因?yàn)槠涔ぷ鞯姆绞脚c特點(diǎn)，又被稱之為脈沖電機(jī)，是被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中的電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的作用是將接收到的脈沖轉(zhuǎn)化為具體的角度偏移或線性移動(dòng)?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的方法，一般是通過控制輸送到其驅(qū)動(dòng)器的脈沖個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)控制角位移；通過控制輸入驅(qū)動(dòng)器的脈沖的周期來達(dá)到改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。被廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)中。
1.2 步進(jìn)電機(jī)的控制方式
步進(jìn)電機(jī)的常用控制方式主要有3種，分別為基于電子電路的控制系統(tǒng)，基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)以及基于PLC的控制系統(tǒng)?；陔娮与娐返牟竭M(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，電路簡單；基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)硬件與軟件相結(jié)合的控制方法，通過編寫程序的方式實(shí)現(xiàn)脈沖分配，電路設(shè)計(jì)簡單，但卻有著工作不穩(wěn)定的缺陷?；赑LC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，由PLC、環(huán)形脈沖分配器和功率放大電路構(gòu)成。對(duì)PLC進(jìn)行軟件編程使其輸出所需數(shù)目的電脈沖信號(hào)，通過改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，來實(shí)現(xiàn)控制伺服機(jī)構(gòu)的移動(dòng)量。同時(shí)使用PLC程序編輯控制輸出電脈沖信號(hào)的頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)改變伺服機(jī)構(gòu)的移速。
1.3 THB6064AH芯片
THB6064AH芯片為日本東芝半導(dǎo)體公司推出的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，擁有高細(xì)分、衰減方式連續(xù)可調(diào)、大功率、溫度與電流過保護(hù)功能。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路功能主要有兩個(gè)，分別為脈沖分配與功率放大。上位機(jī)輸入的脈沖信號(hào)，經(jīng)過環(huán)形脈沖分配器進(jìn)行脈沖分配，經(jīng)過功率放大電路對(duì)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行放大，從而實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)。
2硬件電路設(shè)計(jì)
通過腳3腳4的輸入電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減方式的控制，從而可以達(dá)到更好的驅(qū)動(dòng)效果；腳5為電流輸出設(shè)定端以及參考電壓設(shè)置端，輸入的電壓以及電流大小進(jìn)入恒流斬波電路的比較器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流大小的控制；腳7、8、9為細(xì)分?jǐn)?shù)選擇端，通過輸入不同的數(shù)值可以選擇細(xì)分模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)；腳18為使能端Enable，當(dāng)使能端輸入為0時(shí)無脈沖輸出，輸入為1時(shí)正常工作，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)啟停控制。
通過調(diào)節(jié)Vref端口的變阻器使調(diào)節(jié)輸出電流的大小。OSC2端口控制電流的衰減管段時(shí)間，通過串聯(lián)一個(gè)電阻來與內(nèi)部電路形成RC振蕩回路。參考電機(jī)工作時(shí)輸入的脈沖頻率，選擇40KHz時(shí)衰減關(guān)斷，所以對(duì)應(yīng)接51KΩ的電阻串聯(lián)。DY1、DY2位衰減方式控制端，通過控制輸入DY1與DY2的電平來選擇不同的衰減模式，以實(shí)現(xiàn)更好的驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過測(cè)試后選擇40%的快衰減模式可以使電機(jī)運(yùn)行效果更為優(yōu)秀，所以DY1輸入高電平，DY2懸空。M1、M2、M3為細(xì)分?jǐn)?shù)控制端，通過改變M1、M2、M3的輸入電平來改變步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)。細(xì)分越高，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行更加平滑穩(wěn)定，可以減小步進(jìn)電機(jī)震蕩。本次設(shè)計(jì)所采用的為32細(xì)分，所以M1、M3輸入高電平，M2懸空。NFA、NFB分別為A、B繞組的檢測(cè)電阻，選擇0.22Ω/2W的大功率電阻串聯(lián)。SGND、PGNDA、PGNDB接24V地線，VMA、VMB為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，與24V電源正極相連。VDD為芯片電源輸入端，與5V電源正極相連。RESET為復(fù)位輸入，通過PLC輸出來使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在電機(jī)運(yùn)行前復(fù)位，使其不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)步的現(xiàn)象；EN為使能端口，由PLC輸出控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟?？刂?；CLK與CW端口分別為脈沖信號(hào)輸入端口與方向信號(hào)輸入口，PLC通過向這兩個(gè)端口發(fā)送脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速與正反向控制。由于PLC輸出為24V，THB6064AH芯片的工作電壓為5V，所以PLC輸出與芯片間需串聯(lián)電阻，使電壓合適THB6064AH的工作電壓。
3 PLC程序設(shè)計(jì)
3.1 工藝對(duì)象組態(tài)
在PLC1200系列中，用戶可通過添加工藝對(duì)象來控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)給進(jìn)機(jī)構(gòu)的控制。通過定義工藝對(duì)象中的參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)給進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。在工藝對(duì)象中可以定義給進(jìn)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)程，在運(yùn)動(dòng)控制模塊中無需通過計(jì)算所需發(fā)出的脈沖數(shù)量與頻率自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算后再進(jìn)行輸出，所以使用起來十分方便，只需要直接輸入給定的位置以及速度便可自動(dòng)完成動(dòng)作。
3.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊
PTO模塊是集成在運(yùn)動(dòng)控制模塊中。當(dāng)用戶需要使用高速脈沖輸出時(shí)，通過組態(tài)工藝對(duì)象、調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制模塊即可實(shí)現(xiàn)高速脈沖輸出功能，從而實(shí)現(xiàn)控制機(jī)械給進(jìn)。通過控制MC_Power的使能狀態(tài)即可控制運(yùn)動(dòng)控制模塊的使能，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的起?？刂啤xis為控制軸，輸入軸編號(hào)接對(duì)對(duì)應(yīng)的軸進(jìn)行控制。
4 結(jié)語
通過測(cè)試可以正常運(yùn)行。重新接線后通電，通過HMI控制PLC輸出脈沖，脈沖經(jīng)過自制THB6064H電路后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)正常。？