摘 要:步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。采用AT89C52單片機內(nèi)部的定時器改變CP脈沖的頻率從而實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)速進行控制，實現(xiàn)了電機調(diào)速與正反轉(zhuǎn)的功能，并使用EDA軟件Proteus對設(shè)計進行了仿真，同時還設(shè)計了硬件電路。結(jié)果表明，使用Proteus仿真結(jié)果與硬件電路實驗結(jié)果基本一致。先采用Proteus仿真，再移植到相應(yīng)的硬件電路，這種方式可以減小系統(tǒng)開發(fā)成本和周期，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞:步進電機;單片機;調(diào)速系統(tǒng);Proteus

中圖分類號:TP27文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-104-03

Design of Control System of Stepper Motor Based on Proteus and Single Chip Microcomputer

YANG Hong，LI Guohui

(Xi′an University of Post and Telecommunications，Xi′an，710061，China)

Abstract:Stepper motor is the open-loop control device changing the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement.The speed of stepper motor is controlled by turning the CP pulse frequency by the internal timer of AT89C52 single chip microcomputer，and its normal-reverse function is realized.The simulation is done by the Proteus software of EDA，and the hardware circuit is also designed.The results show that the simulation results by Proteus software and the hardware experimental results are basically consistent.The simulation is used firstly by Proteus，and it is transplanted into the corresponding hardware circuit.This way can reduce system′s developing costs and cycle，and has a certain promoting value.

Keywords:stepper motor;single chip microcomputer;speed regulating system;Proteus

0 引 言

步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進電機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時步進電機一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)動一定的角度[1]。步進電機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)，因此非常適合于單片機控制。步進電機作為一種高可控性的特種電機，利用其沒有誤差積累(精度為100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

英國Labcenter electronics公司推出了嵌入式設(shè)計仿真與開發(fā)平臺Proteus，用戶可以根據(jù)需要搭建開發(fā)平臺，將編譯好的目標代碼加載到芯片中。目前支持的編譯器有Keil，GNU以及IAR等。在Proteus軟件中還可以查看多種調(diào)試信息，如源代碼執(zhí)行情況、CPU寄存器信息、變量值以及FLASH與RAM中的信息等。大量的元件庫支持大型設(shè)計，而且在仿真中還可以觀察各元件的狀態(tài)。先通過Proteus仿真，再移植到相應(yīng)的硬件電路，這種方式可以減小系統(tǒng)開發(fā)開支和周期，值得推廣。

1 系統(tǒng)的總體方案

該設(shè)計如圖1所示，將單片機AT89C52產(chǎn)生的驅(qū)動脈沖通過功率放大器放大，從而驅(qū)動步進電機。通過4個按鍵，實現(xiàn)步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等功能，通過軟件與硬件相結(jié)合的控制方法，實現(xiàn)了運用單片機對步進電機的穩(wěn)定控制，實現(xiàn)grade 0~grade 9十級變速，轉(zhuǎn)速分別是3 r/min，5 r/min，8 r/min，10 r/min，12 r/min，15 r/min，30 r/min，40 r/min，60 r/min，120 r/min，變速范圍較廣，并采用LCD1602顯示屏即時顯示控制電動機的轉(zhuǎn)動信息。系統(tǒng)軟件編寫遵循模塊化設(shè)計的原則，代碼具有良好的易維護性和可移植性。本系統(tǒng)操作方便，可靠性高，其設(shè)計精度可以滿足一般工業(yè)控制的要求，能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，實現(xiàn)了對步進電機的良好控制。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括單片機最小系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動電路、LCD顯示電路、鍵盤電路等，系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路圖

2.1 驅(qū)動電路的設(shè)計

步進電機不能直接采用直流或者普通交流來供電，必須采用專門的步進電機驅(qū)動控制器，其驅(qū)動控制器一般包括脈沖發(fā)生與分配單元、功率驅(qū)動單元，閉環(huán)控制電路中還將加入反饋和保護單元。大多數(shù)步進電機運動控制系統(tǒng)都運行在開環(huán)狀態(tài)下，因為成本較低，并無須反饋，故本設(shè)計采用了開環(huán)控制方式。

(1) 脈沖分配器

脈沖分配器又稱環(huán)形分配器。步進電機正常工作需要按照步進電機的勵磁狀態(tài)表所規(guī)定的狀態(tài)和順序依次對各相繞組進行通電或者斷電控制，各相驅(qū)動信號來源于脈沖分配器。脈沖分配器的主要功能是把來源于控制環(huán)節(jié)的時鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進電機驅(qū)動器的各相輸入端，控制勵磁繞組的導(dǎo)通或者截止。脈沖分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計數(shù)器，只是這種計數(shù)器的輸出不是一般的編碼，而是步進電機激勵磁狀態(tài)要求的特殊編碼。

由于單片機的硬件資源完全夠用，采取軟件實現(xiàn)環(huán)形脈沖分配器的功能，使得硬件設(shè)計更為簡潔。

(2) 激勵方式

二相六線永磁式步進電機的激勵方式有一相、二相、一至二相三種。一相激勵方式是指每一時刻四相中只有一相接通，步進電機以此方式工作時，溫升較高，電源功率功耗小，但是當(dāng)速度較高時容易產(chǎn)生失步;二相激勵方式是指每一個時刻四相中有兩相導(dǎo)通，然后按四相的順序循環(huán);一至二相激勵方式使步進電機工作在半步狀態(tài)，與整步工作狀態(tài)相比較，半步狀態(tài)振動較小，且控制更準確。本設(shè)計中選用一至二相激勵方式驅(qū)動步進電機。

(3) 功率驅(qū)動單元

一般脈沖分配器輸出的驅(qū)動能力有限，不能直接驅(qū)動步進電機，而需要經(jīng)過一級功率放大，即功率驅(qū)動電路。單極性和雙極性是步進電機最常采用的兩種驅(qū)動架構(gòu)，本設(shè)計選用單極性功率驅(qū)動電路，將單片機產(chǎn)生的脈沖信號通過達林頓管ULN2803放大，然后驅(qū)動步進電機。

2.2 顯示電路及控制按鍵

(1) 本設(shè)計的顯示部分采用RT1602字符顯示模塊，與采用數(shù)碼管相比，硬件連接和軟件調(diào)試上都有優(yōu)勢。只要把要顯示的內(nèi)容放進液晶模塊的顯示存儲器里面就可以直觀地顯示出指定的內(nèi)容，操作方便。LCD的數(shù)據(jù)端連接到AT89C52的P00~P07口上。

(2) 鍵盤采用獨立式鍵盤，分別接到AT89C52的P2.4~P2.7口而實現(xiàn)。通常按鍵所用的開關(guān)為機械彈性開關(guān)，因此機械觸點斷開、閉合時均會有一系列的抖動。

抖動時間長短由按鍵的機械特性決定，一般是5~10 ms。為了確保CPU對鍵的一次閉合只做一次處理，必須去除鍵盤抖動。一般多采用軟件消抖。軟件消抖的方法是指，檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個10 ms左右(具體時間可以調(diào)整)的延時程序產(chǎn)生延時，等電壓穩(wěn)定后再讀取按鍵的狀態(tài)，從而消除抖動。

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計，系統(tǒng)主程序主要完成的內(nèi)容有:系統(tǒng)參數(shù)初始化、打開中斷、啟動電機等。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示?？梢钥闯?，主程序是一個死循環(huán)，在系統(tǒng)上電初始化完畢后，系統(tǒng)一直在不斷的執(zhí)行這個循環(huán)程序。在循環(huán)過程中，若產(chǎn)生中斷，則程序就轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。

圖3 主程序流程圖

3.2 調(diào)速程序設(shè)計

(1) 電機正反轉(zhuǎn)控制

步進電機正向轉(zhuǎn)動時，單片機P1口輸出序列為:0xf3，0xf1，0xf9，0xf8，0xfc，0xf4，0xf6，0xf2;將單片機脈沖反向輸出即可實現(xiàn)步進電機的反向轉(zhuǎn)動。

(2) 電機加減速控制

定時器初始值定義后，改變定時器循環(huán)次數(shù)，即可實現(xiàn)步進電機的加減速調(diào)節(jié)。輸出頻率延時序列為:40，24，15，12，10，8，4，3，2，1，對應(yīng)的電機速度為:3 r/min，5 r/min，8 r/min，10 r/min，12 r/min，15 r/min，30 r/min，40 r/min，60 r/min，120 r/min。

4 Proteus仿真結(jié)果和硬件電路實驗結(jié)果及分析

4.1 Proteus仿真結(jié)果

當(dāng)連接好仿真圖和載入AT89C52的執(zhí)行文件后，單擊Proteus的仿真啟動按鈕，則開始對本系統(tǒng)的仿真。其運行流程如下:

(1) 首先進入啟動界面，本系統(tǒng)每次啟動后將進入待機界面，同時步進電機進入待機狀態(tài)，如圖4所示。

(2) 當(dāng)按下K1/啟動停止鍵后，此時系統(tǒng)將開始驅(qū)動電機，電機將以0級速度3 r/min正轉(zhuǎn)，如圖5所示，LCD的第一行顯示的是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速級別，第二行顯示轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。其中數(shù)字代表轉(zhuǎn)速值，前面的正負號代表轉(zhuǎn)向。

(3) 每按一次K3/速度加后，電機的速度將提高一個級別，當(dāng)連續(xù)按下7次后，電機將以6級速度30 r/min正轉(zhuǎn)，直到9級最高速120 r/min。每按一次K4/速度減后，電機的速度將降低一個級別，直到0級最低速3 r/min。在電機運行的任何時刻可以按下K2/正反鍵，使電機在正反轉(zhuǎn)動之間轉(zhuǎn)換。

圖4 啟動仿真后LCD顯示

圖5 電機以最低速正轉(zhuǎn)

(4) 在電機運行的任何時刻可以按下K1/啟動停止鍵，此時電機將暫停運行。再次按下K1/啟動停止鍵，步進電機將以暫停前的速度繼續(xù)運行。

4.2 硬件電路實驗結(jié)果

在Proteus軟件平臺仿真成功后，為了對比仿真設(shè)計和硬件電路實物的差別，還設(shè)計了硬件電路。硬件電路能夠?qū)崿F(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)控制、加減速控制。因篇幅限制，硬件實物圖略。

4.3 結(jié)果分析

(1) 由于仿真是基于軟件實現(xiàn)的，所以與在硬件實物上運行的真實系統(tǒng)比較，仿真系統(tǒng)在實時性上有所降低，尤其本系統(tǒng)采用中斷方式控制轉(zhuǎn)速，計時器功能與實際相比，存在一定延時和誤差，故造成仿真中電機的轉(zhuǎn)速與硬件實物的轉(zhuǎn)速有較大的誤差。

(2) 在仿真設(shè)計中，鍵盤不采用消抖設(shè)計對信息的采集不產(chǎn)生任何影響。而硬件實物的按鍵如果不消抖，則會出現(xiàn)按鍵不準確，對整體設(shè)計的穩(wěn)定性有較大影響。

(3) 仿真設(shè)計中，電機在轉(zhuǎn)速較高的場合下，會出現(xiàn)失步或抖動。而在硬件實物中，本設(shè)計電機控制的精度良好，沒有出現(xiàn)失步或抖動。在本系統(tǒng)所要求的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速控制的精度還是達到了較好的效果。

5 結(jié) 語

本設(shè)計用單片機AT89C52及外部擴展設(shè)備實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)速控制，在硬件上采用了大功率達林頓管單極性驅(qū)動電路，解決了電機驅(qū)動的效率問題，在軟件上也采用了較為合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法，用軟件編程完成了轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向驅(qū)動，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)速的最優(yōu)化調(diào)節(jié)，提高了單片機的使用效率。同時還實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的鍵盤輸入控制，轉(zhuǎn)速即時顯示等功能。最后通過Proteus進行仿真，取得了良好的結(jié)果，與硬件實物結(jié)果基本一致。先采用Proteus仿真，再移植到相應(yīng)的硬件電路，這種方式可以減小系統(tǒng)開發(fā)開支和周期，具有一定的推廣價值。

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