何 沖 王淑紅 侯勝偉 ?；畚?/p>

（太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024）

作為工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的控制電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)具有出色的開環(huán)性能，易于實現(xiàn)數(shù)字化、智能化控制。步進(jìn)電機(jī)組成的控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、造價便宜等特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制成本低、操作靈活，在步進(jìn)電機(jī)的控制中得到了廣泛的應(yīng)用。本文以AT89C52 單片機(jī)作為控制器設(shè)計一種新型的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、鍵盤、顯示、驅(qū)動、PC上位機(jī)等5 個模塊組成，其中PC 上位機(jī)用于編寫及燒錄程序?？刂破魍ㄟ^相應(yīng)的ΙO 接口，將控制指令發(fā)送至驅(qū)動電路，可以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，完成系統(tǒng)的伺服控制?？刂葡到y(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：①控制步進(jìn)電機(jī)的啟動和停止、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度；②顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、方向、轉(zhuǎn)速；③通過軟件實現(xiàn)細(xì)分控制。圖1為控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊主要由AT89C52 單片機(jī)及外圍濾波、電源管理、晶振和復(fù)位電路組成。AT89C52 單片機(jī)具有8KB 內(nèi)存的可編程可擦除只讀存儲器，便于反復(fù)的進(jìn)行程序的編寫。電源管理電路提供的3.5V 和5V 電壓分別給單片機(jī)、晶振、LED 和控制電路供電。12MHz 的晶振給單片機(jī)提供時鐘信號。單片機(jī)的串口用于和PC 上位機(jī)的通信以及燒錄軟件程序。P1 口控制驅(qū)動電路開關(guān)管的通斷。P0 和P2 口控制LCD1602 和LED 組成的顯示模塊。P3 口檢測鍵盤信號及外部中斷信號。

2.2 鍵盤及顯示模塊

控制系統(tǒng)設(shè)置了5 位獨(dú)立按鍵組成的鍵盤模塊以及由LCD1602 和5 位LED 組成的顯示模塊。通過鍵盤可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止功能的操作。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時的狀態(tài)信息可以通過顯示模塊直觀的顯示出來。圖2為鍵盤及顯示模塊硬件原理圖。

圖2 鍵盤及顯示模塊硬件原理圖

鍵盤模塊的特點(diǎn)在于用單片機(jī)的兩個外部中斷來控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加、減速，即每引入一次外部中斷，步進(jìn)電機(jī)加/減速一次。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止按鍵分別由單片機(jī)的P3.0、P3.1、P3.4 口引入。加速、減速按鍵分別由單片機(jī)的P3.2 和P3.3 口引入。

LCD1602 的數(shù)據(jù)/命令選擇端、讀寫選擇端、使能信號分別接在單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2 口上，數(shù)據(jù)口接在單片機(jī)的P0 口上。LCD1602 可以顯示步進(jìn)電機(jī)的5 種運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行速度。5 位LED通過74LS138 接在單片機(jī)的P2.3—P2.5 口上，5 位LD 分別用于表示步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止5 種運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 驅(qū)動模塊

控制系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動模塊采用雙極性驅(qū)動的方式。雙極性驅(qū)動是指步進(jìn)電機(jī)線圈中電流的流動方向不是單向的，即繞組中的電流有時沿某一方向流動，有時沿相反的方向流動。雙極性驅(qū)動電路可以同時驅(qū)動四線式或六線式的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。

控制系統(tǒng)所選用的二相混合式步進(jìn)電機(jī)工作時的額定電壓為12V，繞組的阻值為1.5Ω，額定電流為8A。由于該步進(jìn)電機(jī)工作時的電流較大，因此需要選擇額定電流較大的功率開關(guān)管，否則步進(jìn)電機(jī)工作時較大的工作電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)極易燒毀開關(guān)管。功率開關(guān)管BUW49 工作時的額定電壓為80V，額定電流為30A，屬于高電流型功率開關(guān)管，因此完全能夠滿足需要。

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，當(dāng)控制電路給驅(qū)動電路發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號時，電機(jī)繞組的通電順序為A+B+→A-B+→A-B-→A+B-，其4 個狀態(tài)按順序進(jìn)行循環(huán)，電機(jī)則正向轉(zhuǎn)動。若相序變?yōu)锳+B-→A-B-→A-B+→A+B+，電機(jī)則逆向轉(zhuǎn)動。因此，當(dāng)單片機(jī)AT89C52 的引腳P1.0 至P1.7 輸出的脈沖時序依次為10011001→01101001→01100110→ 10010110 時，控制各個開關(guān)管依次導(dǎo)通，產(chǎn)生相應(yīng)的正向通電時序，從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。同樣，當(dāng)單片機(jī)的引腳輸出的脈沖時序相反時，電機(jī)則反向旋轉(zhuǎn)。圖3為驅(qū)動電路硬件原理圖。

圖3 驅(qū)動電路硬件原理圖

控制系統(tǒng)的硬件原理圖由電子技術(shù)虛擬仿真軟件Proteus 7.5 進(jìn)行仿真，仿真時兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)按照控制系統(tǒng)所選用的步進(jìn)電機(jī)實際參數(shù)設(shè)置。經(jīng)過仿真得出該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)、停止、加/減速的控制，并且控制非常靈敏、工作可靠、不會出現(xiàn)誤操作。步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時的運(yùn)行狀態(tài)、速度參數(shù)以及按鍵的操作狀態(tài)能夠以英文的形式非常直觀的顯示在LCD1602 和5 位LED上。通過分析仿真時虛擬示波器測出的A、B 兩相的繞組電壓波形得知，步進(jìn)電機(jī)在系統(tǒng)仿真運(yùn)行的過程中具有良好的動態(tài)響應(yīng)。圖4為控制系統(tǒng)整體硬件原理圖。

圖4 控制系統(tǒng)整體硬件原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 步進(jìn)電機(jī)工作方式

由于按雙四拍方式工作時步進(jìn)電機(jī)不容易失步，并且控制精度較高，因此步進(jìn)電機(jī)采用雙四拍的工作方式。這種工作方式每次都有兩相繞組導(dǎo)通，兩相繞組處在相同的電壓之下，以A+B+→A-B+→ A-B-→A+B-（或反向）方式導(dǎo)通。當(dāng)A、B 繞組完成一次通電循環(huán)以后，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子則前進(jìn)一個步距角。其步距角θ為

式中，m為定子相數(shù)；z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

3.2 運(yùn)行方向控制

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向由其內(nèi)部繞組的通電順序及通電方式?jīng)Q定。由于兩相雙四拍步進(jìn)電機(jī)不容易失步，控制精度比較高，所以本文采用兩相雙四拍的工作方式對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

兩相雙四拍工作方式如下。

正向旋轉(zhuǎn)：A+B+→A-B+→A-B-→A+B-

反向旋轉(zhuǎn)：A+B-→A-B-→A-B+→A+B+

兩相雙四拍控制模型如表1所示。

3.3 運(yùn)行速度控制

控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，實際上是控制驅(qū)動脈沖的發(fā)出頻率或換相周期，即在加速的過程中，使驅(qū)動脈沖的發(fā)出頻率升高；在減速的過程中，使驅(qū)動脈沖的發(fā)出頻率降低。對驅(qū)動脈沖頻率的控制可以通過軟件延時和硬件中斷的方式來實現(xiàn)。

（1）正轉(zhuǎn)運(yùn)行 步序 通電 方式 二進(jìn)制 十六進(jìn)制 單片機(jī)P1 口 1 A+B+ 10011001 0x99 2 A-B+ 01101001 0x69 3 A-B- 01100110 0x66 4 A+B- 10010110 0x96 （2）反轉(zhuǎn)運(yùn)行 步序 通電 方式 二進(jìn)制 十六進(jìn)制 單片機(jī)P1 口 1 A+B- 10010110 0x96 2 A-B- 01100110 0x66 3 A-B+ 01101001 0x69 4 A+B+ 10011001 0x99

軟件延時是指根據(jù)所需的延時時間常數(shù)編寫一個延時子程序，當(dāng)CPU 執(zhí)行延時子程序時，系統(tǒng)達(dá)到延時的目的。采用軟件延時方式，CPU 一直被占用，使得CPU 的利用率降低。

可編程的硬件定時器可以對系統(tǒng)的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)值可以通過編程的方式設(shè)定。當(dāng)計數(shù)到預(yù)定的脈沖數(shù)時，定時器產(chǎn)生中斷信號，系統(tǒng)得到所需的延時時間。定時器延時可以提高CPU 的利用率。

3.4 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)程序設(shè)計的思想是：①對單片機(jī)進(jìn)行初始化：首先應(yīng)該關(guān)中斷，然后對用到的一些寄存器和功能模塊進(jìn)行初始化，最后再開中斷，并且給定步進(jìn)電機(jī)的速度初值和每次加速/減速時速度變化的幅值；②調(diào)入子程序：分塊調(diào)入方向、速度、鍵盤、顯示的子程序。速度控制程序?qū)懭胪獠恐袛喑绦蛑?，這樣可以在不改變運(yùn)動方向的前提下改變速度的參數(shù)；③等待功能按鍵按下：采用查詢方式編寫按鍵程序，通過按鍵程序掃描等待功能按鍵的按下；④執(zhí)行按鍵功能：在程序檢測到有按鍵被按下后，執(zhí)行相應(yīng)的功能，并且顯示步進(jìn)電機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)信息。圖5為系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖。

4 實驗驗證

在實驗中本系統(tǒng)選57HS56DF101TK-01 混合式步進(jìn)電機(jī)作為控制對象。該步進(jìn)電機(jī)為兩相四線步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，額定電流為8A，靜轉(zhuǎn)矩為10kg·cm。圖6為控制系統(tǒng)實物圖。

圖5 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖

圖6 控制系統(tǒng)實物圖

實驗時，測得電機(jī)繞組阻值Rs為1.5Ω，系統(tǒng)選擇12V 直流電源供電，符合步進(jìn)電機(jī)的要求。圖7為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時A 相的電壓波形圖。圖8為步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)矩角特性曲線圖。

圖7 步進(jìn)電機(jī)A 相電壓圖

圖8 步進(jìn)電機(jī)矩角特性曲線圖

實驗結(jié)果說明，本控制系統(tǒng)在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過程中可以實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制，改變步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，控制精確，能夠較好的滿足工作要求。

5 結(jié)論

本文基于AT89C52 單片機(jī)設(shè)計的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有體積小、可靠性高、功能豐富、造價便宜等特點(diǎn)，適用范圍廣，具有很強(qiáng)的實用價值和經(jīng)濟(jì)價值。

[1] 王曉明.電動機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[2] 王宗培.步進(jìn)電動機(jī)及其控制系統(tǒng)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1986.

[3] 李仁定.電動機(jī)的微機(jī)控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[4] 彭偉.單片機(jī)C 語言程序設(shè)計實訓(xùn)100 例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[5] 郭天祥.新概念51 單片機(jī)C 語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.