莊煥偉，戚宇恒

(廣東技術(shù)師范學(xué)院工業(yè)中心，廣州 510665)

1 引言

步進(jìn)電機具有控制簡單、無累積誤差等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人、自動化儀表等領(lǐng)域。對步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的研究開發(fā)也取得了大量成果，主要有基于微控制器，如單片機［1］、DSP［2］、ARM［3］、CPLD［4］以及基于PLC［5－7］的兩大類步進(jìn)電機控制系統(tǒng)。這些控制系統(tǒng)，一個明顯的特點就是對電機轉(zhuǎn)速或?qū)﹄姍C轉(zhuǎn)動量的單一控制。在實際應(yīng)用中，往往希望步進(jìn)電機控制系統(tǒng)，能像伺服驅(qū)動器一樣，有多種控制模式，能對步進(jìn)電機進(jìn)行不同模式控制?；诤唵?、價廉、通用性考慮，設(shè)計開發(fā)了一種基于AT89C51 單片機的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有速度和位置兩種控制模式，可自由切換，實現(xiàn)一個控制系統(tǒng)，滿足對步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)動量的控制。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本控制系統(tǒng)以兩相步進(jìn)電機為控制對象，以單片機為控制核心。系統(tǒng)工作時，AT89C51 單片機實時檢測外圍按鍵狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定為速度控制模式時，可通過按鍵選定不同的段速和方向，按下啟動按鍵，步進(jìn)電機以選擇的速度和方向運轉(zhuǎn)直至松開啟動按鍵。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定為位置控制模式時，可通過按鍵指定電機的運轉(zhuǎn)量和方向，按下啟動按鍵時，步進(jìn)電機朝指定的方向以特定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，當(dāng)運轉(zhuǎn)量到達(dá)時，電機停止。為簡化系統(tǒng)，步進(jìn)電機的驅(qū)動脈沖由AT89C51 單片機產(chǎn)生，此外，加入液晶顯示屏，實時顯示當(dāng)前的控制模式和電機運行狀態(tài)，使系統(tǒng)有友好的人機界面。

系統(tǒng)主要由四大模塊組成:控制模塊、按鍵輸入模塊、液晶顯示模塊和電機驅(qū)動模塊，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

3 硬件電路設(shè)計

依該系統(tǒng)的功能要求和下階段仿真需要，使用Proteus 軟件進(jìn)行系統(tǒng)電路設(shè)計，設(shè)計的電路原理圖如圖2 所示。因系統(tǒng)按鍵不多，按鍵輸入模塊采用獨立鍵盤形式，液晶顯示模塊選用1602 液晶，電機驅(qū)動模塊選用專門的電機驅(qū)動芯片L298N。

3.1 按鍵輸入模塊

輸入模塊由五個獨立按鍵組成，命名為UP、DOWN、MODE、DIR 和START，分別代表參數(shù)增、參數(shù)減、模式選擇、方向選擇和啟動信號。因模式和方向都只有兩種狀態(tài)，且考慮到人們的實際操作習(xí)慣，采用開關(guān)按鍵。

3.2 電機驅(qū)動模塊

系統(tǒng)采用的電機驅(qū)動芯片L298N是高電壓、大電流雙全橋驅(qū)動芯片，它主要把從單片機發(fā)出的驅(qū)動脈沖進(jìn)行電流放大，然后驅(qū)動步進(jìn)電機。電路連接上，把它的ENA、ENB 引腳連接電源正端，使步進(jìn)電機的運行方向僅取決于單片機輸出驅(qū)動脈沖的順序。

圖2 系統(tǒng)的電路原理圖

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序主要完成按鍵檢測、液晶顯示、驅(qū)動脈沖輸出。為節(jié)省單片機CPU 資源，保證系統(tǒng)的實時性，軟件程序包括主程序和中斷程序。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、按鍵檢測、位置模式的驅(qū)動脈沖輸出等功能，而中斷程序主要完成液晶顯示及速度模式的驅(qū)動脈沖輸出。主程序和中斷程序流程圖如圖3 和圖4 所示。

4.1 模式方向檢測函數(shù)

系統(tǒng)有兩種模式狀態(tài)、兩個運動方向，有四種組合情況。在程序設(shè)計上，可設(shè)定一個參數(shù)，不同組合情況，賦予參數(shù)不同的數(shù)值，下一步的程序處理，依獲得的參數(shù)數(shù)值決定。模式方向檢測函數(shù)具體程序如下:

圖3 主程序流程圖

圖4 定時器中斷程序流程圖

4.2 速度模式下不同段速實現(xiàn)

改變步進(jìn)電機的速度，只需改變控制它的驅(qū)動脈沖頻率，而改變頻率，即改變相應(yīng)驅(qū)動數(shù)組的調(diào)用時間。系統(tǒng)采用單片機定時器中斷來實現(xiàn)不同的調(diào)用時間。單片機定時器0 作一個固定時間的定時中斷，每次定時中斷，參數(shù)i 加1，當(dāng)參數(shù)值等于電機指定速度對應(yīng)頻率參數(shù)值時，輸出驅(qū)動編碼。

如定時器0 中斷時間為0.5ms，步進(jìn)電機步距角為1.8°，為使電機轉(zhuǎn)速為120r/min;則由120r/min 得到電機每轉(zhuǎn)的時間為0.5s，于是電機每步周期為0.5s/(360°/1.8°)=2.5ms，故頻率參數(shù)值為2.5ms/0.5ms=5;定時器0 中斷實現(xiàn)電機的不同段速程序如下:

5 仿真測試

在完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用Proteus 軟件的仿真功能，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真測驗和調(diào)試。具體的仿真過程是:在Proteus 中，雙擊單片機AT89C51，打開其屬性編輯框，在“Program File”欄中選擇在Keil 軟件中調(diào)試編譯成功所生成的目標(biāo)代碼hex 文件，并將單片機時鐘頻率改為12MHz，再在Proteus 中點擊開始仿真按鈕，啟動仿真。仿真過程中，用鼠標(biāo)單擊電路圖中的按鍵，電機依程序運轉(zhuǎn)起來，液晶屏實時顯示當(dāng)前電機運行模式及運行情況。系統(tǒng)處于速度模式和位置模式時液晶屏顯示情況分別如圖5 和圖6 所示，速度模式顯示的數(shù)值表示當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速，位置模式顯示的第一個數(shù)值表示指定電機的運轉(zhuǎn)量，第二個數(shù)值表示電機已經(jīng)運轉(zhuǎn)的圈數(shù)，“+”“－”符號表示電機運轉(zhuǎn)方向正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

圖5 速度模式液晶顯示界面

圖6 位置模式液晶顯示界面

6 結(jié)束語

設(shè)計開發(fā)的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對步進(jìn)電機不同模式的控制。利用Proteus 軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并取得仿真實驗成功。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低，且系統(tǒng)的按鍵輸入模塊可用傳感器等檢測輸入模塊代替，可擴(kuò)展性強，有很大的實際應(yīng)用價值

［1］高琴，劉淑聰，彭宏偉.步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動化，2012，34(1):150－152.

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［4］董亮輝，劉景林，李昱.步進(jìn)電機寬調(diào)速多細(xì)分控制系統(tǒng)研究［J］.測控技術(shù)，2012，31(1):66－69.

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［6］王紅梅，方貴盛.基于PLC 與步進(jìn)電機的氣動搬運機械手控制［J］.液壓與氣動，2009，(11):25－27.

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