山東省威海職業(yè)學(xué)院 李松源

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

山東省威海職業(yè)學(xué)院 李松源

步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，其主要功能就是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移，以此對(duì)電流進(jìn)行控制。將單片機(jī)嵌入步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中可以提高步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制。

步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；控制系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)被廣泛地應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床中，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)可以直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移。單片機(jī)具有強(qiáng)大的控制功能，而且還可以設(shè)計(jì)大量的外圍電路，因此其應(yīng)用到步進(jìn)電機(jī)中能夠提高電機(jī)的控制性能，對(duì)改進(jìn)與發(fā)展數(shù)控機(jī)床加工精度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 步進(jìn)電機(jī)的概述

步進(jìn)電機(jī)屬于轉(zhuǎn)換器，其在控制系統(tǒng)中屬于常見(jiàn)的控制元件，按照步進(jìn)電機(jī)的類型可以分為機(jī)械式、組合式以及電磁式。反應(yīng)式電機(jī)是實(shí)踐中常用的一種類型，其工作原理就是利用磁阻轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)在實(shí)踐中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不僅應(yīng)用在我們?nèi)粘Ｉ钍褂玫臋C(jī)械中，例如指針式鐘表、機(jī)械手、自動(dòng)包裝等設(shè)備中；而且還在高端機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，例如航天風(fēng)機(jī)、數(shù)控機(jī)床以及工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備中。

2 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采取STC89C52單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)器使用ULN2003A集成驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)需要達(dá)到以下要求：實(shí)現(xiàn)對(duì)電力開(kāi)?？刂频木?，保證工作可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)中用矩陣鍵盤(pán)控制信號(hào)，并且通過(guò)程序可以改變步進(jìn)電機(jī)步距角，具體設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1。

圖1 基于嵌入式單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

基于STC89C52的步進(jìn)電機(jī)主要是采取外界+5V直流電源供電，步進(jìn)電機(jī)的控制命令主要依靠矩陣鍵盤(pán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，總體來(lái)看，其主要包括5個(gè)功能模塊（圖2），其中驅(qū)動(dòng)模塊是該硬件設(shè)置的重點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖從單片機(jī)輸出之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。光電耦合器能有效地將控制電路與負(fù)載電路隔開(kāi)，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。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 步進(jìn)電機(jī)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要利用軟件控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)脈沖的分配控制，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，具體就是通過(guò)設(shè)置延時(shí)時(shí)間常數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，延時(shí)時(shí)間常數(shù)越小，轉(zhuǎn)速就越快。

2.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立。在步進(jìn)電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)中，數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建非常重要，通過(guò)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

2.2.2 程序調(diào)試仿真。在完善軟件編程之后需要將程序放置在單片機(jī)硬件中，因此需要系列的環(huán)節(jié)給予配合，為切實(shí)提高編程效率，我們采取仿真器對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，首先將仿真器的仿真頭插入ICI插座上，打開(kāi)仿真器電源，啟動(dòng)仿真軟件WAVE6000，按照?qǐng)D3的規(guī)范進(jìn)行。

圖3 仿真器設(shè)置

經(jīng)過(guò)系列的仿真調(diào)試之后，在保證系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的效果之后，就可以把編好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)儲(chǔ)存器中。

2.2.3 系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)計(jì)算公式

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：1.085μs=1.085×106s（11.095MHz晶振）

設(shè)T0的初值為X：

所以X=64536=0×FC18

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的基于STC89C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化操作控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的有效監(jiān)管，大大提高了智能化操作，實(shí)現(xiàn)了低碳智能運(yùn)行。另外本文所設(shè)計(jì)的通信電路接口也為以后的步進(jìn)電機(jī)在實(shí)踐中的應(yīng)用提供了參考。

［1］張占立，康春花，郭士軍，符克理.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2011（03）.

［2］董圣英.基于THB7128和單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電氣傳動(dòng)，2011（06）.

［3］張占立，康春花，郭士軍，符克理.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2011（03）.