樂榮廷海南大學(xué)

基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)

樂榮廷
海南大學(xué)

現(xiàn)代社會(huì)科技發(fā)展迅速，單片機(jī)正在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。步進(jìn)電機(jī)作為現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件，因?yàn)槠鋬?yōu)越特性受到廣泛的關(guān)注與研究。本文即基于單片機(jī)對(duì)這類控制電路的設(shè)計(jì)方案構(gòu)想。

脈沖；步距角；控制；細(xì)分驅(qū)動(dòng)

一、步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)屬于開環(huán)控制電機(jī)，能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成線位移量或角位移量。從結(jié)構(gòu)上來看，它主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，在不失步的前提下，電機(jī)只會(huì)產(chǎn)生周期性誤差，而不是累進(jìn)誤差，這是因?yàn)樗D(zhuǎn)過每周的步數(shù)是隨步距角固定的，步距誤差不會(huì)隨著周數(shù)累積。電機(jī)能夠以每步一定的角度旋轉(zhuǎn)，通過控制脈沖個(gè)數(shù)可控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。

二、步進(jìn)電機(jī)的分類

根據(jù)構(gòu)造可以分為反應(yīng)式（轉(zhuǎn)子為電工純鐵）、永磁式（轉(zhuǎn)子為永久磁鐵）和混合式（轉(zhuǎn)子為電工純鐵與永久磁鐵）三種。其中，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)構(gòu)造簡單，成本低，步距角為1.2°，但動(dòng)態(tài)性能較差，可靠性低。永磁式的動(dòng)態(tài)性能好，但步距角較大一般為7.5°/15°，精度較差?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)結(jié)合了上述兩種的長處，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本較高。由于性能較均衡，且相對(duì)來說較實(shí)惠，兩相的混合式步進(jìn)電機(jī)成為市面上最受歡迎的步進(jìn)電機(jī)，尤其是它可在配上驅(qū)動(dòng)器后達(dá)到更高的精度。

三、重要特性指標(biāo)介紹

（1）步距角

定子繞組上有電流通過時(shí)，會(huì)在周圍空間激發(fā)帶有方向的磁場，使轉(zhuǎn)子和定子的磁場方向隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的某一固定角度而轉(zhuǎn)動(dòng)，如此循環(huán)。這即可看做以特定規(guī)律來改變定子繞組上的電流，來控制其產(chǎn)生的磁場的轉(zhuǎn)動(dòng)。每當(dāng)接收到脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)按預(yù)先編輯好的方向被控制轉(zhuǎn)過一個(gè)確定的角度，即一個(gè)“步距角”。因此在設(shè)計(jì)上，使用電機(jī)中相位不同繞組來依次分配，提供連續(xù)的脈沖信號(hào)后，能使電機(jī)按步距角不間斷的轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)固定角度是生產(chǎn)出廠后固有的。實(shí)際工作中電機(jī)不一定按這個(gè)固定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，而是跟驅(qū)動(dòng)器有直接關(guān)系。

（2）轉(zhuǎn)矩

在通電情況下，電機(jī)處于不轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，則固定住轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)的定子的力矩稱為轉(zhuǎn)矩。在電機(jī)輸出功率較低時(shí)，力矩和保持轉(zhuǎn)矩大小上接近。輸出力矩隨著電機(jī)速率的逐漸提升而趨向降低，隨之輸出功率也發(fā)生相應(yīng)變化。

（3）空載啟動(dòng)頻率

即為在不接負(fù)載時(shí)，使步進(jìn)電機(jī)由靜止突然啟動(dòng)并進(jìn)入不失步的狀態(tài)且能夠運(yùn)行正常所允許的最高頻率。在電機(jī)空載啟動(dòng)后，如果頻率不等于空載啟動(dòng)頻率，則一般無法正常工作并發(fā)生故障，如丟步等。在非空載情況下啟動(dòng)后，頻率要求會(huì)較之低一些。當(dāng)電機(jī)要實(shí)現(xiàn)速度的提升時(shí)，需要以一個(gè)固定不變的加速度不斷加速。

（4）相數(shù)

即電機(jī)內(nèi)部線圈組數(shù)。由于相數(shù)不同，步距角也不同?，F(xiàn)在市面上常見的有二相、三相、四相、五相的電機(jī)。例如，二相步進(jìn)電機(jī)的步距角是0.9°/1.8°，三相步進(jìn)電機(jī)的是0.75°/1.5°。相數(shù)越多，步進(jìn)電機(jī)的性能越好。

四、電路設(shè)計(jì)

（1）硬件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)器的選擇：根據(jù)具體的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的選取，若需要低速運(yùn)行或定位精度要求小于0.9°，則選用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，其原理為將一個(gè)步距角的距離分成若干個(gè)細(xì)分步完成，例如每周100標(biāo)準(zhǔn)步的步進(jìn)電機(jī)在使用8細(xì)分驅(qū)動(dòng)后，每周步數(shù)為100*8=800步，步距角縮小8倍，因此在精度上提高8倍。

選用51通用單片機(jī)系列中的STC89C51單片機(jī)進(jìn)行外界命令的接收與處理，來控制二相步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)停止、正反轉(zhuǎn)、速度快慢、步距角及對(duì)應(yīng)線位移等參量。輸入由串行口和鍵盤編程后控制，通過串行口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。根據(jù)鍵盤手動(dòng)輸入的編碼（預(yù)先在程序中編輯好），用單片機(jī)輸出電可擦除只讀存儲(chǔ)器中存放好的不同的電流控制信號(hào)來切換設(shè)計(jì)要求中的數(shù)模轉(zhuǎn)換方式。

取P0口作為數(shù)模轉(zhuǎn)換細(xì)分電流所需的8位數(shù)據(jù)口。取P2口編碼作為按鍵中斷控制細(xì)分模式選擇，經(jīng)過細(xì)分驅(qū)動(dòng)的電路與步進(jìn)電機(jī)相連接。（數(shù)據(jù)口可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整）

此外，在51單片機(jī)上連接一個(gè)8155芯片，其中AD口與P0口相連接收和鎖存數(shù)據(jù)，地址鎖存ALE、讀信號(hào)RD、寫信號(hào)WR、復(fù)位端RESET均與單片機(jī)對(duì)應(yīng)口相連，當(dāng)片選信號(hào)端CE低電平時(shí)有效，8155與單片機(jī)進(jìn)行信息交換。

（2）軟件設(shè)計(jì)

軟件編程上，使用STC_ISP自帶的軟件延時(shí)保證電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)每步的時(shí)間間隔；用由外部中斷INT_0、INT_1等觸發(fā)的中斷子函數(shù)，實(shí)現(xiàn)按鍵啟動(dòng)停止電機(jī)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的切換控制等。在Keil中編輯主函數(shù)與功能函數(shù)，包括完成系統(tǒng)的初始化等。鍵盤輸入選用4*1獨(dú)立按鍵，程序上使用按鍵掃描和狀態(tài)機(jī)中選擇電機(jī)的工作方式進(jìn)行編程。

由步距角=360°/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運(yùn)行拍數(shù)）的公式可得，以轉(zhuǎn)子齒為50齒的常規(guī)二相電機(jī)為例，四拍運(yùn)行時(shí)整步的步距角=360/（50*4）=1.8°，八拍運(yùn)行時(shí)半步的步距角=360/（50*8）=0.9°。由步距角計(jì)算出脈沖周期，然后根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的不同，按照其對(duì)應(yīng)說明書上的時(shí)序，通過取P1口上所需用到的位數(shù)并對(duì)其進(jìn)行高低電平的賦值作為所需脈沖，編成一個(gè)周期，一個(gè)周期即對(duì)應(yīng)一個(gè)步距角。改變脈沖寬度可調(diào)整轉(zhuǎn)速快慢，反置脈沖輸出前后可反轉(zhuǎn)電機(jī)。

（3）注意

上位機(jī)給步進(jìn)電機(jī)的脈沖要與驅(qū)動(dòng)器的分辨率一致；轉(zhuǎn)換電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向太頻繁或超過步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)頻率均會(huì)會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)。若步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)抖動(dòng)，可能是因?yàn)閱?dòng)頻率過高，針對(duì)這種情況需要使用加減速啟動(dòng)方式，通常將啟動(dòng)頻率設(shè)置為正常運(yùn)轉(zhuǎn)的25%即可。