基于单片机的步进电机驱动控制系统的设计

基于单片机的步进电机驱动控制系统的设计

李广军

（天津松正电动汽车技术股份有限公司,天津300308）

摘要：步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。因此，研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制，利用单片机自身的定时中断，来达到对步进电机的连续调速进行分析，并采用优化合理的步进电机驱动电路，以实现将外围器件有机结合。

关键词：单片机,步进电机,控制系统

1引言

步进电机作为一种优秀的动力给予设备可以说在当今社会的各个领域中无处不在。随着工业生产水平的不断发展,以步进电机作为控制核心的传动设备在工业控制等领域得到了广泛的应用,包含机器人、工业电子自动化设备、医疗器件、广告器材、计算机外部应用设备等领域,步进电机的影子无处不在。中国作为一个制造业大国,生产车间中的流水线是企业完成产品组装和产品加工的重要场所,而步进电机在流水线设备中起到的动力作用至今仍然无法替代。

本课题的研究思路即为:采用单片机作为控制核心,实现对步进电机的精确控制。并将这种控制系统应用在生产车间的流水线传动设备中,增加了该控制系统的实效性和操作性。同时,由于单片机的高速性和精确性使得系统的设计在大为简化的同时又能实现精确控制,且应用成本低廉,因此可广泛应用在各行各业领域中。

2步进电机驱动控制系统框图

步进电机控制系统有着精确控制、运行稳定的特性,这一其他电机不能比拟的优势使得步进电机得到了广泛的应用。而一般对步进电机控制系统的驱动必须要包含脉冲信号发生部分,功放部分和驱动控制部分等几个模块电路,我们根据这些通过的模块电路,可将步进电机控制系统的通用框图绘制如下:

在图2-1的步进电机驱动控制系统方框图中,控制步进电机运行状态的脉冲信号一般由集成芯片产生,可以是单片机、PLC等智能芯片,也可以是一般的数字电路集成芯片。信号分配环节则要根据步进电机的型号来选择,如四相步进电机有四相四拍和四相八拍2种信号分配的方式;两相步进电机有两相四拍和八拍等脉冲加载形式。功放部分在驱动环节上显得尤为重要。动态平均电流是步进电机转矩大小的决定因素,前提条件是电机的速度。电机力矩与平均电流成正比,驱动系统对电机的反电势消弱越多,则平均电流就越大。

我们一般可以用恒压和恒压串电阻的方法来驱动,或者在条件允许的情况下我们可以用高低压驱动、恒流和细分数等方法来驱动.实际的应用过程种,多采用数字集成驱动芯片作为步进电机的驱动手段。

由于步进电机是典型的脉冲控制运转设备,而8051系列单片机以其I/O口多,体积小,成本低廉,外围电路连接方便,可编程控制等综合优势越来越多的被引入到步进电机控制系统中使用,逐渐成为国内外控制步进电机的主流方式。本文所设计的步进电机驱动控制系统也是以8051单片机为核心的嵌入式开发控制系统。

3步进电机驱动控制系统功能

基于单片机的步进电机驱动控制系统是一个实际应用与工业生产的系统。本设计在综合考虑系统设计等各方面因素后,明确该系统应具备如下功能:

硬件部分(1)单片机和步进电机运行所需的平稳电压;(2)液晶显示模块;(3)控制步进电机运行状态的键盘;(5)时钟电路与复位电路;(6)步进电机运行的驱动和功率放大电路设计;(7)用PROTEUS对整个系统进行硬件设计、仿真和对系统输出进行测试。

软件部分(1)系统复位初始化;(2)键盘扫描与处理;(3)液晶显示器初始化扫描程序;(4)定时器中断服务程序;(5)步进电机正转控制程序;(6)步进电机反转控制程序;(7)步进电机加速控制程序;(8)步进电机减速控制程序;(9)步进电机停转控制程序;(10)步进电机运行节拍控制程序。

4步进电机驱动控制系统原理

本系统以AT89C51单片机作为核心,通过外部扩展其他硬件完成对步进电机运行状态的显示。AT89C51单片机有40个引脚,我们用P1口的P1.0-P1.4引脚扩展步进电机运行状态控制键盘,设计完成后,包括停止、正转、反转、加速、减速一共五个按键。P0.0,P0.1,P0.2,P0.3四个引脚分别和与非门芯片7404的输入端相连用于扩展步进电机运行的驱动控制芯片-ULN2003A。P2口所有引脚和P3口的部分引脚用于外接AMPIRE128*64液晶显示模块。P2口连接AMPIRE128*64液晶显示模块的DB0-DB7,用于单片机和液晶显示模块的数据传输,P3.2,P3.4,P3.5分别与AMPIRE128*64液晶显示模块的RS,R/W,E相连完成数据的显示,具体来说:。R/W为读写信号线,RS为数据指令选择端,E端为使能端子。在实际工作时,当R/W为低电平,E为信号下降沿时锁存DB0-DB7的数据;R/W为高电平,E为信号上升沿时,DDRAM的数据读到DB0-DB7中。P3.0,P3.1分别与液晶显示模块的CS1(左半屏片选端)和CS2(右半屏片选端)相连用于对液晶模块的显示进行编程设置。

步进电机驱动控制部分采用专用芯片ULN2003A进行控制,其输出管脚1C一4C连接四相六线步进电机的相序控制端。COM端连接+12V电源用于对其工作进行供电。当然IJLN2003A在接入单片机控制脉冲时必须连接限流电阻,。由于单片机和步进电机的供电电压分别是+5V和+12V,因此本系统电源部分采用的是双电源供电电路,即釆用一套供电电路,分别输出+5V和+12V电压给系统供电。具体设计上采用从220V市电引入交流电,通过变压器降压得到约15V的交流信号,再通过二极管进行桥式整流得到直流信号,通过滤波电路先与LM7812芯片相连得到+12V电压,再经过滤波处理与LM7805芯片相连得到+5V电压。在实际制作电源PCB电路板的时候,由于电源部分釆用双电源供电且含有较强的交流信号,干扰较大,考虑到步进电机控制系统的稳定性,因此对电源部分单独成板。

同时,在单片机最小系统中还需要增加时钟电路和复位电路,在具体电路原理图的绘制过程中必须要考虑进去。

5结论

本文主要探索采用AT89C51单片机为核心的步进电机驱动控制系统的操作，达到效率高、实用性强、可持续发展性高等特点，使步进电机的控制性能得到提升，在步进电机的使用过程中，采用的多种设计十分合理，可以达到AT89C51单片机与步进电机相结合稳定工作的情况。

参考文献:

[1]刘宝廷，程树康．步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.

[2]余发山.单片机原理及应用技术.徐州：中国矿业大学出版社，2003，（2）.