浅析单片机对步进电机的控制

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 浅析单片机对步进电机的控制 摘要：本文主要是单片机对步进 电机的控制系统，首先介绍了步进电机 的工作原理原理，而后详细阐述了基于 单片机的控制系统的硬件结构、人机交 互电路和步进电机控制逻辑，从而实现 对步进电机的控制。 中国论文网 /8/view-13008418.htm 关键词：单片机；步进电机；电 子脉冲；人机交互 中图分类号：TP391 文献标识码： A 文章编号： 1009-3044（2017）34- 0240-02 1 步进电机的工作原理 在传统的直流电机的基础上，步 进电机在电脉冲的控制下，可以实现固 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 定转角距的运动，也就是说，在一定的 电脉冲控制下，步进电机能够按照固定 的角度和时间间隔，朝着一个既定的方 向依次旋转一个角度来提供动力，从而 形成固定“步距角 ”的位移。对于某一型 号的步进电机来说，其“ 步距角 ”在其设 计生产之初就已经固定了，这一指标也 是作为该型号的步进电机的固定属性来 展现出来，在电源的作用下和电子脉冲 的控制下，步进电机按照固有的步距一 步一步向固定方向运动，从而提供源源 不断的动力来源。那么对于步进电机的 控制，主要集中在电子脉冲的设定上面， 频率越高，步进电机按照固定步伐运动 的越快，从而在固定的步距下运动的速 度就更快，进而实现步进电机在电子脉 冲下的角位移和角速度的变化。 1.1 步进电机的分类 步进电机的动力来源于其他原理 相似，但是在设计结构上和选择材料上 根据实际的功能需求有所不同，一般来 说，可分为反应磁阻式、永磁式、永磁 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 感应混合式三种不同工作原理的步进电 机。 1） 反应磁阻式步进电机。该类 型的步进电机是在转子铁心、定子铁心 的表面，按照设计的布局有规律地设定 齿槽，定转子的齿槽与齿槽之间在旋转 过程中位置发生变化，磁路磁阻就会发 生变化，从而生成固定的转矩力。反应 磁阻式步进电机在设计结构上非常简洁， 步距角的精度非常高，可是实现 1 到 15 度甚至更小的步距角，但是其动态性能 比较差，效能较低，步进性能难以令人 满意。 2） 永磁式步进电机是使用永磁 材料制作成转子，而在定子上通过多相 绕组缠绕定子铁心上，从而在电流的作 用下形成电磁场，与永磁材料的磁场相 互作用产生磁转矩。根据永磁材料选择 的不同，一般的永磁式步进电机可以实 现 7.5、11.25、15、18 以及 45、90 等 多种固定转角的步进电机。永磁式电机 在动力输出上优势非常明显，其动态性 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 能也非常优越，但是在步进精度上很 y 满足要求较高产品的需求。 3） 永磁感应混合式步进电机。 在反应磁阻式步进电机和永磁式步进电 机的基础上，永磁感应混合式步进电机 通过使用轴向磁化的磁铁作为转子，通 过复极的形式来形成磁极，从而使得步 进电机在强大的转矩力前提下还能保证 较高的精度。但是该类型点击在设计上 结构非常复杂，设计和生产成本也非常 高。 1.2 步进电机的工作原理 步进电机在具体实现上基本相同， 是在电子脉冲的作用下，通过步进电机 的定子、转子的角度位移转化成线位移， 从而提供既定方向上的动力。如图 1 所 示，为三相步进电机的基本结构和工作 原理示意图。 三相步进电机是常见的步进电机 动力提供方式，通过三条电源线来为步 进电机提供电源力，在图 1 中 AA、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 BB、CC分别对应一相电源线连接形 成回路，而三相电源之间的相位差则是 120 度，最终三相电源一次通电形成一 个动力周期。 假如首先在 AA相路上进行通 电，那么产生的电磁场的作用力下会促 使转定子形成闭合的磁力线，促使 AA 上的齿进行对齐，此时 BB、CC 的 齿处在为对齐状态，如果依次在 BB、 CC上进行通电，那么也会为了磁力 线闭合来转动转子。当转子 AA的齿 与定子 AA齿对齐时，转子上与定子 B 相中间应该对齐的齿号为 120/9 =13.33，不是整数，即转子与定子上的 齿未对齐，则磁阻大，为减小磁阻，转 子要旋转。所以按照预定的相位差，依 次为定子的 AB C A B 相路 进行通电时，转子会进行顺时针旋转， 反之则逆时针旋转。 2 单片机对步进电机的控制 2.1 步进电机控制系统的结构设 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 计 使用单片机对步进电机进行控制， 本质上提供外部人机交互接口，在单片 机的判断和控制下产生不同频率的电子 脉冲来驱动步进电机旋转。由于控制逻 辑相对比较简单，所以可以采用稳定的、 高效的、性价比较高的 AT89C51 单片 机为核心控制部件，通过编程来实现该 单片机对外部人机交互结构电路的输入 判断，并改变相应的输出电子脉冲频率， 在驱动芯片的作用下为步进电机提供动 力来源。 为了满足上述设计需求，在搭建 整个控制系统硬件电路时，首先要满足 AT89C51 单片机工作的最低要求，配备 时钟电路、电源电路等，人机交互电路 开关按钮电路来读取控制人员的控制指 令，步进电机驱动芯片采用 ULN2003 来为步进电机提供功率，为了满足 AT89C51 单片机外部数据的交互，使用 8255 作为扩展芯片来读取各种信号以及 对步进电机进行数据控制。如图 2 所示， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 步进电机控制系统的系统硬件框架设计 图。 2.2 AT89C51 单片机 其中，AT89C51 单片机作为整个 控制系统的核心，能够对外部开关控制 电路的输入信号进行读取和判断，能够 对步进电机的状态进行读取，并对显示 电路进行显示控制，同时生成步进电机 的电子脉冲控制信号，在 ULN2003 驱 动芯片的驱动下来为步进电机提供控制 信号和动力来源。 在 AT89C51 单片机中，提供了 两个可编程的定时器和计数器，通过编 程人员对这两个定时器计数器进行控制 设定并初始化，而后通过启动指令来开 启定时，从而为电子脉冲产生固定的频 率。在对定时器/计数器进行编程时，主 要是对控制字 TMOD 和 TCON 进行设 计，通过在控制字中写入数据来实现对 定时器/计数器的控制，其中 TMOD 是 选定其工作模式，而后设定初始化数据， TCON 则是启动或停止其工作。当然 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 AT89C51 单片机中的定时器/计数器在 一个循环周期内最大定时时长是一定的， 最大约为 131ms，如果步进电机所需要 的脉冲周期时间长度大于 131ms 而超过 了定时器/计数器的定时期限，即需要在 软件设计上，通过定义循环次数，来满 足步进电机的电子脉冲频率的设定。 2.3 步进电机的控制逻辑设计 在 ULN2003 芯片的驱动下，当 AT89C51 单片机上电后，即可产生固定 频率的脉冲信号，来驱动步进电机旋转。 1） AT89C51 单片机上电，系统 初始化各种数据，包括定时器、扩展芯 片使能和初始化赋值等；2）判断步进 电机状态，将其置于非工作状态；3） 将 P0 的停止二极管的灯端口至于低电 平，使二极管显示为步进电机停止状态； 4）检测 P3 口，检测开关按钮是否按下： 如果正转按钮按下，预设固定低频率发 送正向电子脉冲，趋使步进电机开始顺 时针旋转，同时将 P0 口正转二极管对 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 应端口电压至 0，停止和反转二极管对 应端口电压至 1；如果反正按钮按下， 预设固定低频率发送反向电子脉冲，趋 使步进电机开始逆时针旋转，同时将 P0 口反转二极管对应端口电压至 0，停 止和正转二极管对应端口电压至 1；如 果加速按钮按下，提升电子脉冲频率， 趋势步进电机加速；如果停止按钮按下， 将发送的电子脉冲频率降低至 0，即不 发送电子脉冲，从而使步进电机停止， 同时将 P0 口停止二极管对应端口电压 至 0，正转和反转二极管对应端口电压 至 1。 3 总结 作为第三类电动机，步进电