基于单片机的步进电机的驱动控制

1、基于单片机的步进电机的驱动控制 摘要：介绍了以AT89C51单片机为内核，实现步进电机的单步进给和连续进给，利用延时程序送脉冲，实现步进电机运行特点。键盘设置步进电机的速度、转向、工作方式、步数，速度和步数都为步进设置，给出了步进电机的序列脉冲波形图及电路图，此系统中有多个速度和不同步数可选。该电路简单，其可靠性强，运行稳定，不易受干扰。关键词：单片机；控制；步进电机；自动进给中图分类号：TP368.1；TM383.6 文献标识码：B 文章编号：1004-0420(2009)06-0042-05Drive control of stepping motor based on SCMDAI Zi

2、-feng，WU Feng(Zhejiang People Electric Appliance, 325604)Abstract：This article introduces the AT89C51 microcontroller as the core, to achieve a single-step to the stepper motor and continuous feed, using time delay procedures to send pulses to achieve the operational features of stepper motors. Keyb

3、oard settings stepper motor speed, steering, working methods, steps, speed and step number are set for the step given stepper motor pulse sequence diagrams and schematics, this system has multiple speeds and are not synchronized the number of options. The circuit is simple, its reliability, stable o

4、peration, is not susceptible to interference. Key words：microcontroller; control; stepper motor; automatic feed数控技术是制造实现自动化，集成化的基础，是提高产品质量，提高劳动生产率的物资手段。本设计是用单片机来实现步进电机的单步进给和连续进给。1 设计内容本设计主要是步进电机的控制电路。根据步进电机的工作原理，采用脉冲分配器和功率放大器使步进电机工作。2 设计要求a.步进电机能够正反转；b.步进电机的进给速度可调，并能进行步进控制；c.步进电机的工作方式可调。3 方案的初步选定数控自

5、动进给的伺服系统采用功率步进电机作为伺服装置。数控自动进给装置的电子控制部分主要是实现对步进电机的控制(图1)。图1 设计方案框图振荡电路：产生具有一定频率的连续脉冲信号；分频电路：对振荡电路产生的连续信号，经分频电路产生几种不同频率的脉冲信号，使步进电机获得不同转速；脉冲分配器：将连续的脉冲信号按步进电机的工作方式分配成步进电机所需的脉冲信号；驱动电路：将脉冲分配器的输出信号进行功率放大，驱动步进电机工作；速度控制电路：使步进电机获得不同频率的脉冲信号，从而获得不同的速度；步进电机的工作方式和正反转控制电路：根据步进电机不同的工作方式控制其正转和反转。4 系统硬件电路设计4.1步进电机4.1

6、.1步进电机特点步进电机作为自动控制领域中的主要控制元件之一，具有以下应用特点：a.在单片机应用系统中，它可以直接接受由计算机系统输出的数字信号；b.可方便地实现机械位移。例如，步进电机配合丝杠和齿轮可把角度变化转变为直线位移；c.控制灵敏度高。步进电机具有快速起动和快速停止的能力，能在瞬间实现起、停；d.速度变化时不失步。一般步进电机的速率为2001 000步/秒，在速率变化时，不会失步；e.步距角变化大、精度高。在没有齿轮减速的情况下，步距角范围90°0.36°/步；f.能精确返回原位。无论变阻式步进电机还是永磁式步进电机，都能精确地返回电机的起始位置；g.控制脉冲与角

7、度位移能精确同步。在单片机控制应用系统中，可以利用电机控制脉冲与它的角位移精确同步的特点，实现对物理量的控制；h.控制方便、可靠，精确定位。例如，在执行机构的控制中，步进电机可方便的带动多圈电位器或旋转变压器，以调节电压或电流，实现对执行机构的控制。4.1.2步进电机的类型及选择现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。a.永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5°或15°；b.反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5°，但噪声和振动都很大。反应式步

8、进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩；c.混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8°而五相步进角一般为0.72°。这种步进电机的应用最为广泛。4.1.3步进电机计算两相步进电机:齿距角：Qz=2/ZZ-转子的齿数，转子的齿数为50，则齿距角为Qz=2/50=7.2°；步距角-转子走一步所转过的角度；步距角：QnQz/N=2/NZN-步进电机工作拍数；步进电机转速：n60×f/N×Z（转/分）f-脉冲频率（Hz）。4.1.4步进电机的序列脉冲的波形图步进电机序

9、列脉冲的波形如图2所示。图2 步进电机序列脉冲波形图4.1.5两相步进电机的三种工作方式步进电机有两种工作方式：单拍，通电顺序为：A-B-双拍，通电顺序为：AB-B-A两相八拍，通电顺序为：A-AB-B-B-A如果按以上三种通电方式和通电顺序向步进电机输入序列脉冲，电机正向转动；如果通电方向与上面相反，则步进电机反向转动（四相、五相、六相步进电机的工作方式与三相电机相同）两相步进电机有三种运行状态：a.步进电机为两相单四拍运行状态：当电机绕组通电时序为A-B-时为正转，通电时序为A-B时为反转；当N=4，步距角QnQz/N2/NZ360°/4*5=18°，则步进电机转一圈所

10、需步进数：360°/18°=20（步进数）；b.步进电机为两相双四拍运行状态：当电机绕组通电时序为：AB-B-A时为正转，通电时序为A/-/-/B-BA时为反转。当N=4时，步距角：QnQz/N2/NZ360/4*518°，则步进电机转一圈所需步进数：360°/18°=20（步进数）；c.步进电机为两相八拍运行状态：当电机绕组通电时序为：A-AB-B-B-A时为正转，通电时序为：A-A-B-B-BA时为反转。当N=8时，步距角QnQz/N2/NZ360/8*59°，则步进电机转一圈所需步进数：360°/9°40。4

11、.1.6两相步进电机的数学模型单拍的步进电机的数学模型如表1。表1单拍的步进电机的数学模型步序控制位工作状态控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0111111110A0FEH211111011B0FBH3111011110EFH4101111110BFH（三相、四相、五相、六相步进电机的工作方式与三相电机类似）4.2单片机最小系统4.2.189C51的特点最小单片机系统如图3。两相八拍的步进电机的数学模型如表2表2两相八拍的步进电机的数学模型 步序控制位工作状态控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0111111110A0FEH

12、211111010AB0FAH311111011B0FBH411101011B0EBH5111011110EFH6101011110AFH7101111110BFH810111110A0BEH（三相、四相、五相、六相步进电机的工作方式与三相电机类似）&, nbsp; 图3 单片机最小系统(EA 接高电平)89C51有4K快闪程序存储器、128单元的数据存储器、64KROM、64KRAM、32条并行I/O口线、1个串行UART、五个中断源、两个定时器/计数器、工作频率在024 MHz，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于

13、将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。本系统采用了频率为12 MHz的晶振，选用晶振的好处在于能使系统运行一个周期只用1 s,这样有利于系统时间的计算。采用了手动复位和上电复位的常用复位电路。4.2.2显示电路采用最简单的数码管显示如图4，显示步数和速度即可。用P0或P2口分别驱动一个七段数码管。因为数码管是在P0和P2口在低电平时才会有电流流过，因此它的驱动电流：5/100=0.05 A。4.2.3键盘电路键盘电路如图5图4显示电路图 图5键盘电路图1号键接P3.0；2号键接P3.1；

14、3号键接P3.2；4号键接P3.3。设置的方法为：a.在主程序中，P3.0为步进电机开始转动的按键；P3.1为步进电机开始步进的按键；P3.2为进入中断0的按键；P3.3为进入中断1的按键；b.在中断0中，P3.0为设置工作方式：0-工作方式在单拍状态下工作；1-工作方式在八拍状态下工作。P3.1为设置速度增加的按键（都为步, 进设置）：速度分为了18个段见表3。表3速度表格（转/秒）工作状态123456789单拍01251016双拍00.512.558c.在中断1中，P3.0为设置正反转：0-正转；1-反转。P3.1为设置步数（都为步进设置）：步数分别有1

15、、2、4、8、16、32、64、128单位分别为百步。4.2.4指示灯电路指示灯电路如图6图6 指示灯电路图a.P1.1指示灯为运行指示灯，在运行时或单步进给时，指示灯亮；b.P1.2指示灯为运行方式指示灯，在两相四拍运行时灯不亮，在两相八拍运行时灯亮；c.INT0指示灯为中断0键按下指示灯，当有键按下时就亮，能确保按键有键按下；d.INT1指示灯为中断1键按下指示灯，当有键按下时就亮，能确保按键有键按下。4.2.5电源电路电源电路如图7，电源电路用桥堆整流后通过2200 F滤波，7805稳压，0.1 F电容去耦，就得到了稳定的DC 5 V电源。图7电源电路图 图8接口电路图4.3步进电机驱动

16、电路4.3.1步进电机与单片机的接口电路步进电机与单片机的接口电路如图8。4.3.2工作原理如图8所示，单片机与驱动之间加了一个反向器。当P1.0=0 P1.2=1时，L1相绕组通电。反之，当P1.0输出为1，P1.2输出为1，L1相绕组不通电。同理，P1.4、P1.6亦然。4.3.3驱动和抗干扰问题驱动器选用了最简单的反向器，使系统更简洁。大大减小了对元器件的干扰。软件里对键盘的采样使用了多次，使系统受干扰的可能性也降低了。5 系统软件电路设计5.1步进电机程序设计的主要任务步进电机程序设计的主要任务是：a.判断电机的旋转方向和速度；b.按顺序传递控制脉冲；c.判断所要求的控制步数是否传送完

17、毕；d.判断工作方式；e.速度的设置；f.正反转的设置；g.步数的设置；h.工作方式的设置。总之，步进电机控制程序就是完成环行脉冲分配器的任务，以控制步进电机按照预先的设置转动。5.2步进电机的程序设计思路步进电机程序设计时，首先要对步进电机程序进行步进还是正常运行的判别，然后转移到相应的控制程序阶段，判断工作方式，判断正反转，再转到相应的程序，给出脉冲。正反转控制程序设计时，应分别按要求的控制顺序输出相应的控制模型，加上脉冲宽度的延时程序即可。软件延时方法：改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的宽度，但这种方法使CPU长时间等待，无法进行其它工作。5.3控制程序流程图（图9图12）图9主程序

18、框图 图10运行程序框图图11中断0设置框图图 12中断1设置框图6系统的调试系统的硬件电路较为简单，稍做调试就可完成。系统的软件调试当中，步进电机进给脉冲时间间隔采用了延时进给（因为本系统无需其他动作）。在延时进给脉冲时，系统不能以步进方式给出进给脉冲（比如说每按一次键是系统多延时5 s）。因单片机在处理带标点符号的数时比较麻烦，所以采用了不规则的方式步进设置。7 问题及改进措施7.1硬件问题及改进措施 选用的步进电机为两相永磁式步进电机，步距角较大。要求步距角小时无法实现。步进电机运行时有较小响声和振动，只需改变脉冲的输出频率即可。本系统键盘设置较小，使系统设置速度，步数时有局限性，只要扩展为4*4键盘即可。显示也只显示主要两位数值，如换用液晶显示器就可以带单位显示。7.2软件问题及改进措施软件中正反转判断和工作方式判断在脉冲给出4步（或8步）后进行再次判断，系统运行时会有小误差。只要每给出一步脉冲就进行判断则可以改变这一误差。系统延时采用了软件延时方法，使系统大部分时间在运行延时程序。如采用定时延时方法，则不占用单片机时间。8结束语近年来，单片机的应用正在不断地走向深入。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，还应将具体硬件结构与针对具体应用对象特点的软件有机结合，才算应用成功。参考文献：1张志良.单片机原理与控制技术M.北京：机械工业出版