1 引言

作為工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的控制電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)具有出色的開環(huán)性能，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化控制。步進(jìn)電機(jī)組成的控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、造價(jià)便宜等特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制成本低、操作靈活，在步進(jìn)電機(jī)的控制中得到了廣泛的應(yīng)用。本文以AT89C52單片機(jī)作為控制器設(shè)計(jì)一種新型的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、鍵盤、顯示、驅(qū)動(dòng)、PC上位機(jī)等5個(gè)模塊組成，其中PC上位機(jī)用于編寫及燒錄程序。控制器通過相應(yīng)的IO接口，將控制指令發(fā)送至驅(qū)動(dòng)電路，可以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，完成系統(tǒng)的伺服控制。

控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度。（2）顯示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、方向、轉(zhuǎn)速。（3）通過軟件實(shí)現(xiàn)細(xì)分控制。圖1為控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊主要由AT89C52單片機(jī)及外圍濾波、電源管理、晶振和復(fù)位電路組成。AT89C52單片機(jī)具有8KB內(nèi)存的可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，便于反復(fù)的進(jìn)行程序的編寫。電源管理電路提供的3.5V和5V電壓分別給單片機(jī)、晶振、LED和控制電路供電。12MHZ的晶振給單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)的串口用于和PC上位機(jī)的通信以及燒錄軟件程序。P1口控制驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)管的通斷。P0和P2口控制LCD1602和LED組成的顯示模塊。P3口檢測鍵盤信號(hào)及外部中斷信號(hào)。

3.2 鍵盤及顯示模塊

控制系統(tǒng)設(shè)置了5位獨(dú)立按鍵組成的鍵盤模塊以及由LCD1602和5位LED組成的顯示模塊。通過鍵盤可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止功能的操作。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息可以通過顯示模塊直觀的顯示出來。圖2為鍵盤及顯示模塊硬件原理圖。

鍵盤模塊的特點(diǎn)在于用單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷來控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加、減速，即每引入一次外部中斷，步進(jìn)電機(jī)加/減速一次。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止按鍵分別由單片機(jī)的P3.0、P3.1、P3.4口引入。加速、減速按鍵分別由單片機(jī)的P3.2和P3.3口引入。

LCD1602的數(shù)據(jù)/命令選擇端、讀寫選擇端、使能信號(hào)分別接在單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2口上，數(shù)據(jù)口接在單片機(jī)的P0口上。LCD1602可以顯示步進(jìn)電機(jī)的5種運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行速度。5位LED通過74LS138接在單片機(jī)的P2.3—P2.5口上，5位LD分別用于表示步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止5種運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 鍵盤及顯示模塊硬件原理圖

3.3 驅(qū)動(dòng)模塊

控制系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用雙極性驅(qū)動(dòng)的方式。雙極性驅(qū)動(dòng)是指步進(jìn)電機(jī)線圈中電流的流動(dòng)方向不是單向的，即繞組中的電流有時(shí)沿某一方向流動(dòng)，有時(shí)沿相反的方向流動(dòng)。雙極性驅(qū)動(dòng)電路可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)四線式或六線式的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。

控制系統(tǒng)所選用的二相混合式步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)的額定電壓為12V，繞組的阻值為1.5Ω，額定電流為8A。由于該步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)的電流較大，因此需要選擇額定電流較大的功率開關(guān)管，否則步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)較大的工作電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)極易燒毀開關(guān)管。功率開關(guān)管BUW49工作時(shí)的額定電壓為80V，額定電流為30A，屬于高電流型功率開關(guān)管，因此完全能夠滿足需要。

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，當(dāng)控制電路給驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)繞組的通電順序?yàn)锳+B+→A-B+→A-B-→A+B-，其4個(gè)狀態(tài)按順序進(jìn)行循環(huán)，電機(jī)則正向轉(zhuǎn)動(dòng)。若相序變?yōu)锳+B-→A-B-→A-B+→A+B+，電機(jī)則逆向轉(zhuǎn)動(dòng)。

因此，當(dāng)單片機(jī)AT89C52的引腳P1.0至P1.7輸出的脈沖時(shí)序依次為10011001→01101001→01100110→10010110時(shí)，控制各個(gè)開關(guān)管依次導(dǎo)通，產(chǎn)生相應(yīng)的正向通電時(shí)序，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。同樣，當(dāng)單片機(jī)的引腳輸出的脈沖時(shí)序相反時(shí)，電機(jī)則反向旋轉(zhuǎn)。圖3為驅(qū)動(dòng)電路硬件原理圖。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路硬件原理圖

控制系統(tǒng)的硬件原理圖由電子技術(shù)虛擬仿真軟件Proteus 7.5進(jìn)行仿真，仿真時(shí)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)按照控制系統(tǒng)所選用的步進(jìn)電機(jī)實(shí)際參數(shù)設(shè)置。經(jīng)過仿真得出該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)、停止、加/減速的控制，并且控制非常靈敏、工作可靠、不會(huì)出現(xiàn)誤操作。

步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)、速度參數(shù)以及按鍵的操作狀態(tài)能夠以英文的形式非常直觀的顯示在LCD1602和5位LED上。通過分析仿真時(shí)虛擬示波器測出的A、B兩相的繞組電壓波形得知，步進(jìn)電機(jī)在系統(tǒng)仿真運(yùn)行的過程中具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖4為控制系統(tǒng)整體硬件原理圖。

圖4 控制系統(tǒng)整體硬件原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 步進(jìn)電機(jī)工作方式

由于按雙四拍方式工作時(shí)步進(jìn)電機(jī)不容易失步，并且控制精度較高，因此步進(jìn)電機(jī)采用雙四拍的工作方式。這種工作方式每次都有兩相繞組導(dǎo)通，兩相繞組處在相同的電壓之下，以A+B+→A-B+→A-B-→A+B-（或反向）方式導(dǎo)通。當(dāng)A、B繞組完成一次通電循環(huán)以后，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子則前進(jìn)一個(gè)步距角。

4.2 運(yùn)行方向控制

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向由其內(nèi)部繞組的通電順序及通電方式?jīng)Q定。由于兩相雙四拍步進(jìn)電機(jī)不容易失步，控制精度比較高，所以本文采用兩相雙四拍的工作方式對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

對(duì)于兩相雙四拍工作方式：

• 正向旋轉(zhuǎn)：A+B+→A-B+→A-B-→A+B-
• 反向旋轉(zhuǎn)：A+B-→A-B-→A-B+→A+B+

兩相雙四拍控制模型如表3.1所示。

表3.1 兩相雙四拍控制模型

4.3 運(yùn)行速度控制

控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上是控制驅(qū)動(dòng)脈沖的發(fā)出頻率或換相周期。即在加速的過程中，使驅(qū)動(dòng)脈沖的發(fā)出頻率升高；在減速的過程中，使驅(qū)動(dòng)脈沖的發(fā)出頻率降低。對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的控制可以通過軟件延時(shí)和硬件中斷的方式來實(shí)現(xiàn)。

軟件延時(shí)是指根據(jù)所需的延時(shí)時(shí)間常數(shù)編寫一個(gè)延時(shí)子程序，當(dāng)CPU執(zhí)行延時(shí)子程序時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到延時(shí)的目的。采用軟件延時(shí)方式，CPU一直被占用，使得CPU的利用率降低。

可編程的硬件定時(shí)器可以對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值可以通過編程的方式設(shè)定。當(dāng)計(jì)數(shù)到預(yù)定的脈沖數(shù)時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生中斷信號(hào)，系統(tǒng)得到所需的延時(shí)時(shí)間。定時(shí)器延時(shí)可以提高CPU的利用率。

4.4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的思想是：

• （1）對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化：首先應(yīng)該關(guān)中斷，然后對(duì)用到的一些寄存器和功能模塊進(jìn)行初始化，最后再開中斷，并且給定步進(jìn)電機(jī)的速度初值和每次加速/減速時(shí)速度變化的幅值。
• （2）調(diào)入子程序：分塊調(diào)入方向、速度、鍵盤、顯示的子程序。速度控制程序?qū)懭胪獠恐袛喑绦蛑校@樣可以在不改變運(yùn)動(dòng)方向的前提下改變速度的參數(shù)。
• （3）等待功能按鍵按下：采用查詢方式編寫按鍵程序，通過按鍵程序掃描等待功能按鍵的按下。
• （4）執(zhí)行按鍵功能：當(dāng)程序檢測到有按鍵被按下后，執(zhí)行相應(yīng)的功能，并且顯示步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)信息。圖5為系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖。

圖5 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)中本系統(tǒng)選57HS56DF101TK-01混合式步進(jìn)電機(jī)作為控制對(duì)象。該步進(jìn)電機(jī)為兩相四線步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，額定電流為8A，靜轉(zhuǎn)矩為10Kg·cm。圖6為控制系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖6 控制系統(tǒng)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)，測得電機(jī)繞組阻值Rs為1.5Ω，系統(tǒng)選擇12V直流電源供電，符合步進(jìn)電機(jī)的要求。圖7為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)A相的電壓波形圖。圖8為步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)矩角特性曲線圖。

圖7 步進(jìn)電機(jī)A相電壓圖

圖8 步進(jìn)電機(jī)矩角特性曲線圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，本控制系統(tǒng)在步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制，改變步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，控制精確，能夠較好的滿足工作要求。

6 結(jié)語

本文基于AT89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有體積小、可靠性高、功能豐富、造價(jià)便宜等特點(diǎn)，適用范圍廣，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于AT89C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究”，作者為何沖、王淑紅 等。）