探索单片机基于单片机制约步进电机恒变速体系设计

论文导读：
作者简介：赵瑞林（1976—） 男，陕西宝鸡人，副教授，硕士，研究方向：控制工程与控制理论。（E-mail：zrl1976@16

3.com）。

摘要：各种步进电机专用开发系统，适用于数控机床及某些特定条件及系统。本文通过单片机为开发平台，对步进电机进行控制，主要介绍步进电机控制器、驱动电路和LED显示电路的设计，其中在步进电机控制器的设计中，重点阐述脉冲产生电路摘自：毕业论文提纲范文www.7ctime.com
以及对速度的控制，实现对步进电机速度精确控制的开发系统。
关键词：单片机；步进电机；恒变速控制系统
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1引言
步进电机是一种将电脉冲转换成相应的角位移或线位移的电磁装置，它具有低，易实现调速，系统简单，能快速启动和停止，易定位准确，功率小等优点。因此，它作为唯一能以开环结构用于数控机床中的电动机，在经济型数控机床系统获得了广泛的应用。在早期的控制方案中，控制步进电机运转的时序脉冲由信号发生器产生，这种方式通用性差，成本高。采用单片机控制，则可以很方便的使不同相数的步进电机按任意一种可行的通用方式进行控制。本文就是实现的单片机对步进电机的数字控制系统。在这个控制系统中，控制器是它的核心，因为它担负着产生脉冲，发送、接受控制命令的任务。
2系统总体方案硬件设计
本系统选用89C51单片机为控制核心，由89C51，74LS373，EPROM2732等器件构成最小系统，扩展的2732用来存放程序和表格。P1.0，P1.1，P1.2分别控制步进电机A，B，C各相绕线，89C51单片机的P1口只能驱动三个LSTTL输入端，而被控制的步进电机要求高压，大电流，故在P1口后加驱动器，以便驱动脉冲功率放大级的复合晶闸管，使电机绕组的静态电流达到驱动电流。此外考虑到计算机的抗干扰能力及安全，将计算机与驱动器之间加上隔离接口。系统硬件图如图1所示。
通过上面的系统框图，我们可以看到本系统主要由四部分组成，即步进电机控制器，步进电机驱动电源，步进电机和LED状态显示，本文着重介绍步进电机控制器，步进电机驱动电源，LED显示状态三部分。

2.1步进电机控制器

步进电机控制器主要由单片机、晶振电路、8K RAM 存储模块、光电隔离等电路组成，如图2所示。
1）晶振电路
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图1所示。本系统选C1和C2值为22pF.
2）光电隔离电路
利用光隔离器组成的光电隔离电路将控制器与外部的驱动电路隔离开来，使得外部电路的变化不至于影响或者损坏控制系统，从而提高系统的可靠性，增强抗千扰能力。光隔离器最重要的参数是电流传输比CTR，应注意通常其值为0.2-0.9.输入数字信号提供一定的电流（5-10mA）时，光隔离器才会把放大的数字电平输出。光隔离器联结时注意信号正负逻辑。光隔离器的输入、输出端地线必须互相隔开，并且输入、输出端两个电源必须单独供电，否则，如果使用同一电源外部干扰信号可能通过电源串到系统中来。
3）存储模块
由于89C51单片机片内只有128个字节的RAM，而本系统中需要存储的数据比较多，需要扩展外部RAM。

2.2步进脉冲产生电路

在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的CP脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定时。
延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的CP脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是CP脉冲的周期。该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行。但占用CPU时间长，不能在运行时处理其他工作。因此只适合较简单的控制过程。
定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出CP脉冲的周期。当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序。将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。由于从定时器装载完重新启动开始至定时器申请中断止，有一定的时间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误差，实现精确定时，要对重装的计数初值作适当的调整。调整的重装初值主要考虑两个因素一是中断响应所需的时间。二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值前中断服务程序重的其他指令因。综合这两个因素后，重装计数初值的修正量取8个机器周期，即要使定时时间缩短8个机器周期。
用定时中断方式来控制电动机变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小。在控制过程中，采用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的ROM中，系统在运行中用查表法查出所需的装载值，这样可大幅度减少占用CPU的时间，提高系统的响应速度[3]。

2.3LED运行状态显示

在本系统中，用74LS164作为显示驱动，带锁存，采用串行接法，这样可以节约I/0口资源，但要使用SIO，发送数据时容易控制。
3系统软件部分
系统软件的主要任务是产生脉冲序列，并能按规定的顺序送出脉冲，从而控制步进电机的转向和转速。

3.1产生脉冲序列

其方法为先输出一个高电平，对某一个记数单元进行累加，输出一个高电平之后维持一段时间，然后输出一个低电平在延时，延时长短由步进电机的速度决定。

3.2方向控制

通常有三种方法：
（1）三相单三拍：ABCA；
（2）三相双三拍：ABBCCAAB；
（3）三相六拍：AABBBCCCAA；
按以上顺序通电，步进电机正转；按相反顺序通电，步进电机反转。

3.3速度控制

控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出CP脉冲的频率或换相的周期。利用单片机芯片内部定时器的可编程性及定时功能，可以产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出CP脉冲的周期，实现对电动机速度的控制[4]。

3.4程序设计

本系统主要介绍三相六拍的控制软件，具体设计过程详见表1，图3所示。
4小结
单片机作为性能极佳的控制处理器，它比步进电机的传统控制器件，无论从功能，灵活性，可靠性等方面来说，更为优越。步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点。在此方案设计中，负载位置对控制电路无反馈，因此步进电机必须正确响应每次励磁变化。如果励磁频率选择不当，电机不能够到新的要求位置，那么实际的负载位置相对于控制器所期待位置便会出现永久性误差，也就是“失步”和“过冲”现象，可以采用位置反馈或位置反馈确定与转子位置相适应的正确相位转换，可以大大改善步进电机的性能，这样就可以获得更加精确的位置控制和高很多、平稳很多的速度了。
参考文献
娄俊，论文导读：89C51的步进电机控制系统设计.湖南农机，2010，9：34-36.杨忠宝，林海波.基于80C196MC的步进电机斩波恒流均匀细分电路的实现.微计算机信息，2003，7：59-61.王晓明.电动机的单片机控制.北京：北京航空航天大学出版社，2002.刘宝廷.步进电机及其驱动控制系统.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，199

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朱志甫.基于单片机AT89C51的步进电机控制系统设计[J].湖南农机，2010，9：34-36.
杨忠宝，林海波.基于80C196MC的步进电机斩波恒流均匀细分电路的实现[J].微计算机信息，2003，7：59-61.
[3]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[4]刘宝廷.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.