基于單片機的步進電機控制系統設計

前言

步進電機是一種進行精確步進運動的機電執行元件，它廣泛應用于工業機械的數字控制，為使系統的可靠性、通用性、可維護性以及性價比最優，根據控制系統功能要求及步進電機應用環境，確定了設計系統硬件和軟件的功能劃分，從而實現了基于8051單片機的四相步進電機的開環控制系統。控制系統通過單片機存儲器、I/O接口、中斷、鍵盤、LED顯示器的擴展、步進電機的環形分頻器、驅動及保護電路、人機接口電路、中斷系統及復位電路、單電壓驅動電路等的設計，實現了四相步進電機的正反轉，急停等功能。為實現單片機控制步進電機系統在數控機床上的應用，系統設計了兩個外部中斷，以實現步進電機在某段時間內的反復正反轉功能，也即數控機床的刀架自動進給運動，隨著單片機技術的不斷發展，單片機在日用電子產品中的應用越來越廣泛，自六十年代初期以來，步進電機的應用得到很大的提高。人們用它來驅動時鐘和其他采用指針的儀器，打印機、繪圖儀，磁盤光盤驅動器、各種自動控制閥、各種工具，還有機器人等機械裝置。此外作為執行元件，步進電機是機電一體化的關鍵產品之一，被廣泛應用在各種自動化控制系統中，隨著微電子和計算機技術的發展，它的需要量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機是機電數字控制系統中常用的執行元件，由于其精度高、體積小、控制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應用，大規模集成電路的發展以及單片機技術的迅速普及，為設計功能強，價格低的步進電機控制驅動器提供了先進的技術和充足的資源。

1.步進電機原理及硬件和軟件設計

1.1步進電機原理及控制技術

由于步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業設備一步進電機控制驅動器，典型步進電機控制系統如圖1所示:控制器可以發出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續變化的脈沖信號，它為環形分配器提供脈沖序列，環形分配器的主要功能是把來自控制環節的脈沖序列按一定的規律分配后，經過功率放大器的放大加到步進電機驅動電源的各項輸入端，以驅動步進電機的轉動，環形分配器主要有兩大類:一類是用計算機軟件設計的方法實現環形分配器要求的功能，通常稱軟環形分配器。另一類是用硬件構成的環形分配器，通常稱硬環形分配器。功率放大器主要對環形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅動步進電機的目的，步進電機的基本控制包括轉向控制和速度控制兩個方面。從結構上看，步進電機分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種，其基本原理如下:

(1)換相順序的控制

通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進電機在單三拍的工作方式下，

其各相通電順序為A→B→C→A，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制

A, B, C相的通斷。三相雙三拍的通電順序為AB→BC→CA→AB，三相六拍的通電

順序為A→AB→B→BC→C→CA→A 。

(2)步進電機的換向控制

如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉。若步進電機的勵磁方式為三相六拍，即A→AB→B→BC→C→CA→A。如果按反序通電換相，即A→AC→C→CB→B→BA→A，則電機就反轉。其他方式情況類似。

(3)步進電機的速度控制

如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整送給步進電機的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調試。

(4)步進電機的起停控制

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總結

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