步进电机控制系统的设计论文.doc

步进电机控制系统的设计 王庆祝, 马玉泉, 计儒楷, 闫栋梁 (河北科技师范学院机械电子系, 河北秦皇岛, ) 摘要: 系统采用A T 89C51 单片机控制步进电机的各种运行方式, 可实现步进电机正反转控制, 三拍、六拍 工作方式设定, 步进电机无级调速。程序采用模块化设计, 通过键处理程序实现各功能设置, 操作简单, 易 于掌握。 关键词: 步进电机; 单片机控制; 专用环分芯片; 软件控制 中图分类号: TM 30112　　　文献标识码: A 　　　文章编号: (2005) 步进电机具有控制方便、体积小等特点, 因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用。近年来 大规模集成电路的发展以及各种单片机的迅速发展和普及, 为设计功能强、价格低的步进电机控制驱动 器提供了先进的技术和充足的资源。 1　功能及原理 111　功能 该系统在设计上采用单片机控制, 操作界面简单, 具有三相通电显示、置数、计数显示功能, 能设定 步进电机的工作状态(单三拍, 双六拍, 正、反转) , 并记录电机运行的步数, 动态观察各工作状态下 90BF002ê 改进型步进电机三相的通电顺序等。 112　工作原理 利用单片机产生步进脉冲, 经专用环分芯片、光电隔离电路及驱动电路驱动步进电机运行。通过改 变单片机输出脉冲的频率实现电机的无级调速, 改变三相通电顺序实现电机正反转运转, 显示电路实时 显示电机的运行频率。 2　硬件设计 系统硬件的设计思想是力求结构简单、工作可靠、适应教学要求、性能价格比高。其逻辑框图如图1。 211　硬件的核心部分CPU 在硬件核心部件CPU 的选用上, 采用了A TM EL 公司生产的A T 89C51 单片机。它是一个低电压, 高性能CMO S 8 位单片机, 片内含4k 字节的可反复擦写的只读程序存储器(E2PROM ) 和256 字节的随 机存取数据存储器(RAM ) [1 ]。不需扩展程序存储器和数据存储器, 进一步简化了电路。 212　脉冲分配电路 系统采用专用脉冲分配器芯片进行通电换相控制。脉冲分配器8713 有很多种, 它们的功能一样, 可以互换[2 ]。考虑到性价比选用国产的5G8713。该芯片与单片机的接口如图1 所示。系统选用单时钟输 入方式, 各引脚状态及实现的功能如下: (1) 用P111 和P112 实现励磁模式的切换; (2) 用CP 脉冲的不同分配控制励磁顺序和通电方式; (3) 用P113 实现控制步进电机的正反转。 由于采用了专用脉冲分配器, 单片机只需提供步进脉冲、进行速度控制和转向控制、工作方式控制, 脉冲分配的工作交给脉冲分配器自动完成, 从而减轻了CPU 的负担。 213　高低压驱动及其保护电路 21311　高低压驱动电路　高低压法的基本思路是: 不论电机工作的频率如何, 在绕组通电的开始用高 压供电, 使绕组中电流迅速上升, 而后用低电压维持绕组中的电流。图2 为系统一相的高低压驱动及其 保护电路, 其它两相相同。 高压脉宽由R f, Cf 决定, 脉宽: T H= 0145 R fCf。当R f= 47 k8 , Cf= 011 Lf 时, T H= 211m s。图中T H、T l 选取BD242, 中功率管选取3CA 6。 图2　高低压驱动电路 21312　保护电路　步进电机驱动器都是工作在大电流状态, 而且电动机在运行过程中, 绕组自身产生 很大的反电势, 电压电流的波形尖峰很多, 功率管工作条件复杂, 所以设置保护电路。本系统采用过流保 护电路(如图2 虚线框)。图3 为单三拍方式工作一相的波形, 其中包括步进时钟、步进电机绕组电压 (U H 为高压,UL 为低压) 和电流波形, 其它两相相同。 214　键盘及显示电路 本系统的按键、显示电路采用专用芯片8279, 该芯片与单片机的接口电路如图4 示。 21411　专用芯片8279 与键盘的连接　8279 与键盘的连接主要是为键盘扫描提供扫描信号和测试列线状态[5 ]。系统中使用的是4×3 键盘, 只需使用SL 0～ SL 3 输出口的4 条口线。键盘矩阵的3 根列线接8279 的RL 0～ RL 2。系统中的换档引 线SH IFT 在使用状态, 通过按键接地。控制引线CN TRL 是不使用的, 因此将它直接接地。21412　专用芯片8279 与显示器的连接　系统显示电路采用13 位L ED 数码管。显示器的显示内容由段控线提供, 由于显示器为共阴极接法, 故段控信号高电平有效。段控线由A 0～ 3和B0～ 3组成, 共8 位, 为提高段控的驱动能力, 在线路上加驱动器。13 位L ED 需要13 个位控信号, 图中是以SL 0～ SL 3 作为位控输出信号, 4 根信号线经4～ 16 译 码后就得到了16 个位控