永磁步进电机数字控制系统设计.pdf

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1、化工自动化及仪表第38卷永磁步进电机数字控制系统设计张新荣1徐保国2(1．淮阴工学院电子与电气工程学院，江苏淮安223003；2．江南大学物联网工程学院，江苏无锡214122)摘要采用AT89C51单片机为核心控制芯片。对步进电机转速及转向控制系统进行设计。实现了电机的启动和停止控制、正转和反转控制。以及加速和减速控制，并能动态显示在LED数码管上。该系统可靠性较高、稳定性好、结构简单、运行可靠、控制方便且性价比高，有一定的使用价值。关键词永磁步进电机单片机数字控制中图分类号TP273文献标识码A文章编号100

2、0—3932(2011)10一1212-04步进电机是最常见的一种控制电机和执行元件，在自动化控制领域中得到了广泛应用⋯。当步进驱动器接收到脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，即步距角，它的旋转以固定的角度进行，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的拉J。。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠且控制方便，尤其是步距值不受电压和温度变化的影响，以及误差不会长期积累的特点，

3、给实际的应用带来了很大的方便H1。步进电机控制广泛用于消费类产品、工业控制及医疗器械等机电产品中”’61。研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度、响应速度及节约能源等都具有重要意义¨”1。笔者设计了一个步进电机数字控制系统，可实现对步迸电机转动速度和转动方向的高效控制。．1系统设计目的与设计思想图1所示为该控制系统的总体设计框图。系统采用AT89C51作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向和转动速度的控制滞一’，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。系统分为3个模块：键盘控制模块、数码显

4、示模块和步进电机驱动模块。键盘控制模块包括启停键、方向控制键、加速键和减速键。数码显示模块采用共阳极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度。电机驱动模块选用NPN达林顿连接晶体管2803为步进电机提供脉冲信号，驱动步进电机转动。图1总体设计框图2硬件电路设计2．1键盘控制电路设计电压信号在机械触点的断开和闭合过程中都会产生抖动，一般为5一lores，两次抖动之间为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定，第一次抖动前和第二次抖动后为断开状态。通过对输出电平的高低状态的检测，町确认按键按下与否。在本设计中，高电平表示

5、按键断开，低电平表示按键闭合。为了能直观形象地表示按键闭合与否，为每个按键相应增加发光二极管，按键断开时发光二极管灭，当有键闭合时，相应的发光二极管变亮。为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。软件消抖适合按键较多的情况，在第一次检测到有键按下时。执行一段延时10ms的子程序后再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。2．2电机驱动电路设计将脉冲转化为步进角度来控制步进电机转动，采用ULN2803为步进电机提供脉冲信号，8个收稿

6、日期：201l-06-28基金项目：国家科技部。863”计划资助项目(2007AAl00408)；淮安市科技支撑计划项目(SNl045)；淮阴工学院科研基金项目(HGBl010)第10期张新荣等．永磁步进电机数字控制系统设计1213PNP连接晶体管是低逻辑电平数字电路(如TTL，CMOS或PMOS／NMOS)和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机和其它类似负载间的接口的理想器件。所有器件都有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管，ULN2803的设计与标准TTL系列兼容。驱动电路如图2所示。n图2步进电机

7、驱动电路步进电机驱动电路的工作过程是：从P3口输出00010001B，由于单片机与ULN2803连接只用到了P3．4一P3．7，所以ULN2803与单片机连接的4个管脚中只有一个管脚处于导通状态，其它管脚处于断开状态。这样就使得与ULN2803连接的步进电机只有一个引出端导通。通过循环左移或右移P3口的输出值，轮流给步进电机各引出端通电，即可实现步进电机的转动。2．3LED数码显示电路LED数码显示器使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，一个用于显示小数点。在本设计中所采用的是共阳极LED数码显示器

8、。数码显示电路通过交替向P2．6和P2．7输出低电平，使得与这两个端口连接的三极管交替导通，从而为数码管提供电源，也实现了数码管的动态扫描。通过Pl口输出段选信号，控制数码管显示内容。3系统软件设计主程序采用查询方式扫描键盘端口，检测按键动作是否发生，若有按键动作则处理键盘，根据按键值修改相应参数值，实现键盘的实时处理功能。定时器0中断服务程序控制步进电机的转动：根据当前速度进行计算并