基于单片机的步进电机控制系统设计1.docxVIP

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基于单片机的步进电机控制系统设计

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摘要：鉴于步进电机内部控制方式为低成本的开环控制,与伺服电机控制和步进电机最显著区别在于成本低、开发周期短、系统简单。特别是随着近年来工业自动化水平的不断提高和微机电技术的不断发展,小型轻便办公设备、家用电器、生活小电器、医疗器械、小型按摩理疗仪、电动玩具等消费类产品层出不穷,多样的使用需求对步进电机的有了严格要求。本研究中首先详细介绍了基于51单片机的数据转换，不仅结构简单、功能齐全、稳定性好、可靠度高而且还具备十个不同档位的备选速度和正反转功能,能够通过数码管实时显示步进电机运行状态。

关键词:步进电机,单片机,正反转控制,电机驱动

前言

新中国成立以后,在国家政策的扶植下,我国工业技术水平赢得了较大的发展。同一时期,步进电机关键技术和核心技术自主研发引起了广泛关注,以高校、科研机构、生产商研发团队为主体的队伍成为了我国步进电机技术的核心研发人员。此后,我国各大工业技术相对发达的沿海城市涌现出一大批步进电机零部件及电子元件生产商,国产步进电机的生产、销售初见规模。

1步进电机控制总系统设计

1.1系统框架

本研究以四相步进电机为研究对象,围绕系统工作中反转、急停、加速、减速等多种功能,使步进电机的驱动系统和电机协调运作，文中在各个功能的按键上设置了发光二极管,用以直观的对外展示电机处于何种工作状态。系统框架简图如图一所示。

图一步进电机控制系统框架简图

1.2主控芯片选择

随着智能化设备的不断发展,工业自动化领域内的步进电机应用不再是简单的选型、安装、调试、使用。很多时候产品的更新换代、用户的不同需求都需要对控制器进行二次开发。故而,步进电机控制系统设计过程中应当要求主控芯片支持多种语言且拥有良好的编程环境。研究选择可多次擦写的STC89C5l芯片作为主控芯片。

2系统硬件电路设计

2.1系统硬件总电路构成

包括反转、急停、加速、减速等多种功能,文中在外接键盘上设置了6个按钮分别与上述功能一一对应,还在各个功能的按键上还设置了发光二极管,用以直观的对外展示电机处于何种工作状态及运行速度的档数。

2.2步进电机系统

步进电机的主要功能就是将输入的电能转换化成为机械能(常见的表现形式有角位移或线位移),通过电机转动的角度和圈数来衡量其工作精度和速度大小，根据输入电信号的不同又将步进电机分为单相和多相电机。

2.2.1步进电机的原理

步进电机工作的关键就是实现脉冲电信号到步进角度之间的转化,输入脉冲电信号与输出角度之间存在一一对应关系,单片机控制技术能够完全满足需求。

步进电机的工作原理为:①脉冲分配:三相步进电机工作过程中脉冲必须严格按照A-B-C-D的通电顺序进行;②电机的转向控制:通电相位与电机转动标的目的同等;③电机速率控制:经由控制单片机输出脉冲频率(两个脉冲的距离)实现调速。

2.2.2步进电机的特点

（1）电机表面的温度不能过高。

（2）电机运转过程中的振动较大,因此其所发出的噪音也较大,使得其在带动惯性负载时表现不好。

（3）对于电机与驱动电路共同形成的开环数控系统,性能可靠,结构简单,价格便宜。且其能够和角度反馈环节共同使用形成闭环数控系统,该系统在使用时,具有较高的性能。

2.3单片机系统

在本系统设计时,选择STC89C5l芯片作为电机的控制中心。该芯片在结构上较为简单,同时具有上万次闪烁式的电擦写功能,性能强大且应用方便,还能够与MCS5l系列兼容。其具有4K的ROM,具有一个8位微处理器。

2.4键盘控制电路

当使用单片机时,为了保证每次按键只能对应唯一的按键动作时,必须要消除抖动带来的干扰。这一消除操作主要可以通过两方面来实现,分别为硬件和软件。但是对于硬件消抖来说,由于其电路设计较为复杂,从而给实现过程带来一定的困难；而软件消除抖动法过程简单，价格低廉，方便快捷尤其适用于具有较多按键时,因此本文研究设计使用软件消抖。

3控制系统软件分析与设计

3.1主程序流程

电机主要运动分别为电机正转、反转、加速和减速。主程序设计也按此顺序依次实现。

对于电机的整个控制系统而言,由以下几个部分,

3.2读按键子程序流程

在确定按键操作时,使用的主要方法为扫描法,当扫描到一个数值时,将其与初始值进行对比,当两者为同一值时,则表示未按键,反之将进行软件消抖操作,方便后续进行按键与否的判断。当两者不等时,表示之前对比的不等结果主要诱因为抖动;当两者相等时,表示确实存在按键操作。从而将执行键盘输出的指令,改变相应的变量。

4系统调试与改进

4.1调试与改进

按照设计完成后对系统进行了调试，系统的硬件电路调试按以下步骤进行。

（1）明确电机的操作方法以及控制模式。这一点非常关键,因为它是整个系统