步進電機智能控制的設計與實現(xiàn)

徐建國

摘 要

步進電機是利用輸入數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成機械能量的電氣設備，由于步進電機旋轉(zhuǎn)角度與輸入脈沖數(shù)目成正比，只要控制輸入的脈沖數(shù)目便可控制電機轉(zhuǎn)動角度。設計一個步進電機智能控制。要求能從鍵盤上輸入步進電機轉(zhuǎn)數(shù)，控制步進電機正、反轉(zhuǎn)及啟停，并顯示轉(zhuǎn)數(shù)。

【關(guān)鍵詞】步進電機 脈沖 控制

1 步進電機智能控制思路

我們知道步進電機必須加上驅(qū)動電路才能轉(zhuǎn)動，驅(qū)動電路的信號輸入端必須輸入脈沖信號，若無脈沖輸入時，轉(zhuǎn)子保持yd的位置，維持靜止狀態(tài)；反之，若加入適當?shù)拿}沖信號時，轉(zhuǎn)子則會以一定的角度轉(zhuǎn)動，如果加入連續(xù)脈沖時，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度與脈沖頻率成正比。

為此，我們掌握了如何使用按鍵對步進電機進行方向和轉(zhuǎn)速控制。但是如何對步進電機進行精確定位和精確定速？

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。這樣，我們就可以通過以下兩個方面對步進電機進行智能控制，達到精確定位和精確定速的目的。

（1）通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；

（2）通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到精確定速和調(diào)速的目的。

作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件，步進電機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點，步進電機智能控制可以廣泛應用在數(shù)控機床、機器人、自動化儀表等領(lǐng)域。

2 步進電機智能控制組成

步進電機智能控制主要包括單片機、鍵盤輸入模塊、顯示模塊以及步進電機控制模塊等部分。步進電機智能控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

鍵盤輸入模塊主要完成數(shù)據(jù)輸入及控制輸入；顯示模塊主要對步進電機的設置和運行狀態(tài)進行顯示（如顯示步進電機設置要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)以及正反轉(zhuǎn)指示等）；步進電機控制模塊主要是由單片機輸出控制碼到驅(qū)動電路來控制步進電機的運轉(zhuǎn)。

3 步進電機智能控制設計

設計一個步進電機智能控制。要求能從鍵盤上輸入步進電機轉(zhuǎn)數(shù)，控制步進電機正、反轉(zhuǎn)及啟停，并顯示轉(zhuǎn)數(shù)。

3.1 步進電機速度控制和方向控制的關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 速度控制關(guān)鍵技術(shù)

只要改變脈沖信號之間的延時時間，即改變每步之間的延時時間，便可控制步進電機的轉(zhuǎn)速。延時時間變短，轉(zhuǎn)速提高，延時時間變長，轉(zhuǎn)速降低。每走一步，必須延時一段時間。

3.1.2 方向控制關(guān)鍵技術(shù)

只要改變勵磁順序，就可以改變步進電機旋轉(zhuǎn)方向。例如：

正轉(zhuǎn)時，1相勵磁順序為：A→B→C→D→……

反轉(zhuǎn)時，1相勵磁順序為：D→C→B→A→……

3.2 鍵盤控制步進電機方向和速度

鍵盤控制步進電機的方向和速度由AT89S52單片機最小應用系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動電路、鍵盤電路等模塊構(gòu)成。反轉(zhuǎn)按鍵、加速按鍵、減速按鍵和正轉(zhuǎn)按鍵分別接到P2口的P2.0、P2.1、P2.2和P2.3引腳。驅(qū)動電路采用高電壓、大電流的ULN2003A，分別接到P3口的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3引腳。

3.3 鍵盤設計

鍵盤采用矩陣式鍵盤，鍵盤設計功能分配如下：

（1）0～9：為數(shù)字鍵。

（2）*：正逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)設定完成后，按“*”啟動步進馬達。

（3）#：清除設定為正轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)數(shù)為00.

（4）A：設定正逆轉(zhuǎn)。按A鍵則LED亮，表示反轉(zhuǎn)，再按則LED指示燈滅，表示正轉(zhuǎn)，再按LED亮。

3.4 數(shù)碼管顯示模塊設計

數(shù)碼管顯示模塊電路采用硬件譯碼輸出字型碼控制顯示內(nèi)容，數(shù)碼管是陽極數(shù)碼管，7段字型譯碼器用的是74LS47，電路設計參考圖2。

3.5 步進電機控制模塊設計

步進電機控制模塊電路采用有施密特觸發(fā)器的六反方器74LS14和高低壓、大電流的達靈頓晶體管數(shù)組產(chǎn)品ULN2003A，電路設計參考圖2。

3.6 步進電機智能控制電路實現(xiàn)

步進電機控制模塊電路、鍵盤電路、數(shù)碼管顯示模塊電路分別接在AT89S52單片機的P0口、P1口、P2口，接在P3.0的LED是步進電機正反轉(zhuǎn)的引腳顯示的，步進電機智能控制電路設計如圖2所示。

3.7 步進電機智能控制工作過程

由鍵盤輸入轉(zhuǎn)數(shù)，設定正反轉(zhuǎn)后，按確認鍵。單片機根據(jù)設定由P0口送出控制碼經(jīng)74LS14和ULN2003A達靈頓管驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。同時，LED數(shù)碼管顯示設定的轉(zhuǎn)數(shù)，步進電機每轉(zhuǎn)動一圈，數(shù)碼顯示的數(shù)字減1，當減至零時，步進電機停止轉(zhuǎn)動。LED指示燈亮，表示反轉(zhuǎn)，LED指示燈滅，表示正轉(zhuǎn)。步進電機智能控制采用C語言程序設計（略）。

作者單位

炎黃職業(yè)技術(shù)學院 江蘇省淮安市 223400