1 简介
步进电机作为工业领域广泛应用的控制电机,具有优异的开环性能,易于实现数字化、智能化控制。 由步进电机组成的控制系统具有结构简单、性能稳定、成本低廉等特点,在工业控制领域得到了广泛的应用。 单片机控制步进电机成本低廉、操作灵活,在步进电机的控制中得到了广泛的应用。 本文采用AT89C52单片机作为控制器,设计了一种新型两相混合式步进电机控制系统。
2 系统结构设计
控制系统主要由单片机、键盘、显示器、驱动器、PC上位机五个模块组成。 PC主机用于编写和烧录程序。 控制器通过相应的IO接口向驱动电路发送控制指令,可以控制步进电机的运行,完成系统的伺服控制。
该控制系统可实现以下功能: (1)控制步进电机的启停、运行方向和运行速度。 (2) 显示步进电机的运行状态、方向和速度。 (3)通过软件实现细分控制。 图1是控制系统的总体结构图。
图1 控制系统总体结构图
3 系统硬件设计
3.1 单片机模块
单片机模块主要由AT89C52单片机及外围滤波、电源管理、晶振和复位电路组成。 AT89C52单片机具有8KB可编程可擦只读存储器,方便重复编写程序。 电源管理电路提供的3.5V和5V电压分别为单片机、晶振、LED和控制电路供电。 12MHZ晶振为单片机提供时钟信号。 单片机的串口用于与PC上位机通信以及烧写软件程序。 P1口控制驱动电路开关管的通断。 P0、P2口控制由LCD1602和LED组成的显示模块。 P3口检测键盘信号和外部中断信号。
3.2 键盘及显示模块
控制系统配有由5个独立按键组成的键盘模块和由LCD1602和5个LED组成的显示模块。 通过键盘可以对步进电机进行正转、反转、加速、减速、停止等操作。 通过显示模块可以直观地显示步进电机运行过程中的状态信息。 图2是键盘和显示模块的硬件原理图。
该键盘模块的特点是利用单片机的两个外部中断来控制步进电机的加减速,即每引入一个外部中断,步进电机就加/减速一次。 前进、后退、停止按钮分别从单片机的P3.0、P3.1、P3.4端口引入。 加速和减速按钮分别从单片机的P3.2和P3.3端口引入。
LCD1602的数据/命令选择端、读写选择端、使能信号分别连接到单片机的P2.0、P2.1、P2.2口,数据口连接到P0口微控制器的。 LCD1602可以显示步进电机的5种工作状态和运行速度。 5位LED通过74LS138连接到单片机的P2.3-P2.5端口。 5位LD用来表示步进电机的五种工作状态:正转、反转、加速、减速、停止。
图2 键盘及显示模块硬件原理图
3.3 驱动模块
控制系统的电机驱动模块采用双极性驱动方式。 双极驱动是指步进电机线圈中电流流动的方向不是单向的,即绕组中的电流有时朝一个方向流动,有时朝相反方向流动。 双极驱动电路可同时驱动四线或六线两相混合式步进电机。
控制系统选用的两相混合式步进电机的额定电压为12V,绕组电阻为1.5Ω,额定电流为8A。 由于步进电机工作电流较大,因此需要选择额定电流较大的功率开关管。 否则,步进电机工作时大工作电流产生的热效应很容易烧毁开关管。 功率开关管BUW49工作时额定电压为80V,额定电流为30A。 它是大电流功率开关管,所以完全可以满足需要。
根据步进电机的工作原理,当控制电路向驱动电路发出相应的脉冲信号时,电机绕组的通电顺序为A+B+→A-B+→AB-→A+B-,其四个状态依次进行。 循环,电机正转。 如果相序变为A+B-→AB-→A-B+→A+B+,电机将反向旋转。
因此,当单片机AT89C52的P1.0~P1.7引脚输出的脉冲序列为10011001→01101001→01100110→10010110时,控制各开关管依次导通,从而得到相应的正向上电顺序,从而驱动步进电机正向旋转。 同样,当单片机的引脚输出的脉冲时序反转时,电机就会向相反方向旋转。 图3是驱动电路的硬件原理图。
图3 驱动电路硬件原理图
利用电子技术虚拟仿真软件Proteus 7.5对控制系统的硬件原理图进行了仿真。 仿真时,根据控制系统所选步进电机的实际参数设置两相混合式步进电机的参数。 经过仿真得出,该系统能够实现步进电机正反转、停止、加减速的控制,且控制非常灵敏、可靠,不会造成误动作。
步进电机在运行过程中的运行状态、速度参数和按钮操作状态都可以在LCD1602和5位英文LED上非常直观地显示。 通过分析仿真过程中虚拟示波器测得的A、B相绕组电压波形可知,步进电机在系统仿真运行过程中具有良好的动态响应。 图4是控制系统的总体硬件原理图。
图4 控制系统总体硬件原理图
4 系统软件设计
4.1 步进电机的工作原理
由于步进电机工作在双四拍模式下不易丢步,且控制精度高,因此步进电机采用双四拍模式。 在此工作模式下,每次都会导通两相绕组。 两相绕组电压相同,按A+B+→A-B+→AB-→A+B-(或相反)的方式导通。 当A、B绕组完成一个通电周期时,磁场旋转一周,转子前进一个步距角。
4.2 运行方向控制
步进电机的运行方向由其内部绕组的通电顺序和通电方法决定。 由于两相双四拍步进电机不易丢步且控制精度相对较高,因此本文采用两相双四拍工作方式来控制步进电机。
对于两相双四射工作方式:
两相双四拍控制模型如表3.1所示。
表3.1 两相双四拍控制模型
4.3 运行速度控制
控制步进电机的运行速度实际上是控制驱动脉冲的频率或换向周期。 即在加速过程中,驱动脉冲的频率增加; 在减速过程中,驱动脉冲的频率降低。 驱动脉冲频率的控制可以通过软件延迟和硬件中断来实现。
软件延时是指根据需要的延时时间常数编写延时子程序。 当CPU执行延时子程序时,系统达到延时的目的。 使用软件延迟方式,CPU一直被占用,降低了CPU利用率。
可编程硬件定时器可以对系统的时钟脉冲进行计数,计数值可以通过编程设置。 当计数到预定数量的脉冲时,定时器产生中断信号,系统获得所需的延迟时间。 定时器延迟可以提高CPU利用率。
4.4 系统编程
系统编程的思想是:
图5 系统程序结构图
5 实验验证
实验中,本系统选择57HS56DF101TK-01混合式步进电机作为控制对象。 步进电机为两相四线步进电机,步距角1.8°,额定电流8A,静扭矩10Kg·cm。 图6是控制系统的实物图。
图6 控制系统实物图
实验中测得电机绕组电阻Rs为1.5Ω,系统选用12V直流电源,满足步进电机的要求。 图7为步进电机运行时A相电压波形。 图8为步进电机的静态力矩-角特性曲线。
图7 步进电机A相电压图
图8 步进电机扭矩与角度特性曲线图
实验结果表明,该控制系统能够在步进电机运行过程中控制步进电机的运行,改变步进电机的工作状态,控制准确,更好地满足工作要求。
六,结论
本文设计的基于AT89C52单片机的两相混合式步进电机控制系统具有体积小、可靠性高、功能丰富、成本低等特点。 其应用范围广泛,具有较强的实用价值和经济价值。
(编自《电气技术》,原标题为《基于AT89C52单片机的步进电机控制系统研究》,作者为何冲、王书红等)