基于单片机的步进电机控制系统研究

news2024/12/22 15:08:03

摘要：近年来，步进电机凭借其定位精度高、使用方便、性价比高、容易控制等优点，在各领域受到广泛应用。文中利用C52 单片机设计了一种步进电机控制系统，介绍了其总体方案、主控制模块、驱动电路、键盘、晶振电路模块等，并使用Protues绘制仿真图，与编程软件进行联合调试仿真。仿真结果表明，所设计的步进电机控制系统正确有效。

关键词：单片机；步进电机；控制系统；研究；仿真

0 引言

步进电机又称脉冲电动机，凭借其定位精度高、使用方便、性价比高、容易控制等优点，在办公自动化、工厂自动化和计算机外部设备等领域中受到广泛应用，故对其控制系统的研究颇为重要。

本文采用 C52 单片机设计步进电机的控制系统，并使用 Protues 绘制仿真图，同时与编程软件（ Keil4 ）进行联合调试仿真，仿真结果表明，所设计的步进电机控制系统使用便捷、有效。

1 步进电机简介

步进电机是一种感应电动机，根据电子电路的原理将直流电变为分时供电、多相时序控制的电流，用分时电流为步进电机供电，使步进电机正常工作，而驱动器就是一种能为其分时供电，多相时序的控制器。

步进电机在不超过负载的情况下，其转速、停止的位置只由脉冲频率以及脉冲数决定，而负载以外的变化对其无影响，当驱动器接收到一个脉冲信号时，便会驱动步进电机按设定好的方向转动一个固定的角度（“步距角”），其旋转按设定方向一步步运行。步进电机通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到精准定位。同时也可通过控制脉冲频率来控制其速度与加速度，从而达到调速的目的。

2 硬件设计

本文以 STC89C52 单片机为核心处理器，将按键作为输入模块，以控制步进电机的正转、反转、步进，并实现正反转。步进电机选用 28BYJ-48 型四相八拍式步进电机，系统构成如图 1 所示。

由于单片机直接输出的脉冲信号不大，无法让步进电机正常工作，因此不能将其直接连接到步进电机上，需要在它们之间加上一个驱动电路。对于直流电流小于 0.5 A 的步进电机来说，可通过型号为 ULN2003A 的达林顿芯片来驱动步进电机，从而使其正常工作。ULN2003A 系列驱动器的引脚与步进电机连线示意图如图 2 所示。左边 1 ～ 7 为输入端，接单片机P2 口的输出端，驱动信号由 P2 口的 P2.0 至 P2.3 输出，左侧10～ 16 为输出端引脚，接步进电机，引脚 9 接 5 V 电源，该驱动器提供的电流最高为 0.5 A 。

键盘是由若干按键组成的按键矩阵，是一种最简单的单片机输入设备，通过键盘输入相应数据和指令来实现人对机器的控制，键盘电路如图 3 所示。

本文采用外部中断的方式。信号输入部分为 P3 口， P1 口为发光二极管显示部分，P2 口作为电机的驱动部分，整体仿真电路如图 4 所示。

3 程序设计

系统主程序流程如图 5 所示。系统上电复位，对参数进行初始化，然后检测串口是否发送数据，当确定串口数据发送后程序便调用相应的子程序；如果串口没有发送数据则程序重新初始化。系统上电复位后，键盘初始化并复位，然后进入按键查询，等待操作。当有按键按下后，系统开始调用相应的子程序。按键程序流程如图 6 所示，步进电机工作流程如图 7 所示。

4 仿真调试

使用 Protues 绘制仿真图，与编程软件（ Keil4 ）进行联合调试仿真。当步进电机接收到连续不断的脉冲信号时，则持续运转。步进电机的绕组通电状态每改变一次就会产生一个脉冲信号，转子也相应转过一个步距角。当通电状态结束一个循环时，转子会转过一个齿距。四相八拍方式的通电顺序为：A 相线圈最先通电；然后转换变为 A ， B 两相线圈同时通电；接着 B 相线圈通电；再之后 B ， C 两相线圈同时通电……（即按 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A …的顺序进行）。当步进电机定子绕组按顺序周期性通电时，转子沿设定方向一步步转动。步进电机工作波形如图 8 所示。