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1、步进电机控制系统的设计王庆祝,马玉泉,计儒楷,闫栋梁(河北科技师范学院机械电子系,河北秦皇岛,066600)摘要:系统采用AT89C51单片机控制步进电机的各种运行方式,可实现步进电机正反转控制,三拍、六拍工作方式设定,步进电机无级调速。程序采用模块化设计,通过键处理程序实现各功能设置,操作简单,易于掌握。关键词:步进电机;单片机控制;专用环分芯片;软件控制中图分类号:TM30112 文献标识码:A 文章编号:167227983(2005)0320008204步进电机具有控制方便、体积小等特点,因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用。近年来大规模集成电路的发展以及各种
2、单片机的迅速发展和普及,为设计功能强、价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。1 功能及原理111 功能该系统在设计上采用单片机控制,操作界面简单,具有三相通电显示、置数、计数显示功能,能设定步进电机的工作状态(单三拍,双六拍,正、反转),并记录电机运行的步数,动态观察各工作状态下90BF002Ê改进型步进电机三相的通电顺序等。112 工作原理利用单片机产生步进脉冲,经专用环分芯片、光电隔离电路及驱动电路驱动步进电机运行。通过改变单片机输出脉冲的频率实现电机的无级调速,改变三相通电顺序实现电机正反转运转,显示电路实时显示电机的运行频率。2 硬件设计系统硬件的设计思
3、想是力求结构简单、工作可靠、适应教学要求、性能价格比高。其逻辑框图如图1。211 硬件的核心部分CPU在硬件核心部件CPU的选用上,采用了ATMEL公司生产的AT89C51单片机。它是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4k字节的可反复擦写的只读程序存储器(E2PROM)和256字节的随机存取数据存储器(RAM)[1]。不需扩展程序存储器和数据存储器,进一步简化了电路。212 脉冲分配电路系统采用专用脉冲分配器芯片进行通电换相控制。脉冲分配器8713有很多种,它们的功能一样,可以互换[2]。考虑到性价比选用国产的5G8713。该芯片与单片机的接口如图1所示。系统选用单时钟
4、输入方式,各引脚状态及实现的功能如下:(1)用P111和P112实现励磁模式的切换;(2)用CP脉冲的不同分配控制励磁顺序和通电方式;(3)用P113实现控制步进电机的正反转。由于采用了专用脉冲分配器,单片机只需提供步进脉冲、进行速度控制和转向控制、工作方式控制,脉冲分配的工作交给脉冲分配器自动完成,从而减轻了CPU的负担。213 高低压驱动及其保护电路21311 高低压驱动电路 高低压法的基本思路是:不论电机工作的频率如何,在绕组通电的开始用高压供电,使绕组中电流迅速上升,而后用低电压维持绕组中的电流。图2为系统一相的高低压驱动及其保护电路,其它两相相同。高压脉宽由Rf,Cf决
5、定,脉宽:TH=0145RfCf。当Rf=47k8,Cf=011Lf时,TH=211ms。图中TH、Tl选取BD242,中功率管选取3CA6。图2 高低压驱动电路21312 保护电路 步进电机驱动器都是工作在大电流状态,而且电动机在运行过程中,绕组自身产生很大的反电势,电压电流的波形尖峰很多,功率管工作条件复杂,所以设置保护电路。本系统采用过流保护电路(如图2虚线框)。图3为单三拍方式工作一相的波形,其中包括步进时钟、步进电机绕组电压(UH为高压,UL为低压)和电流波形,其它两相相同。214 键盘及显示电路本系统的按键、显示电路采用专用芯片8279,该芯片与单片机的接口电路如图4
6、示。21411 专用芯片8279与键盘的连接 8279与键盘的连接主要是为键盘扫描提供扫描信号和测试列线状态[5]。系统中使用的是4×3键盘,只需使用SL0～SL3输出口的4条口线。键盘矩阵的3根列线接8279的RL0～RL2。系统中的换档引线SHIFT在使用状态,通过按键接地。控制引线CNTRL是不使用的,因此将它直接接地。21412 专用芯片8279与显示器的连接 系统显示电路采用13位LED数码管。显示器的显示内容由段控线提供,由于显示器为共阴极接法,故段控信号高电平有效。段控线由A0～3和B0～3组成,共8位,为提高段控的驱动能力,在线路上加驱动器。13位LED需要13个
7、位控信号,图中是以SL0～SL3作为位控输出信号,4根信号线经4～16译码后就得到了16个位控输出(其中3根输出悬空),经驱动器接各LED的位控信号端。21413 步进电机各相通电显示 该部分电路的设计十分简单,只需在单片机的P2口低三位外接3个发光二极管,在其高三位外接导线将环分后的信号引入单片机。由软件根据高三位状态点亮与熄灭发光二极管。215 频率设定电路该部分电路由精度为012%的压频振荡器电路组成。其电路原理如图5所示。图中压频变换器的回扫时间约为1Ls,输入电压0～1
