步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘要: 采用8051 單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī),實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器,達(dá)到了對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。采用的H - 橋驅(qū)動器使步進(jìn)電機(jī)在開環(huán)狀態(tài)下達(dá)到較高的變速轉(zhuǎn)速,同時斷電相不產(chǎn)生負(fù)的轉(zhuǎn)矩分量,其能量被輸入到電源,即將接通的下一相中去,增大了電流容量,提高了其工作的可靠性。

1 　引言
        本文主要研究基于8051 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器,驅(qū)動采用H - 橋驅(qū)動電路,使步進(jìn)電機(jī)可在智能化程序控制下完成正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加減速及細(xì)分等各種操作。文中所設(shè)計的H - 橋驅(qū)動電路可使步進(jìn)電機(jī)具有更高的性能,同時把數(shù)字電路與驅(qū)動電路隔離開,避免了步進(jìn)電機(jī)運行時所產(chǎn)生的沖擊電壓和電流干擾單片機(jī)。

2 　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
        步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。
 
圖1 　步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件原理圖
        系統(tǒng)中采用并行控制,用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動線路。鍵盤作為一個外部中斷源,設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能,采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序,完成對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制,顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。由于篇幅有限,在此僅給出H - 橋驅(qū)動電路和DPA 轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計。

(1) H - 橋驅(qū)動電路的設(shè)計
        H - 橋驅(qū)動電路如圖2 所示。其主電路的功率三級管使用4 個VMOS - FET 分為Q1 和Q4 及Q2和Q3 兩組。其中,Q1 和Q3 為低電平導(dǎo)通高電平關(guān)斷;Q2 和Q4 為高電平導(dǎo)通, 低電平關(guān)斷。采用LM339 比較器作為電流檢測元件,改變其輸入?yún)⒖茧妷?即可改變流過電機(jī)繞組的最大電流。比較器用一個DPA 轉(zhuǎn)換器來控制其參考電壓,使其為一階梯變化的電壓值,可以實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制。
 
圖2 　H - 橋驅(qū)動電路
       采用耦合變壓器驅(qū)動VMOS 功率管Q1 和Q3 ,使其不存在靜態(tài)導(dǎo)通條件。同時用7406 反向器和74LS00 組成邏輯電路提供VMOS 功率管柵極電壓,其輸出電壓為10～15 V ,可以保證VMOS 功率管可靠截止和導(dǎo)通。
       當(dāng)電機(jī)某相繞組通電時,輸入控制脈沖使Q1和Q4 導(dǎo)通,Q2 和Q3 截止,電流從電源經(jīng)Q1 和Q4 ,右側(cè)比較器以及電機(jī)繞組通過,當(dāng)繞組電流達(dá)到額定值時,右側(cè)比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)控制Q1 關(guān)斷,而電流一下降,Q1 再次接通。這種斷續(xù)作用使相電流維持一個平均值。當(dāng)電機(jī)繞組斷開時,Q1 和Q4 截止,Q2和Q3 接通,電流迅速從Q2 ,Q3 和左側(cè)比較器自行調(diào)整關(guān)閉功率管Q3 ,使電機(jī)繞組與高壓電源斷開,避免了繞組在電流衰減到零時再接著反向充電。

(2)DPA 轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計
       DPA 轉(zhuǎn)換接口電路如圖3 所示。圖中用DAC0832 作為DPA 轉(zhuǎn)換器芯片,其輸入為電流信號,可用UA741 集成運放將輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。DAC0832 的寄存器選擇信號CS及數(shù)據(jù)傳送信號XFER 都與地址線相連, 當(dāng)?shù)刂肪€選擇好DAC0832 后,只要輸出WR控制信號,DAC0832 就能一步完成數(shù)字量的輸入鎖存和DPA 轉(zhuǎn)換輸出,并由UA741 集成運放將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出控制比較器的參考電壓。
 
圖3 　四路單緩沖DPA 轉(zhuǎn)換電路

3 　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
         在軟件設(shè)計中僅給出系統(tǒng)的正、反轉(zhuǎn)控制程序和系統(tǒng)加減速程序流程,其他程序在此不再給出。
(1) 系統(tǒng)的正、反轉(zhuǎn)控制程序
        系統(tǒng)全部用軟件來實現(xiàn)相序的分配,直接輸出各相導(dǎo)通或截止的信號?，F(xiàn)以四相步進(jìn)電機(jī)運行為例,用一個輸出口的八位數(shù)據(jù)線來控制四相混合式步進(jìn)電動機(jī),A、B、C、D 各相驅(qū)動線路的輸入端分別用輸出口四位來控制,規(guī)定低電平有效,則四相八拍工作時可用表1 中的數(shù)據(jù)控制。
表1 　四相步進(jìn)電動機(jī)運行控制數(shù)據(jù)表
 
　觀察表1 ,要使步進(jìn)電動機(jī)換相,只需對字節(jié)內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)移位就可以了,左移時電動機(jī)正轉(zhuǎn),右移時電動機(jī)反轉(zhuǎn)。用8051 P1 口輸出,在初始化程序中對P1 裝載表1 中的任一數(shù)據(jù)編程,則正轉(zhuǎn)換相程序如下:
CW: MOV A , R0 ;將輸入口狀態(tài)送累加器
RL A ;左移循環(huán)移位
MOV P1 , A ;送回輸出口
RET ;返回
使用上述軟件方法時,一般是用8051 內(nèi)存的一個位地址存儲電動機(jī)運行的方向標(biāo)志。當(dāng)執(zhí)行程序時,首先判斷方向標(biāo)志,若為0 ,則調(diào)用正轉(zhuǎn)子程序;若為1 ,則調(diào)用反轉(zhuǎn)子程序,從而實現(xiàn)方向控制。

(2) 系統(tǒng)加減速程序
        用定時器中斷方式來控制電動機(jī)變速時,實際上是不斷改變定時器裝載值的大小。在控制過程中,采用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計算裝載值的時間,系統(tǒng)設(shè)計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的ROM中,系統(tǒng)在運行中用查表法查出所需的裝載值,這樣可大幅度減少占用CPU 的時間,提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
系統(tǒng)加減速流程圖如圖4 所示。
 
圖4 　加減速控制流程圖

4 　結(jié)語

1.  本設(shè)計中介紹了步進(jìn)電機(jī)接口電路,配合以單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制,避免了失步、振蕩等對控制精度的影響;
2.  設(shè)計中用軟件代替環(huán)形分配器,通過對單片機(jī)的設(shè)定,用同一種電路實現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動,大大提高了接口電路的靈活性和通用性;
3.  采用的H - 橋驅(qū)動器使步進(jìn)電機(jī)在開環(huán)狀態(tài)下可以達(dá)到較高的變速轉(zhuǎn)速,且斷電時不產(chǎn)生負(fù)的轉(zhuǎn)矩分量。