【正文】 基于 AT89C51 單片機的步進電機控制及驅(qū)動電路設(shè)計 引 言 國內(nèi)控制器的研究起步較晚，運動控制技術(shù)為一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，是一個以自動控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，包括許多不同學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域。如電機技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論和微計算機技術(shù)等，運動控制技術(shù)是這些技術(shù)的有機結(jié)合體?？傮w上來說，國內(nèi)研究取得很大的進步，但無論從控制器還是從控制軟件上來看，與國外相比還是具有一定差距。 傳統(tǒng)上由純電路設(shè)計的步進電機控制和驅(qū)動電路一般較復(fù)雜，成本又高，而且一旦成型就難于修改， 可移植性差，難以適應(yīng)一些智能化要求較高的場合。單片機的普及與應(yīng)用，為步進電機的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復(fù)雜的控制器得以用軟件實現(xiàn)，將會避免復(fù)雜電路的設(shè)設(shè)計，既降低了硬件成本又提高了控制的靈活性、可靠性及多功能性。 本文主要 介紹了 步進電機的基本原理及 AT89C51單片機的性能特點。設(shè)計主要研究了一種基于 AT89C51單片機和 ULN2022驅(qū)動芯片的步進電機控制及驅(qū)動電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)可分為：控制模塊、驅(qū)動模塊、顯示模塊、人機交互模塊四大部分。其中采用 AT89C51單片機作為控制模塊的核 心，利用單片機編程實現(xiàn)了對步進電機啟動停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、加速減速等功能的基本控制。驅(qū)動模塊由芯片 ULN2022A驅(qū)動步進電機工作；顯示部分由七段 LED共陰數(shù)碼管組成；人機互換部分由相應(yīng)的按鍵實現(xiàn)相應(yīng)的功能。通過實際測試表明本設(shè)計系統(tǒng)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)步進電機控制器，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、實用性強、人機接口簡單方便、性價比高等特點。 目 錄 1 設(shè)計原理及方案 .................................................... 3 設(shè)計原理 ........................................... 3 設(shè)計方案 ........................................... 3 方案一 ...................................................... 4 方案二 ...................................................... 5 方案比較及選擇 .............................................. 6 2 設(shè)計實現(xiàn) ........................................................... 7 主要元器件介紹 ............................................... 7 四相六線步進電機的介紹 ...................................... 7 AT89C51 單片機芯片介紹 ....................................... 9 ULN2022 芯片介紹 ............................................. 9 LED 七段數(shù)碼管介紹 .......................................... 10 步進電機控制及驅(qū)動系統(tǒng)電路設(shè)計實現(xiàn) ..................... 10 硬件設(shè)計 ................................................... 10 軟件設(shè)計 ................................................... 13 3 電路調(diào)試 .......................................................... 14 軟件的仿真 ................................................... 14 硬件電路的調(diào)試 .............................................. 15 4 數(shù)據(jù)分析及總結(jié) ................................................... 16 測試數(shù)據(jù)及說明 .............................................. 16 總結(jié) .......................................................... 17 參考文獻 ............................................................. 18 附錄 .................................................................. 19 1 設(shè)計原理及方案 設(shè)計原理 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在 速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規(guī)下使用。步進電機必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 設(shè)計方案 設(shè)計要求：設(shè)計步進電機控制器硬件電路圖，并使用相應(yīng)的軟件實現(xiàn)硬件和軟件的仿真、調(diào)試。實現(xiàn)功能如下： （ 1）控制步進電機實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)； （ 2）控制步進電機轉(zhuǎn)速； （ 3）設(shè)計步進電機的脈沖放大電路，能驅(qū)動相電壓位 12V、相電流位為 的步進電機工作； （ 4）實現(xiàn)對步進電機圈數(shù)的預(yù)置； （ 5）同步顯示步進電機所轉(zhuǎn)圈數(shù)及速度。 根據(jù)步進電機的特點，步進電機的控制及驅(qū)動電路系統(tǒng)的設(shè)計可以有不同的方案。系統(tǒng)可以劃分為 ：控制模塊、驅(qū)動模塊、顯示模塊、人機交互模塊及電源電路五大部分，如圖 1步進電機控制驅(qū)動系統(tǒng)圖所示。 為實現(xiàn)各模塊的功能，分別對兩種不同的設(shè)計方案分別進行論證及比較，最終確定一個最優(yōu)方案。 圖 1 步進電機控制驅(qū)動系統(tǒng)圖 控制模塊 人機交互模 塊 驅(qū)動模塊 顯示模塊 電源 步進電機 方案一 方案一：基于 FPGA 的步進電機控制器及驅(qū)動的電路設(shè)計。 整個系統(tǒng)分為 五個部分組成 :FPGA 系統(tǒng)中央控制器、驅(qū)動電路及步進電機、光電編碼器、鍵盤輸入液晶顯示部分、以及電源電路組成，如圖 2 所示。此方案是用基于 FPGA 的系統(tǒng)中央控制器產(chǎn)生的PWM 環(huán)形脈沖信號經(jīng)過驅(qū)動電路的信號分配以及功率放大傳送給步進電機實現(xiàn)對步進電機的角位置或直線位移控制。鍵盤用于設(shè)定給定轉(zhuǎn)速、位置。采用光電編碼器對步進電機的轉(zhuǎn)速、位置進行采樣檢測實現(xiàn)閉環(huán)控制。以上過程中的多個變量、參數(shù)可以在液晶顯示屏上得到直觀地反映。 圖 2 基于 FPGA的步進電機控制器及驅(qū)動 系統(tǒng)圖 （ 1）控制器模塊 采用 FPGA為系統(tǒng)的控制器， FPGA可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性。 FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。通過輸入模塊將參數(shù)輸入給 FPGA， FPGA 通過程序設(shè)計控制步進電機運動，但是由于本設(shè)計對數(shù)據(jù)處理的時間要求不高， FPGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。 （ 2） 驅(qū)動模塊電路 結(jié)構(gòu)設(shè)計需要脈沖信號、信號分配、功率放大三部分組成。 控制模塊 產(chǎn)生一個脈沖序列和方向控制信號，使用脈沖分配器將脈沖序列分解形成四相正反相序，然后經(jīng)功率放大驅(qū)動步進電機。使用多個功率放大器件驅(qū)動電機，通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜，參數(shù)選擇困難，且需要多級放大，同時又要考慮功率的放大。 （ 3）顯示模塊 采用 液晶顯示器。 液晶顯示器不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯鍵盤輸入及液晶顯示部分 FPGA 系統(tǒng)中央 控制器 光電編碼器 驅(qū)動電路及步進電機 電源電路 給定轉(zhuǎn)速、位置 轉(zhuǎn)速位置顯示 讀取采樣結(jié)果 給定 PWM方波信號 檢測轉(zhuǎn)速、位置 示各種圖形、曲線和漢字，并且可以實現(xiàn)屏幕上下左右滾動、動畫、閃爍、文本顯示等功能，并具有功耗小、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點 。 但設(shè)計僅需顯示步進電機的轉(zhuǎn)速和所轉(zhuǎn)圈數(shù)，該方案雖然顯示直觀，但能實現(xiàn)更多的顯示的特點不能很好的發(fā)揮，并且器件昂貴。 （ 4）人機交互模塊采用 4 乘 4 矩陣鍵盤，查詢工作方式。該方案程序復(fù)雜，但在同樣多的 I/O口線條件下，行列式鍵盤能帶更多的按鍵，查詢工作方式也不用另接門電路。軟件雖然較難但電路較簡單。 方案二 方案二： 基于 AT89C51單片機的步進電機控制及驅(qū)動電路設(shè)計。整個系統(tǒng)可分為：AT89C51 單片機系統(tǒng)控制器、驅(qū)動電路、數(shù)碼管顯示、按鍵輸入模塊及電源電路五大部分，如圖 。本設(shè)計方案采用 AT89C51 單片機作為控制模塊的核心，利用軟件編程使單片機輸出 脈沖序列和方向控制信號，以此實現(xiàn)對步進電機啟動停止、正反轉(zhuǎn)、加減速的控制。 驅(qū)動電路部分由芯片 ULN2022A 和必要的外圍電路組成，單片機產(chǎn)生的信號經(jīng)驅(qū)動電路使其功率放大， 達到電機所需的驅(qū)動電壓和電流 由此驅(qū)動步進電機工作。由七段 LED共陰數(shù)碼管實現(xiàn)步進電機預(yù)置圈數(shù)和所轉(zhuǎn)圈數(shù)的 同步顯示。用相應(yīng)的按鍵實現(xiàn)預(yù)置圈數(shù)設(shè)置和清零的功能。 圖 3 基于 AT89C51單片機的步進電機控制及驅(qū)動系統(tǒng)圖 （ 1） 控制模塊 采用 AT89C51 單片機作為系統(tǒng)控制的核心。 利用單片機編程產(chǎn)生步進電機所需 脈沖序列和方向控制信號 。 單片機算術(shù)運算功能強、軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低，且可對其進行擴展，附帶顯示設(shè)備，鍵盤輸入等設(shè)備，使用方便。還可通過軟件編程實現(xiàn)對步進 電機的位置、速度預(yù)設(shè)及顯示。步進電機位置和速度實際上跟單片機產(chǎn)生脈沖的個數(shù)和脈沖 頻率是一一對應(yīng)關(guān)系，而方向由導(dǎo)電順序決定。 并且，由于單片機芯片引腳少，軟硬件連接簡便靈活，硬件容易實現(xiàn)。 （ 2）驅(qū)動模塊 直接采用 ULN2022 芯片進行功率放大。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是達林頓的， AT89C51單片機系統(tǒng)控制器 按鍵輸入 電源電路 驅(qū)動電路 數(shù)碼管顯示 預(yù)置數(shù) 控制 清零 脈沖序列 方向控制信號 步進電 機 功率放大信號 同步顯示圈數(shù)及轉(zhuǎn)速