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基于89C51单片机的步进电动机控制系统设计
发布日期:2020-08-08 07:21   来源:未知   阅读:

  随着数字化技术的快速发展,数字控制技术在工业控制方面得到了极其广泛的应用。由组成的控制系统具有结构简单、功能强大、成本低廉等诸多优点,能满足工业控制的基本性能需求和大规模商用要求,因此在工业自动化设备等领域得到了广泛而深入的应用。是一种将电脉冲信号转变成对应角位移或线位移的电动机,实际上是一个D/A转换器,也即是一个数字/角度转换器。步进电机的角位移与控制脉冲间实现精确同步,若将步进电机的角位移的改变转换为线位移、位置、体积、流量等物理量的变化,便可实现对它们的控制。是数字控制电动机,能将脉冲信号转换成角位移,电动机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,在非超载状态下,根据上述线性关系,再加上步进电动机只有周期性误差而无累积误差,因此步进电机适用于控制。由于步进电动机具有快速启停,可直接接收计算机输出的数字信号以及精度高等显著特点,因此,步进电机现已成为工业过程控制中的重要控制元件之一。

  由于单片机技术的成熟发展和成本优势,使得使用单片机控制的步进电动机系统具有成本低廉、使用灵活等优点,可以广泛应用在数控机床、机器人,工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域中。

  步进电动机按其相位数不同,可以分为二相、三相、四相、五相和六相。本文以三相为例来说明步进电动机的工作原理。电动机的定子上有6个等分的磁极,AA、BB、CC,相对的两个磁极组成一组,每个磁极上都有5个均匀分布的小齿轮。转子上由40个小齿轮均匀分布在圆周上,相邻两齿轮之间的夹角为3600/40=90。当电流通过某一绕组时,该绕组对应的两个磁极即可形成NS极,并产生磁场,写转子形成磁路。若定子的小齿轮此时与转子的小齿轮没有对齐,则在该磁场的作用下,转子就会进行一定角度的旋转,使转子的小齿轮与定子的小齿轮进行对齐,选择的角度即为步距角。

  在单三拍控制方式下,当A相通电,B、C相断电时,在磁场作用下,使转子小齿轮与A相的定子小齿轮对齐。若假定与A相中心对齐的为0号齿轮,A相所在角度为00。由于三相磁极相差1200,此时转子13号齿轮与B相的中心相差角度为1 200-90*13=30,转子27号齿轮与C相的中心相差角度为2 40090*27=-30,若此时让B相通电,A、C相断电,在磁场作用下,要使转子小齿轮与B相定子齿轮对齐,转子需顺时针旋转30。若此时让C相通电,A、B相断电,在磁场作用下,要使转子小齿轮与C相定子齿轮对齐,转子需逆时针旋转30。若通电顺序为:ABCA,转子则顺时针旋转,若通电顺序为:ACBA,转子则逆时针旋转,从而实现对电机的正反转控制。

  步进电机控制系统主要由单片机、PC上位机、驱动电路、步进电动机、4*4键盘和LED显示等模块组成,下图1为步进电机控制系统是总体结构图。单片机产生脉冲信号并将脉冲信号传送给步进电动机,完成对步进电动机的步数和圈数的准确计数,从而实现对步进电动机的转速控制。PC上位机模块是系统的核心,通过串口向单片机发送控制命令,实现PC机对步进电动机的实时控制,并实时显示步进电动机的运行状态。4*4键盘模块实现指令输入,LED显示模块可显示步进电动机的转速和转向等运行状态。为保护单片机控制系统硬件电路,在单片机和步进电机之间增加过驱动电路。

  由于步进电动机的驱动电流比较大,步进电动机较大驱动电流的通断会造成电磁干扰,进而会影响单片机的正常工作。因而单片机与步进电动机之间的驱动电路就显得尤为重要。本系统采用74LS04非门与有光电隔离的4N29达林顿管组成驱动电路,这样不仅避免了在驱动电路发生故障,造成高电压、大电流进入单片机而烧毁器件。同时割断了驱动电路与单片机控制电路之间的电气连接。另外步进电动机的启停和正反转分别由S1,S2控制。硬件接线 软件实现

  由表1可以看出,输出的不同状态字,表示不同的励磁方式。P1=0x06H,表示A相通电,其它两相断电:P1=0x05H,表示B相通电,其它两相断电;P1=0x03H,表示C相通电,其它两相断电。若以次给P1口送0X06H,0X05H,0X03H,则步进电机通电顺序为ABCA相。反之若以次给P1口送0X03H,0X05H,0X06H,则步进电机通电顺序为CBAC相。从而用软件实现了步进电机的正反转控制。步进电机的旋转速度可以用脉冲宽度,即送出控制状态字后的延时时间长短来控制。

  高,步进电动机的步距角非常精确,且不受外界环境温度,湿度等因素的影响。本系统只需要简单的改变输出状态字序列,及状态字的输出频率,便可实现对步进电机的精度及速度控制。由PC上位机程序可以完全控制步进电动机的各种运行方式,使系统能够应用于恶劣环境中,保证使用人员的安全,且适用范围较广,该系统在数控铣床进给伺服机构的驱动电动机进行试用,实用价值较高,因此本系统具有很好的应用前景。