【導(dǎo)讀】基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計滿足了成本低、靈活性高的特性。本設(shè)計能夠廣泛應(yīng)用于機(jī)器人及數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域。在工業(yè)控制以及各種可控有定型的機(jī)械工具方向有良好的發(fā)展前景。
步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，非超載狀態(tài)下，根據(jù)上述線性關(guān)系，再加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性誤差而無累積誤差，因此步進(jìn)電機(jī)適用于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)通過輸入脈沖信號進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路是根據(jù)單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號進(jìn)行工作。因此，單片機(jī)通過向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)送控制信號就能實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。
1 系統(tǒng)設(shè)計原理
步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、鍵盤LED、驅(qū)動／放大和PC上位機(jī)等4個模塊組成，其中PC機(jī)模塊是軟件控制部分，該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能：1)通過鍵盤啟動／暫停步進(jìn)電機(jī)、設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向；2)通過LED管顯示步進(jìn)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等工作狀態(tài)；3)實現(xiàn)三相或四相步進(jìn)電機(jī)的控制：4)通過PC上位機(jī)實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制(啟停、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等)。為保護(hù)單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路，在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間增加過流保護(hù)電路。圖l為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖。
2.1 單片機(jī)模塊
單片機(jī)模塊主要由MSP430FG4618單片機(jī)及外圍濾波、電源管理和晶振等電路組成。MSP430FG4618單片機(jī)內(nèi)部的8 KB RAM和116 KB Flash滿足控制系統(tǒng)的存儲要求，P1和P2端口在步進(jìn)電機(jī)工作過程中根據(jù)按鍵狀態(tài)判斷是否跳入中斷服務(wù)程序來改變步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，USART模塊實現(xiàn)單片機(jī)和PC上位機(jī)之間的通信，實現(xiàn)PC機(jī)對步進(jìn)電機(jī)控制。電源管理電路提供穩(wěn)定的3．3 V和5 V電壓，分別給單片機(jī)、晶振電路和驅(qū)動和功率放大電路供電。32 kHz晶振給單片機(jī)、鍵盤／顯示接口器件8279和脈沖分配器PMM8713提供時鐘；當(dāng)采用USART模塊時需開啟8MHz晶振設(shè)置通信模塊。圖2為單片機(jī)模塊結(jié)構(gòu)框圖。
2.2 鍵盤／LED模塊
為實現(xiàn)人機(jī)對話，該系統(tǒng)設(shè)計擴(kuò)展了3x4按鈕矩陣鍵盤和4片8段LED數(shù)碼管，可手動直接操作該控制系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，通過鍵盤輸入步進(jìn)電機(jī)的啟停、步數(shù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等，由LED管動態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。鍵盤的輸入和LED管的輸出由8279進(jìn)行控制，減少單片機(jī)工作負(fù)擔(dān)。8279編程工作在鍵盤掃描輸入方式，讀入鍵盤時具有去抖動功能，避免誤觸發(fā)。圖3為鍵盤LED模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖。
控制系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)控制用的脈沖分配器(又稱邏輯轉(zhuǎn)換器)PMM8713，該器件是CMOS集成電路，相輸出驅(qū)動能力(源電流或吸入電源)為20 mA，適用于控制三相或四相步進(jìn)電機(jī)，可選擇下列6種激勵方式：三相步進(jìn)電進(jìn)：1相，2相，1-2相；四相步進(jìn)電進(jìn)：1相，2相，1-2相。輸入方式可選擇單時鐘(加方向信號)和雙時鐘(正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時鐘)兩種方式，具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)位、原點監(jiān)視、激勵方式監(jiān)視和輸入脈沖監(jiān)視等功能。器件PMM8713由時鐘選通、激勵方式控制、激勵方式判斷和可逆環(huán)形計數(shù)器等部分構(gòu)成，所有輸入端內(nèi)都設(shè)有施密特電路，可提高抗干擾能力。PMM8713輸出需接功率驅(qū)動電路，選用功率驅(qū)動器PMM2101，最大輸出電流為1．4 A，滿足驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的要求。驅(qū)動／放大電路如圖4所示。MSP430單片機(jī)通過調(diào)節(jié)PMM8713的端口1～4輸入脈沖信號控制步進(jìn)電機(jī)的啟停、速度和轉(zhuǎn)向等。
3.1 單片機(jī)程序
利用單片機(jī)的定時器TIMER_A(TA)中斷產(chǎn)生脈沖信號，通過在響應(yīng)的中斷程序中實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步數(shù)和圈數(shù)的準(zhǔn)確計數(shù)，通過PWM實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制；利用P1．0端口的中斷關(guān)閉TA中斷程序，并推入堆棧，停止電機(jī)；P1．1中斷則開啟TA中斷，堆棧推入程序計數(shù)器(PC)，開啟電機(jī)；P3．1端口輸出高電平由PMM8713的U／D端口控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向；P3．0～P3．7端口接8279的8個數(shù)據(jù)接口，當(dāng)單片機(jī)掃描到矩陣鍵盤有鍵按下時，利用P2端口的中斷設(shè)置TA，控制啟停、調(diào)速和轉(zhuǎn)向等，同時單片機(jī)反饋給8279控制LED管顯示轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。其程序流程如圖5所示。
3.2 PC上位機(jī)模塊
PC上位機(jī)模塊實現(xiàn)PC機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制。利用MSP430單片機(jī)的USART模塊實現(xiàn)與PC上位機(jī)的通信，PC機(jī)通過串口向單片機(jī)發(fā)送控制命令，實現(xiàn)電機(jī)控制。單片機(jī)所接收到控制命令暫存在RXBUFFER中，然后與存儲在片內(nèi)Flash的中斷程序的入口地址相比較，相同就進(jìn)入中斷，實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。操作該模塊時需要開啟8 MHz晶振為USART模塊設(shè)置波特率(設(shè)置波特率為9 600)。控制軟件由VB6．0編寫，利用MSComm控件實現(xiàn)串行通訊功能。其控制軟件界面如圖6所示。
為檢驗該控制系統(tǒng)的實際工作情況，在給定PMM2101輸出工作電流的狀態(tài)下采用能量轉(zhuǎn)化法測得步進(jìn)電機(jī)輸出的最大靜轉(zhuǎn)矩。選取輸出電流間隔0．2 A，測到步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩與電流之間關(guān)系的靜特性曲線，如圖7所示，說明該控制系統(tǒng)設(shè)計較合理。
該系統(tǒng)通過MSP430單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，可靠性高，在電機(jī)運(yùn)行時能夠方便設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的啟／停、轉(zhuǎn)速和方向，提高步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)精度；能夠控制三相或四相步進(jìn)電機(jī)；由PC上位機(jī)完全控制步進(jìn)電機(jī)的各種運(yùn)行方式，使系統(tǒng)能夠應(yīng)用于惡劣環(huán)境中，保證人員安全，適用范圍較廣，且電路簡單，成本較低，控制方便，移植性強(qiáng)，實用價值高。
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