單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的原理

本資料詳細(xì)介紹鄧步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。

    步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。它具有高精度的定位、位置及速度控制、具定位保持力、動(dòng)作靈敏、開回路控制不必依賴傳感器定位、中低速時(shí)具備高轉(zhuǎn)矩、高信賴性、小型、高功率等特征，使其具有廣泛的應(yīng)用。

    一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理

    步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，它的的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，控制換相順序，即通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照一定順序分別控制各相的通斷。通過控制脈沖個(gè)數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，即給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，若按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。控制步進(jìn)電機(jī)的速度，即給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步，兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

    二、設(shè)計(jì)方案

    本設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)AT89C51（晶振頻率為12MHZ）對(duì)四相六線制步進(jìn)電機(jī)（內(nèi)阻33歐，步進(jìn)1.8度，額定電壓12V）進(jìn)行控制。通過I/O口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。ULN2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅NPN 達(dá)林頓管組成。ULN2003 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。通過ULN2003構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖1所示。51的25-28口接ULN2003的1-4輸入端。另外，用鍵盤來對(duì)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，并用數(shù)碼管顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用74LS164作為2位單個(gè)數(shù)碼管的顯示驅(qū)動(dòng)。74LS164帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約I/O口資源。其電路圖如圖2所示。通過51的TXD和RXD口對(duì)CLK和DATA發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖1 51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)線路圖

圖2 顯示電路圖

    三、預(yù)期目標(biāo)

    將圖1圖2連接起來，使之實(shí)現(xiàn)：按下啟動(dòng)鍵，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，按下加1鍵，速度增加，按下減1鍵，速度降低，最高速度為100轉(zhuǎn)/分，最低速度為25轉(zhuǎn)/分，按下停止鍵，電機(jī)停轉(zhuǎn)。速度值在數(shù)碼管上顯示出來。

    綜合以上選取的方案，總的流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電路流程圖

    結(jié)束語

    設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)基本能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，經(jīng)過調(diào)試和修改，但還是存在問題，比如按開關(guān)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，轉(zhuǎn)速有時(shí)比較亂，顯示有時(shí)也有些不理想，后面的工作就是在軟件和硬件等方面進(jìn)行修改，以完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。