基于Proteus与单片机的步进电机控制设计

摘 要:步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。采用AT89C52单片机内部的定时器改变CP脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行控制,实现了电机调速与正反转的功能,并使用EDA软件Proteus对设计进行了仿真,同时还设计了硬件电路。结果表明,使用Proteus仿真结果与硬件电路实验结果基本一致。先采用Proteus仿真,再移植到相应的硬件电路,这种方式可以减小系统开发成本和周期,具有一定的推广价值。

关键词:步进电机;单片机;调速系统;Proteus

中图分类号:TP27文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)05-104-03

Design of Control System of Stepper Motor Based on Proteus and Single Chip Microcomputer

YANG Hong,LI Guohui

(Xi′an University of Post and Telecommunications,Xi′an,710061,China)

Abstract:Stepper motor is the open-loop control device changing the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement.The speed of stepper motor is controlled by turning the CP pulse frequency by the internal timer of AT89C52 single chip microcomputer,and its normal-reverse function is realized.The simulation is done by the Proteus software of EDA,and the hardware circuit is also designed.The results show that the simulation results by Proteus software and the hardware experimental results are basically consistent.The simulation is used firstly by Proteus,and it is transplanted into the corresponding hardware circuit.This way can reduce system′s developing costs and cycle,and has a certain promoting value.

Keywords:stepper motor;single chip microcomputer;speed regulating system;Proteus

0 引 言

步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机则有定位和运转两种基本状态,当有脉冲输入时步进电机一步一步地转动,每给它一个脉冲信号,它就转动一定的角度[1]。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比,在时间上与输入脉冲同步,因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序,便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时,在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态,因此非常适合于单片机控制。步进电机作为一种高可控性的特种电机,利用其没有误差积累(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。

英国Labcenter electronics公司推出了嵌入式设计仿真与开发平台Proteus,用户可以根据需要搭建开发平台,将编译好的目标代码加载到芯片中。目前支持的编译器有Keil,GNU以及IAR等。在Proteus软件中还可以查看多种调试信息,如源代码执行情况、CPU寄存器信息、变量值以及FLASH与RAM中的信息等。大量的元件库支持大型设计,而且在仿真中还可以观察各元件的状态。先通过Proteus仿真,再移植到相应的硬件电路,这种方式可以减小系统开发开支和周期,值得推广。

1 系统的总体方案

该设计如图1所示,将单片机AT89C52产生的驱动脉冲通过功率放大器放大,从而驱动步进电机。通过4个按键,实现步进电机的正转、反转、加速、减速等功能,通过软件与硬件相结合的控制方法,实现了运用单片机对步进电机的稳定控制,实现grade 0~grade 9十级变速,转速分别是3 r/min,5 r/min,8 r/min,10 r/min,12 r/min,15 r/min,30 r/min,40 r/min,60 r/min,120 r/min,变速范围较广,并采用LCD1602显示屏即时显示控制电动机的转动信息。系统软件编写遵循模块化设计的原则,代码具有良好的易维护性和可移植性。本系统操作方便,可靠性高,其设计精度可以满足一般工业控制的要求,能满足现代化生产的需要,实现了对步进电机的良好控制。

图1 系统原理图

2 硬件设计

本系统的硬件设计主要包括单片机最小系统、步进电机驱动电路、LCD显示电路、键盘电路等,系统电路图如图2所示。

图2 系统电路图

2.1 驱动电路的设计

步进电机不能直接采用直流或者普通交流来供电,必须采用专门的步进电机驱动控制器,其驱动控制器一般包括脉冲发生与分配单元、功率驱动单元,闭环控制电路中还将加入反馈和保护单元。大多数步进电机运动控制系统都运行在开环状态下,因为成本较低,并无须反馈,故本设计采用了开环控制方式。

(1) 脉冲分配器

脉冲分配器又称环形分配器。步进电机正常工作需要按照步进电机的励磁状态表所规定的状态和顺序依次对各相绕组进行通电或者断电控制,各相驱动信号来源于脉冲分配器。脉冲分配器的主要功能是把来源于控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电机驱动器的各相输入端,控制励磁绕组的导通或者截止。脉冲分配器是一种特殊的可逆循环计数器,只是这种计数器的输出不是一般的编码,而是步进电机激励磁状态要求的特殊编码。

由于单片机的硬件资源完全够用,采取软件实现环形脉冲分配器的功能,使得硬件设计更为简洁。

(2) 激励方式

二相六线永磁式步进电机的激励方式有一相、┒相、一至二相三种。一相激励方式是指每一时刻四相中只有一相接通,步进电机以此方式工作时,温升较高,电源功率功耗小,但是当速度较高时容易产生失步;┒相激励方式是指每一个时刻四相中有两相导通,然后按四相的顺序循环;一至二相激励方式使步进电机工作在半步状态,与整步工作状态相比较,半步状态振动较小,且控制更准确。本设计中选用一至二相激励方式驱动步进电机。

(3) 功率驱动单元

一般脉冲分配器输出的驱动能力有限,不能直接驱动步进电机,而需要经过┮患豆β史糯,即功率驱动电路。单极性和双极性是步进电机最常采用的两种驱动架构,本设计选用单极性功率驱动电路,将单片机产生的脉冲信号通过达林顿管ULN2803放大,然后驱动步进电机。