浅谈单片机在步进电机控制中的应用

摘要：本文基于STC89C52单片机实现了两个步进电机的数字控制，其中一个工作台可以平稳移动是通过加速、减速控制来实现的；而另外一个驱动工件旋转运动，且可调速、可显示加工时间，从而满足了设备加工控制的需求。

关键词：步进电机；STC89C52单片机

一、系统功能

本系统主要由两部分组成，即控制部分与显示部分，其中控制部分由电机换向控制、电机转速控制以及加减速控制等功能组成；加工时间显示以及电机转速显示则组成显示部分。本系统通过单片机实现对两个步进电机的控制，其中一个驱动工作台平稳移动，另外一个则驱动加工工件进行旋转运动；电机转速通过LCD显示，而加工时间的显示则由数码管来实现。

二、电路设计

本系统中步进电机采用68V的工作电压，电流最大值为8.28安培，驱动器采用配套的SD-2H086MB驱动器，其响应快且抗干扰性强，因此可以解决步进电机爬行速度低、噪声大、高速力矩低以及有共振区、较低的起动频率和驱动器可靠性差等不足。不过尽管电机配备有驱动器，但是假如将单片机端口与驱动器控制接口直接连接，则端口的电压将归0，所以单片机系统中还需设置驱动装置。本文利用专用的驱动芯片，其驱动力强、可靠性高，且适用性好。26LS31芯片的驱动通过差分电路来实现，按照步进电机的控制需求，1号电机的脉冲发出端口P1.0、方向信号端口P1.1、使能信号端口P1.2以及2号电机的脉冲信号端口P1.3、使能信号端口P1.4等均被驱动，2号电机转向不变，不接方向信号。其驱动接线图及驱动电路图分别如下图1和图2所示：

三、控制系统的实现

（一）加减速曲线的分析与实现

其实所谓的加减速就是速度变化的过渡过，在起动阶段，控制频率以特定的规律慢慢增加，从而速度可以平稳的升至预定值；而停止时控制频率再以相应的规律慢慢减小，从而速度平稳的降低直至完全停止。一般加减速算法有梯形曲线和指数曲线以及S曲线三种，其中S曲线算法加减速平稳，而且有较好的快速性及柔性，因此在数控系统中应用广泛。本文采用S曲线算法。

单片机中有三个定时器，其中两个需要分别控制两个步进电机，而剩下的一个则用于实现数码管显示加工时间。所以在设计程序的过程中，只需把采样周期T转换为N，即在一个采样周期内，其脉冲个数只需要对定时器的溢出次数加以控制，就可以控制采样周期T。因此只需将最大速度及最大加速度两个参数给定，就可以实现S加减速。

（二）换向控制

本系统中工作台移动方向的控制是利用行程开关与单片机相结合的办法来实现的，其具体步骤如下：当工作台开始加速至预定值时进行匀速动动，一旦行程开关被挡块触动，单片机就开始换向，即按照S曲线对电机的加减速过程加以控制。这种换向方法不但可以防止机械系统换向时的冲击，而且工作台不会由于单片机的程序错误而发生故障。

（三）转速控制及显示

在进行程序设计时就已经采用数组的形式给出了步进电机的转速，利用键盘按钮进行选择即可，所以系统中需要设置相应的按键以实现对设备的控制，即“选择-输入”键、“确定-启动”键等。其中设备所需的转速可以通过“输入-选择”键先进行选择，再利用“输入-启动”键加以确定。再分别另设一个“急停”键及“停止”键。

本系统的显示采用LCD来实现，其型号为1602，这种型号的LCD可以显示两行字符，每行共有16个，可以满足系统的显示要求。1602利用8位数据线进行数据传输，刚好占用单片机的一个端口；共有三个控制信号，即寄存器选择、读写控制以及起用。显示的主要内容包括显示系统工作的状态、提示输入以及确定转速等。

（四）显示加工时间

本系统加工时间的动态显示是利用数码管来实现的，通过单片机中的2号定时器控制加工时间。数码管时钟显示的原理为动态显示，这种显示方法一次只显示一个数码管，每位数码管显示时间约为1～2 ms，不过受数码管余晖效应以及人的视觉暂留的影响，通过肉眼看过去每位数码管均是亮的。这种动态显示的方法解决了显示变化以及端口不足的问题。数码管的全部段选均分别连接在一起，再与对应的控制端口位相连接，只需将每位数码管的选通信号与对应的COM端单独连接即可。

四、结论

完成本系统的研制后可以得出以下结论：第一，基于单片机控制器的步进电机控制系统实现后，体现了单片机在数据系统开发领域的可靠性、经济性、实用性以及简捷性，其作为应用最广泛的微控制器的一种，是小型控制系统开发研制的首选；第二，步进电机转向时所产生的冲击问题，可以通过S曲线加减速模型解决，从而保证了设备动运的平稳性及准确性；第三，系统的快速性要求可以通过S曲线参数的调整来实现。

注：文章内的图表及公式请到PDF格式下查看