本文介紹了一種基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)例，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)原理，并給出了控制電路原理圖及部分控制程序。 1 步進(jìn)電機(jī)及控制要求 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。其功能就是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一個(gè)電脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。因此只要控制輸入脈沖的頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。 由于步進(jìn)電機(jī)在負(fù)載能力范圍內(nèi)有步距值不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化、誤差不長(zhǎng)期累積以及控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，所以步進(jìn)電機(jī)在紡織、儀器儀表、冶金等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)分為PM型（永磁式），VR型（反應(yīng)式）和HB型（混合式）3種類(lèi)型，相數(shù)有兩相、三相、四相、五相、六相等多種形式，目前常用的是兩相和四相混合式步進(jìn)電機(jī)。本文介紹由51單片機(jī)和SLA7026兩相功率驅(qū)動(dòng)器組成的兩相步進(jìn)電機(jī)控制器。其控制框圖如圖1所示。 在圖1中由單片機(jī)接收來(lái)自上位機(jī)的脈沖、使能及方向信號(hào)，在單片機(jī)內(nèi)部由程序?qū)崿F(xiàn)脈沖分配器的功能，產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)工作所需的各相脈沖信號(hào)，功率驅(qū)動(dòng)部分對(duì)單片機(jī)輸出的弱信號(hào)進(jìn)行放大，產(chǎn)生電機(jī)所需要的電流。 本控制系統(tǒng)采用STC單片機(jī)作為處理器，本系統(tǒng)選用的步進(jìn)電機(jī)為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，工作電壓為+24V，步距角為1.8。 本系統(tǒng)采用SLA7026作為功率放大器。SLA7026是兩相步進(jìn)電機(jī)集成控制/驅(qū)動(dòng)模塊。采用SIP18封裝。使用的電源為10～44V，最大輸出電流為3A。其封裝與管角定義如圖2所示。 其中INA，IN/A，INB，IN/B（A和/A為步進(jìn)電機(jī)繞組的兩端）為步進(jìn)電機(jī)脈沖控制信號(hào)輸入端，由于輸入兼容5V邏輯電平所以與單片機(jī)管角可以直接連接。OUTA，OUT/A，OUTB，OUT/B為步進(jìn)電機(jī)輸出控制端，其輸出電流為3A因此可直接與電機(jī)連接，不需要光耦驅(qū)動(dòng)及隔離。CONTROL SUPPLY和GROUND分別為正電源和地。 步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力，電機(jī)可以停在最后一個(gè)脈沖控制的角位移的終點(diǎn)位置上，這樣不僅電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)停車(chē)時(shí)轉(zhuǎn)子定位。但是這時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的發(fā)熱情況特別嚴(yán)重，電機(jī)的溫度隨著自鎖時(shí)間上升直至一極限值，但是如果該溫度高于一定值得話就會(huì)破壞電機(jī)內(nèi)部繞線使電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此我們可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候（本系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間為1秒鐘）使SLA7026的REFERENCE輸入端有效，當(dāng)該管角有效時(shí)其輸出電流減小為一半，這樣就可以有效的解決電機(jī)發(fā)熱問(wèn)題。半電流鎖定具體電路如圖3所示。 運(yùn)行時(shí)，SLA-7026共有三種運(yùn)行方式，其中兩種為全步運(yùn)行，一種為半步運(yùn)行。三種運(yùn)行方式可以通過(guò)單片機(jī)外接的撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇。撥碼開(kāi)關(guān)電路圖如圖4所示，當(dāng)撥碼開(kāi)關(guān)某一段閉合有效時(shí)與之相連接的P口即被拉為低電平。 SLA7026作脈沖分配器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電路圖如圖5所示。這里上位機(jī)發(fā)出的脈沖，使能和方向信號(hào)經(jīng)光耦隔離后輸入單片機(jī)，SLA7026脈沖輸入端直接與單片機(jī)相連，J2是步進(jìn)電機(jī)接口，其中1角是公共段接+24V，其余4個(gè)為步進(jìn)電機(jī)繞組。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中，單片機(jī)的主要作用是在實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器的功能，它接受上位機(jī)發(fā)出的脈沖、使能和方向信號(hào)，通過(guò)對(duì)輸入的脈沖序列進(jìn)行計(jì)數(shù)然后按順序傳送控制脈沖即相應(yīng)的控制模型。上電后首先進(jìn)行使能信號(hào)判斷，只有當(dāng)使能信號(hào)有效時(shí)其他信號(hào)才有意義，然后對(duì)旋轉(zhuǎn)方向和工作方式進(jìn)行判斷，本系統(tǒng)共有三種工作方式通過(guò)外部撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇，第一種方式通電順序?yàn)锳→B→/A→/B→A，第二種方式通電順序?yàn)锳B→/AB→/A/B→A/B→AB，第三種方式通電順序?yàn)锳→AB→B→/AB→/A→/A/B→/B→A/B→A，如按上述順序通電，步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，反之，如果通電順序相反，則步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。這部分的程序清單如下所示。 if（!P2_2） //通過(guò)P口的狀態(tài)，判斷用戶所選取的模式 ｛ if（!P2_3） m1=1; else m1=2; ｝ else m1=3; switch（i%4） // i是脈沖計(jì)數(shù)器，此段程序是在模式1下的控制 ｛case 0: //模型 ｛ina1=1; //ina,Nina,inb,Ninb分別對(duì)應(yīng)A,/A,B,/B Nina1=0; inb1=0; Ninb1=0; ｝; break; case 1: ｛ina1=0; Nina1=0; inb1=1; Ninb1=0; ｝; break; case 2: ｛ina1=0; Nina1=1; inb1=0; Ninb1=0; ｝; break; default: ｛ina1=0; Nina1=0; inb1=0; Ninb1=1; ｝ 單片機(jī)的主要工作是對(duì)輸入的脈沖序列進(jìn)行計(jì)數(shù)然后按順序傳送控制脈沖即相應(yīng)的控制模型。首先設(shè)一個(gè)專用計(jì)數(shù)器對(duì)由單片機(jī)P1.2口輸入的脈沖序列進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后利用該計(jì)數(shù)值進(jìn)行查表選擇所需輸出的控制模型，并在模型的最后狀態(tài)對(duì)該計(jì)數(shù)器清“零”。該部分程序清單如下所示。 if（dir1） //如果方向信號(hào)是1正轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器加一，反之則減。 contr1++; else if（dir1==0） contr1- -; if（i>=12||i<=4） //計(jì)數(shù)器清“零” contr1=8; 如前所述，在鎖定狀態(tài)下步進(jìn)電機(jī)的發(fā)熱是很?chē)?yán)重的，因此如果兩次脈沖輸入的時(shí)間超過(guò)一定值（本系統(tǒng)為1秒），就啟動(dòng)半電流狀態(tài)。該時(shí)間標(biāo)志位是通過(guò)定時(shí)器定時(shí)中斷產(chǎn)生，不使用軟件延時(shí)，盡量減小對(duì)CPU的占用。該部分子程序清單如下所示。 void timer1（void） interrupt 1 ｛ counter1++; if（counter1>=20） ｛ counter1=0; evtimer1=1; ｝ ｝ 4 結(jié)束語(yǔ) 步進(jìn)電機(jī)在紡織工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，我們研制的基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有體積小，功耗低，可靠性高及可維護(hù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。并在電腦橫機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用中取得了良好的效果。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集