步進電機的單片機控制系統的設計

摘要: 採用8051 單片機來控制步進電機,實現了軟體與硬體相結合的控制方法。用軟體代替環形分配器,達到了對步進電機的最佳控制。採用的H - 橋驅動器使步進電機在開環狀態下達到較高的變速轉速,同時斷電相不產生負的轉矩分量,其能量被輸入到電源,即將接通的下一相中去,增大了電流容量,提高了其工作的可靠性。

1 　引言
        本文主要研究基於8051 單片機的步進電機的驅動器,驅動採用H - 橋驅動電路,使步進電機可在智能化程序控制下完成正轉、反轉、加減速及細分等各種操作。文中所設計的H - 橋驅動電路可使步進電機具有更高的性能,同時把數字電路與驅動電路隔離開,避免了步進電機運行時所產生的衝擊電壓和電流干擾單片機。

2 　控制系統的硬體設計
        步進電機的單片機控制系統硬體原理圖如圖1所示。
 
圖1 　步進電機的單片機控制系統硬體原理圖
        系統中採用并行控制,用單片機介麵線直接去控制步進電機各相驅動線路。鍵盤作為一個外部中斷源,設置了步進電機正轉、反轉、檔次、停止等功能,採用中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序,完成對步進電機的最佳控制,顯示器及時顯示正轉、反轉速度等狀態。由於篇幅有限,在此僅給出H - 橋驅動電路和DPA 轉換介面電路的設計。

(1) H - 橋驅動電路的設計
        H - 橋驅動電路如圖2 所示。其主電路的功率三級管使用4 個VMOS - FET 分為Q1 和Q4 及Q2和Q3 兩組。其中,Q1 和Q3 為低電平導通高電平關斷;Q2 和Q4 為高電平導通, 低電平關斷。採用LM339 比較器作為電流檢測元件,改變其輸入參考電壓,即可改變流過電機繞組的最大電流。比較器用一個DPA 轉換器來控制其參考電壓,使其為一階梯變化的電壓值,可以實現對步進電機的細分控制。
 
圖2 　H - 橋驅動電路
       採用耦合變壓器驅動VMOS 功率管Q1 和Q3 ,使其不存在靜態導通條件。同時用7406 反向器和74LS00 組成邏輯電路提供VMOS 功率管柵極電壓,其輸出電壓為10～15 V ,可以保證VMOS 功率管可靠截止和導通。
       當電機某相繞組通電時,輸入控制脈衝使Q1和Q4 導通,Q2 和Q3 截止,電流從電源經Q1 和Q4 ,右側比較器以及電機繞組通過,當繞組電流達到額定值時,右側比較器發生翻轉控制Q1 關斷,而電流一下降,Q1 再次接通。這種斷續作用使相電流維持一個平均值。當電機繞組斷開時,Q1 和Q4 截止,Q2和Q3 接通,電流迅速從Q2 ,Q3 和左側比較器自行調整關閉功率管Q3 ,使電機繞組與高壓電源斷開,避免了繞組在電流衰減到零時再接著反向充電。

(2)DPA 轉換介面電路的設計
       DPA 轉換介面電路如圖3 所示。圖中用DAC0832 作為DPA 轉換器晶元,其輸入為電流信號,可用UA741 集成運放將輸出的電流信號轉換成電壓信號。DAC0832 的寄存器選擇信號CS及數據傳送信號XFER 都與地址線相連, 當地址線選擇好DAC0832 后,只要輸出WR控制信號,DAC0832 就能一步完成數字量的輸入鎖存和DPA 轉換輸出,並由UA741 集成運放將電流轉換為電壓信號輸出控制比較器的參考電壓。
 
圖3 　四路單緩衝DPA 轉換電路

3 　控制系統的軟體設計
         在軟體設計中僅給出系統的正、反轉控制程序和系統加減速程序流程,其他程序在此不再給出。
(1) 系統的正、反轉控制程序
        系統全部用軟體來實現相序的分配,直接輸出各相導通或截止的信號。現以四相步進電機運行為例,用一個輸出口的八位數據線來控制四相混合式步進電動機,A、B、C、D 各相驅動線路的輸入端分別用輸出口四位來控制,規定低電平有效,則四相八拍工作時可用表1 中的數據控制。
表1 　四相步進電動機運行控制數據表
 
　觀察表1 ,要使步進電動機換相,只需對位元組內容進行循環移位就可以了,左移時電動機正轉,右移時電動機反轉。用8051 P1 口輸出,在初始化程序中對P1 裝載表1 中的任一數據編程,則正轉換相程序如下:
CW: MOV A , R0 ;將輸入口狀態送累加器
RL A ;左移循環移位
MOV P1 , A ;送回輸出口
RET ;返回
使用上述軟體方法時,一般是用8051 內存的一個位地址存儲電動機運行的方向標誌。當執行程序時,首先判斷方向標誌,若為0 ,則調用正轉子程序;若為1 ,則調用反轉子程序,從而實現方向控制。

(2) 系統加減速程序
        用定時器中斷方式來控制電動機變速時,實際上是不斷改變定時器裝載值的大小。在控制過程中,採用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計算裝載值的時間,系統設計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統的ROM中,系統在運行中用查表法查出所需的裝載值,這樣可大幅度減少佔用CPU 的時間,提高系統的響應速度。
系統加減速流程圖如圖4 所示。
 
圖4 　加減速控制流程圖

4 　結語

1.  本設計中介紹了步進電機介面電路,配合以單片機軟體編程可以使複雜的控制過程實現自動控制和精確控制,避免了失步、振蕩等對控制精度的影響;
2.  設計中用軟體代替環形分配器,通過對單片機的設定,用同一種電路實現了多相步進電機的控制和驅動,大大提高了介面電路的靈活性和通用性;
3.  採用的H - 橋驅動器使步進電機在開環狀態下可以達到較高的變速轉速,且斷電時不產生負的轉矩分量。