单片机在步进电机控制系统中的应用
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发布者：lunwenchina
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时间：2020年9月08日 15:53
张加文 / 潍坊市工程技师学院
摘 要：步进电机是一种将脉冲信号转换为相应角位移的执行元件，在工业控制领域应用广泛。本文以 AT89S52单片机、驱动芯片 ULN2003 和 35BY48L0 步进电机为基础设计了步进电机控制系统，该系统能通过 PC 机串口通讯实现远距离控制，同时通过本地键盘实现就地控制。
关键词：单片机；步进电机 ；串口通讯；就地控制单片机产生的数字信号的电流太小，不足以驱动电机动作，因此必须采用功放器件才能驱动电机
[1] 。相关器件也有
很多，本文采用 ULN2003 驱动芯片控制步进电机的动作。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行器件。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制调速的目的。
采用 VB 监控软件，通过 PC 串口实现单片机的远地控制，为使控制人员操作方便，本控制系统设计了控制键盘，实现就地控制功能。
1. 步进电机控制原理
二相混合式步进电机的结构如图 1 所示。该电机由 2 组中心抽头的电感线圈构成，2个电感线圈的固定端子分别为A，C 和 B，D。2 组电感线圈的中心抽头端 COM 相互连接，作为正电源的馈
电端口。该电机的电源为 +12 V。
步进电动机的励磁方式可分为全部励磁及半步励磁，其中全步励磁又有 1 相励磁及 2 相励磁之分，而半步励磁又称1-2 相励磁。因 2 相励磁具有转矩大，振动小等优点，目前普遍采用，本系统采用 2 相励磁方式。若以 2 相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如表 1 所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。
图 1 内部接线方式
Fig.1Connection Type
2. 单片机控制电路
ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列 , 由七个硅 NPN 达林顿管组成，是一个 7 路反向器电路，即当输入端为高电平时 ULN2003 输出端为低电平，当输入端为低电平时 ULN2003输出端为高电平。
图 2 电路结构
4 个 LED 能显示步进电机的工作状态：正转、反转、转速、停止、故障等。
3. 单片机控制程序
采用精确延时函数输出数字脉冲，通过改变延时时间，即可控制步进电机转速。单片机晶振频率 12MHz。
通 过 反 汇 编 程 序 可 知， 总 延 时 时 间 为i*(j*(kT+2T)+2T)+3T，其中 T 为单指令时间，当 i=j=k=1时，精确延时为 9T，最短；当 i=j=k=256 时，精确延时为16908803T，最长。
并口 P5 ～ P7 采用取表法，正序查表，步进电机正转，反序查表，电机反转。程序：
unsigned char code table[]={0x0C,0x06,0x03,0x09 };本地控制，采用按键来控制步进电机的状态，即“正转”、“反转”、“加速”、“减速”和“停止”。
为避免在升速和降速过程中，出现“失步”和“超程”现象，同时兼顾过渡时间和平稳性的要求，采用指数型频率曲线[2] 。
在当前速度的基础上，通过逐步改变延时时间，过渡到期望速度值。
（1）
（2）
T i 代表第 i 个步进脉冲的周期宽度；f m 是最高工作频率；τ 时间常数，有经验确定。编程时顺序读取 T i 值，用作延时函数的参数。
4. 串口通讯程序
上位机主要负责发送控制命令，以及数据的接收、处理、计算、数据的显示等功能。
4.1 初始化程序
该程序主要用于对数据缓冲区以及串口部分的初始化，如串口的选择、波特率、串口的数据格式等。
4.2 VB 通信程序
采用二进制传输方式，发送和接受可变长度的数据帧。
数据帧格式
[3]
如下：
起始标志 标志 帧长度 数据 校验和
发送程序：
接收单片机送来的数据是个自动过程，在 VB 窗体里面加了 Timer 控件。
结论
本系统具有很好的通用性，对于不同步进电机，可以通过修改相应的控制电路及通讯程序实现，提高了系统配置的灵活性。
参考文献：
[1] 贾方，张志胜．AT89C205l 单片机在步进电机控制中的应用[J]．机械设计与制造工程 .2002，(6)：62—63．
[2] 高亮 .5051 单片机对步进电机控制及步进电机升降速曲线设计 [J] 测控技术 ,2002,(11):64-67
[3] 周江伟 . 段奇法 . 利用 VB6.0 实现 PC 机与单片机通讯 [J].
武汉理工大学学报 .2001，25（4）：509-511.
