【導讀】單片機實(shí)現的步進(jìn)電機控制系統具有成本低、使用靈活的特點(diǎn)，廣泛應用于數控機床、機器人，定量進(jìn)給、工業(yè)自動(dòng)控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等應用領(lǐng)域。步進(jìn)電機是數字控制電機，將脈沖信號轉換成角位移，電機的轉速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，非超載狀態(tài)下，根據上述線(xiàn)性關(guān)系，再加上步進(jìn)電機只有周期性誤差而無(wú)累積誤差，因此步進(jìn)電機適用于單片機控制。
單片機實(shí)現的步進(jìn)電機控制系統具有成本低、使用靈活的特點(diǎn)，廣泛應用于數控機床、機器人，定量進(jìn)給、工業(yè)自動(dòng)控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等應用領(lǐng)域。步進(jìn)電機是數字控制電機，將脈沖信號轉換成角位移，電機的轉速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，非超載狀態(tài)下，根據上述線(xiàn)性關(guān)系，再加上步進(jìn)電機只有周期性誤差而無(wú)累積誤差，因此步進(jìn)電機適用于單片機控制。步進(jìn)電機通過(guò)輸入脈沖信號進(jìn)行控制，即電機的總轉動(dòng)角度由輸入脈沖總數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。步進(jìn)電機的驅動(dòng)電路是根據單片機產(chǎn)生的控制信號進(jìn)行工作。因此，單片機通過(guò)向步進(jìn)電機驅動(dòng)電路發(fā)送控制信號就能實(shí)現對步進(jìn)電機的控制。
系統設計原理
步進(jìn)電機控制系統主要由單片機、鍵盤(pán)LED、驅動(dòng)／放大和PC上位機等4個(gè)模塊組成，其中PC機模塊是軟件控制部分，該控制系統可實(shí)現的功能：
1）通過(guò)鍵盤(pán)啟動(dòng)／暫停步進(jìn)電機、設置步進(jìn)電機的轉速和改變步進(jìn)電機的轉向；
2）通過(guò)LED管顯示步進(jìn)的轉速和轉向等工作狀態(tài)；
3）實(shí)現三相或四相步進(jìn)電機的控制；
4）通過(guò)PC上位機實(shí)現對步進(jìn)電機的控制（啟停、轉速和轉向等）。為保護單片機控制系統硬件電路，在單片機和步進(jìn)電機之間增加過(guò)流保護電路。圖l為步進(jìn)電機控制系統框圖。
系統硬件電路設計
2.1 單片機模塊
單片機模塊主要由MSP430FG4618單片機及外圍濾波、電源管理和晶振等電路組成。MSP430FG4618單片機內部的8 KB RAM和116 KB Flash滿(mǎn)足控制系統的存儲要求，P1和P2端口在步進(jìn)電機工作過(guò)程中根據按鍵狀態(tài)判斷是否跳入中斷服務(wù)程序來(lái)改變步進(jìn)電機的工作狀態(tài)，USART模塊實(shí)現單片機和PC上位機之間的通信，實(shí)現PC機對步進(jìn)電機控制。電源管理電路提供穩定的3．3 V和5 V電壓，分別給單片機、晶振電路和驅動(dòng)和功率放大電路供電。32 kHz晶振給單片機、鍵盤(pán)／顯示接口器件8279和脈沖分配器PMM8713提供時(shí)鐘；當采用USART模塊時(shí)需開(kāi)啟8MHz晶振設置通信模塊。圖2為單片機模塊結構框圖。
2.2 鍵盤(pán)／LED模塊
為實(shí)現人機對話(huà)，該系統設計擴展了3x4按鈕矩陣鍵盤(pán)和4片8段LED數碼管，可手動(dòng)直接操作該控制系統。系統上電后，通過(guò)鍵盤(pán)輸入步進(jìn)電機的啟停、步數轉速和轉向等，由LED管動(dòng)態(tài)顯示步進(jìn)電機的轉速和轉向。鍵盤(pán)的輸入和LED管的輸出由8279進(jìn)行控制，減少單片機工作負擔。8279編程工作在鍵盤(pán)掃描輸入方式，讀入鍵盤(pán)時(shí)具有去抖動(dòng)功能，避免誤觸發(fā)。圖3為鍵盤(pán)LED模塊設計結構框圖。
2.3 驅動(dòng)／放大模塊
控制系統采用步進(jìn)電機控制用的脈沖分配器（又稱(chēng)邏輯轉換器）PMM8713，該器件是CMOS集成電路，相輸出驅動(dòng)能力（源電流或吸入電源）為20 mA，適用于控制三相或四相步進(jìn)電機，可選擇下列6種激勵方式：三相步進(jìn)電進(jìn)：1相，2相，1-2相；四相步進(jìn)電進(jìn)：1相，2相，1-2相。輸入方式可選擇單時(shí)鐘（加方向信號）和雙時(shí)鐘（正轉或反轉時(shí)鐘）兩種方式，具有正反轉控制、初始化復位、原點(diǎn)監視、激勵方式監視和輸入脈沖監視等功能。器件PMM8713由時(shí)鐘選通、激勵方式控制、激勵方式判斷和可逆環(huán)形計數器等部分構成，所有輸入端內都設有施密特電路，可提高抗干擾能力。PMM8713輸出需接功率驅動(dòng)電路，選用功率驅動(dòng)器PMM2101，最大輸出電流為1．4 A，滿(mǎn)足驅動(dòng)步進(jìn)電機的要求。驅動(dòng)／放大電路如圖4所示。MSP430單片機通過(guò)調節PMM8713的端口1～4輸入脈沖信號控制步進(jìn)電機的啟停、速度和轉向等。
系統軟件設計
3.1 單片機程序
利用單片機的定時(shí)器TIMER_A（TA）中斷產(chǎn)生脈沖信號，通過(guò)在響應的中斷程序中實(shí)現步進(jìn)電機步數和圈數的準確計數，通過(guò)PWM實(shí)現轉速控制；利用P1．0端口的中斷關(guān)閉TA中斷程序，并推入堆棧，停止電機；P1．1中斷則開(kāi)啟TA中斷，堆棧推入程序計數器（PC），開(kāi)啟電機；P3．1端口輸出高電平由PMM8713的U／D端口控制電機的轉向；P3．0～P3．7端口接8279的8個(gè)數據接口，當單片機掃描到矩陣鍵盤(pán)有鍵按下時(shí)，利用P2端口的中斷設置TA，控制啟停、調速和轉向等，同時(shí)單片機反饋給8279控制LED管顯示轉速和轉向。其程序流程如圖5所示。
3.2 PC上位機模塊
PC上位機模塊實(shí)現PC機對步進(jìn)電機的控制。利用MSP430單片機的USART模塊實(shí)現與PC上位機的通信，PC機通過(guò)串口向單片機發(fā)送控制命令，實(shí)現電機控制。單片機所接收到控制命令暫存在RXBUFFER中，然后與存儲在片內Flash的中斷程序的入口地址相比較，相同就進(jìn)入中斷，實(shí)現步進(jìn)電機的控制。操作該模塊時(shí)需要開(kāi)啟8 MHz晶振為USART模塊設置波特率（設置波特率為9 600）?？刂栖浖蒝B6．0編寫(xiě)，利用MSComm控件實(shí)現串行通訊功能。其控制軟件界面如圖6所示。
系統檢測
為檢驗該控制系統的實(shí)際工作情況，在給定PMM2101輸出工作電流的狀態(tài)下采用能量轉化法測得步進(jìn)電機輸出的最大靜轉矩。選取輸出電流間隔0．2 A，測到步進(jìn)電機最大靜轉矩與電流之間關(guān)系的靜特性曲線(xiàn)，如圖7所示，說(shuō)明該控制系統設計較合理。
該系統通過(guò)MSP430單片機控制步進(jìn)電機運轉情況，可靠性高，在電機運行時(shí)能夠方便設定步進(jìn)電機的啟／停、轉速和方向，提高步進(jìn)電機的步進(jìn)精度；能夠控制三相或四相步進(jìn)電機；由PC上位機完全控制步進(jìn)電機的各種運行方式，使系統能夠應用于惡劣環(huán)境中，保證人員安全，適用范圍較廣，且電路簡(jiǎn)單，成本較低，控制方便，移植性強，實(shí)用價(jià)值高。
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