基于单片机控制的步进电机

2012-12-17广州华商职业学院吴文英

电子世界 2012年7期

广州华商职业学院吴文英

1.引言

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以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电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，广泛应用于数控机床、机器人、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域。

2.基本原理

2.1 步进电机工作原理

步进电机按相数分可分为：单相，双相和多相三种。以下用三相单拍步进电机为例分析步进电机的工作原理：

设A相通电(B、C两相不通电)，产生A－A’轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A’极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A，A’极的位置(图a)；接着B相通电(A、C两相不通电)，转子便逆时针方向转过30度，齿对齐B，B’极的位置(图b)；C相通电，转子的齿和C、C’极对齐(图c)。

图1 三相单拍工作原理图

2.2 步进电机的驱动方式

(1)单4拍励磁方式

本系统采用四相步进电机。单四拍励磁方式即所采用的励磁方式是按照A、B、C、D、A的顺序交替进行线圈的励磁，每拍只有一个绕组通电。

A B C D T1 1 0 0 0 T2 0 1 0 0 T3 0 0 1 0 T4 0 0 0 1

(2)双4拍励磁方式

即所采用的励磁方式是按照AB、BC、CD、DA、AB的顺序交替进行线圈的励磁，每拍有两个绕组通电。

A B C D T1 1 1 0 0 T2 0 1 1 0 T3 0 0 1 1 T4 1 0 0 1

(3)8拍励磁方式

即所采用的励磁方式是按照A、AB、B、BC、C、CD、D、DA的顺序交替进行线圈的励磁。

A B C D T1 1 0 0 0 T2 1 1 0 0 T3 0 1 0 0 T4 0 1 1 0 T5 0 0 1 0 T6 0 0 1 1 T7 0 0 0 1 T8 1 0 0 1

3.本系统各部分硬件电路

3.1 单片机模块

如图2所示，用51单片机作为主控制模块，实现对LCD的显示控制；

对步进电机励磁方式的选择以及旋转圈数的控制。按钮作为输入控制信号，LED灯作为工作状态显示信号。单片机的18、19脚采用内部时钟连接方式，为单片机提供12MHz的时钟脉冲。单片机的9脚接复位电路，通过按钮开关随时能对单片机产生复位信号。

图2 单片机模块原理图

3.2 LCD显示模块

如图3所示，P0口和LCD的数据口相连，作为输出地I/O口。排阻RP1作为上拉电阻。

P2.0～P2.3分别和LCD的位选择端口相连。本系统采用的LCD是7SEG-MPX4-CC-BLUE共阴数码管。当位选择端低电平的时候有效，相应的位被选择显示。

数码管的左边第一位用于显示励磁方式；当显示0时，表示8拍励磁方式；当显示1时，表示单4拍励磁方式；当显示2时，表示双4拍励磁方式。数码管右边两位用于显示步进电机转动圈数。

3.3 步进电机模块

图4中的ULN2003A是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片，用来驱动步进电机。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。B1～B4分别控制步进电机的四个相A、B、C、D。