基于单片机和步进电机的高精度位移控制装置设计

2 1年第 7期 01文章编号：0627 (0 1 0 -090 10 -4 5 2 1 )70 0 -3

计算机与现代化 JS A J Y I N AHU IU N I U X A D I A

总第 11期 9

基于单片机和步进电机的高精度位移控制装置设计周子平胡，清(. 1商丘职业技术学院计算机系，河南商丘 4 6 0; . 7 0 0 2河南科技大学，南洛阳 4 10 )河 7 0 3摘要：在位移测量控制装置中，由单片机控制直流步进电机带动丝杠移动来代替直流电机控制的位移测量设备，大大提高了系统的测量精度，化了设备的机械结构。优

关键词：单片机；步进电机；丝杠丝母中图分类号：P 1 T 21文献标识码： A d i 1 .9 9 ji n 10 - 7 .0 10 .0 o: 0 3 6/.s .0 62 5 2 1 .7 03 s 4

e ! f pe s nDs a m n nr v eB sdo U a t e o D s￣o i -r io i l e et o t l ei ae nMC dSepr tr g H ci pc C oD c n p MoZ O i ig .H i H U Z— n U Qn’ p g( . eate t f o p t, hn q oao a& T cnc o ee S ag i 4 60, hn; 1 D pr n m u r Sa gi V ct nl m oC e u i ehia C r g, hnqu 7 0 0 C ia l t

2 H nnU i rt c nea dT cn l y uyn 7 0 3 C ia . ea nv syo S i c n eh o g,L oa g 10, hn ) ei f e o 4Ab t a t I h ip a e n a u e n,DC se p rmo o o t l d b sr c:n t e d s l c me t me s r me t t p e trc n r l yMCU i s d t r et e s r w mo e n n t a f oe su e d v h c e v me t se d o o i i t e d s lc me tme s rn e ie o to e y t e DC moo,w i h g e t mp v st ea c r c ft es se t pi z e h ip a e n a u g d vc sc n rl d b h tr h c r al i r e c u a yo y tm o o t i y o h h miet h

me h ia t cu e o e d vc . c a cl s u tr ft e ie n r h Ke r s MC;se p rmoo;fe c e u y wo d: U tp e t r e d s r w n t

0引言步进电机是将电脉冲信号转变成角位移或线位

2硬件设计2 1机械结构设计 .

移的开关控制元件，其转速、停止位置只与脉冲信号的频率和脉冲数有关，具有误差小，易控制等特点，广泛应用于精密仪器设计。

本系统的传动部分：将丝母固定在步进电机上，通过丝母的旋转可以改变丝杠的长度，而改变差动从

1系统设计 本系统选用 A—V T差动变压器式传感器及其 CL D配套的专用集成芯片 A 68产生位移转换电压， D9经 A D转换后送单片机处理。位移量由键盘输人，/与检测到的位移比较后，经过 PD算法由单片机控制步 I进电机带动丝杠移动调整位移量。系统控制框图如图 1所示。

变压器式传感器中磁芯的位置，以达到改变位移的目 的。步进电机的正传和反转由单片机控制完成。机械结构如图 2所示。丝杠

差动变压器式传感器

图 2位移检测装置机械结构图

塑塑—些 堡r—望兰 _—

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-]竿塑 . 2 2硬件系统设计 .厂堂 .

茎 r _至 堡—_耍 1

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硬系由制块输模显模、号件统控模、人块、示块信调理模块、动模块等组成，传选用用带 A D转换、/有 4个引脚的 PC 6 87单片机作为主控芯片， O I 1F 7减少元器件和电气节点的数目，强系统的抗干扰性。硬增

图 1系统控制框图

收稿日期：0 1 13 21- - 0 0

作者简介：周子平 (9 2 )男， 17一，河南柘城人，商丘职业技术学院计算机系讲师，研究方向：计算机应用；胡清 ( 9 7)女， 17 .,河南商丘人，讲师，河南科技大学硕士研究生，研究方向：密仪器与机械。精

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2 1年第 7期 0 1

件系统结构框图如图 3所示。键盘 E单片机L D示 c显

可知，采用三相、子为 5若转 0齿的电机，拍工六

鞲抉比 l A 68位移阴电 D9为传感器提供。; l饨{井巾村 1 . 1

作

方式运行时步距角 0= 6。(0× )=12,『 30/ 5 6 .。日转】子转动 12,完成 1 .。6步个齿距角。步进电机正转通

l返回两个次级

( A )正激源’带/ D弦励-

r的压强圈电值

电顺序：—A— B B— c-C反转通电顺序为： A B— c - A; -, A A—c B— B B— C C— A。正反转对应的脉冲波形图如图 4所示。3 3步进电机硬件接口电路 .

q动置l— -被物传装’一D '测 l L t V

图 3硬件系统结构框图

3步进电机驱动器的设计3 1步进电机的种类 .

PC 6 87单片机通过驱动芯片 U N 03与 I1F7 L20A步进电机的 A、、 B C三相相连。U N 0 3 L 2 0 A是高压大

步进电机有永磁式、反应式、混合式三种。混合式步进电机综合了永磁式和反应式的优点：出转矩输

电流达林顿晶体管阵列系列产品，步进电机提供驱为动电路。单片机与步进电机的接口电路如图 5所示。

大，动态性好，步距角小，目前使用十分广泛。本系统采用三相混合式步进电机作为传动设备。3 2步进电机的工作方式 .三相步进电机的工作方式分为单三拍工作方式、

双三拍工作方式、六拍工作方式，其中单三拍方式工作时，只对单相通电，生的转矩较小，频性能差，产高 易产生振荡；三拍方式工作时，双需要同时对两相通电，有利于在低频区工作，易失步；拍工作方式是不六单三拍和双三拍方式交替使用，步距角要比单三拍其六拍工作方式时，场旋转一周，电需要换向磁通 6次，转子转动一个步距角，据步距角公式：根0= 6。 ( 3 0/转子齿数 J×运行拍数 )

I 1 N I 2 N I 3 N

0UT 1 0UT 2 0UT 3

I 4 N I 5 N I 6 N

OUT 40UT 5 OU T 6

和双三拍时的步距角小一半，步进精n一：一 4一。一弘一一一加一 且度提高一倍一鹑一一一一 0一 ●一一，一

一一眦跚一一麟一脚一麟一 蹦

I 7 N 0UT 7 C 0M M 0N CL M P

UI 2 0 A I ) . 03 (6 N

图 5单片机与步进电机的接口电

路

3 4步进电机控制软件设计 .

软件设计需要完成的任务及方法：

几几 r r n几 n几 rrr几r厂]]]]]]形

() 1利用单片机可编程硬件定时器以中断的方式产

靖rnrr门nn] n几rr rr ]1]]- ]

生系统所需的脉冲信号，完成步进电机转速的控制。单片机控制步进电机工作的流程图如图 6所示，完成步进电机步数的中断服务程序的流程图如图 7所示。 () 2通过标志位 FA L G的状态判断电机的旋转方向。() 3步进电机的转子与丝母固定在一起，丝母转

B相波形

C相波形

动一周可使丝杠产生一个丝距的位移 D。电机的转子旋转一周应完成 30/ .。=30步 )所以电机 6。12 0(,每走一步，杠产生的位移为 D 30根据步与丝杠丝/0,位移的关系，以求出任意位移所需的步数。可 由图 4可以得到步进电机的正转控制模型如表 l所示，反转控制模型如表 2所示。表 1正转控制模型步序通电方式控制模块l 2 A AB 0 0 o 01 00o 0 o 0 1 Oo01

步进时钟

A形厂： . l相/厂波 m厂]:::lB形 I:: l厂]相 l L波] J: : 删形

表 2反转控制模型步序通电方式控制模块l A 0 0 O 01 0 0o

2 34 5 6

AC CCB B BA

0 0 0 Ol 00l 0 0 0 O 001 O0 0 0 O 0 0 11 O o 0 1 O o 00 0 0 0 l 0 0 0l

C相波形

34

BB C C CA

Oo 0 l o O 00O o Ol O O o 1 0 o Ol 0 0o O O 0 01 O 0 01

()步进电机反转时序图 b

5 6

图 4六拍工作方式脉冲波形图

21年第 7 01期

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