基于单片机的步进电机控制系统的设计

步进电机单片机控制

第21卷第3期

2006年9月安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报

JournalofAnhuiUniversityofTechnologyandScienceVol.21.No.3Sep.,2006

文章编号:1672-2477(2006)03-0059-04

基于单片机的步进电机

控制系统的设计

郭 威,崔 群

(安徽工程科技学院电气工程系,安徽芜湖 241000)

摘要:介绍了一种基于单片机的步进电机控制系统,该系统采用AT89S52单片机通过8155的14位减法计数

器控制步进电机运转,可以在10~4000r/min范围内得到精确的转速,并且解决了步进电机升降速过程中的

失步和堵转问题.

关 键 词:单片机;步进电机;精确转速;升降速

中图分类号:TP273 文献标识码:A

引 言

步进电机是一种用电脉冲进行控制,将电脉冲信号转换成相应角位移的电机,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了电机运转的速度.

本文介绍的步进电机驱动控制电路,采用AT89S52单片机对步进电机进行控制,通过8155的14位减法计数器产生控制步进电机运行的脉冲信号,大大减少了对单片机CPU资源的占用,同时通过选择不同的8155TIMERIN端的输入频率,精确的控制步进电机的运转速度,提高了系统的可靠性.

1 电路组成和工作原理

本系统主要由AT89S52单片机、8155接口电路、基准频

率发生器、分频电路、环形分配器、驱动电路、LED显示、键盘

等部分构成.可通过键盘预置所需的转速,89S52单片机通过

判断预置的转速选择不同的频率给8155的TIMERIN端,通

过计算给8155的14位计数器装一个计数值,8155的TIMER

OUT端输出相应频率的连续方波,该脉冲经过环形分配器,

再经过驱动电路,直接驱动步进电机达到设定转速.电路结构

框图见图1.

1.1 连续方波产生模块

8155有一个14位的减法计数器,有两个8位寄存器构

成,以其中的低14位组成计数器,剩下的两个高位(M2,M1)

用于设定计数器输出的信号形式.计数工作时,从芯片外部引

度L有关,其关系为:f=f1/L.

采用这种产生所需方波的方式,单片机只在需要的时刻给计数器装入一个计数长度,不仅很方便的控制步进电机,而且基本上不占用89S52CPU的资源.

1.2 分频和频率选择模块

为使步进电机达到精确转速,8155TIMERIN端需要输入不同的频率.本方案通过对6M的晶振源进收稿日期:2006-04-25

: ())男,,.图1 电路结构框图入计数脉冲,设定M2M1=01,输出连续方波,这个连续方波的频率f,仅与输入脉冲频率f1,以及计数长

步进电机单片机控制

#60#安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报2006年行分频得到所需的频率,采用74LS90和74LS92组成的分频电路对6M的晶振源进行分频,得到6M、500K、100K3个不同的频率.单片机通过判断步进电机转速的大小决定由哪一个频率输入到8155TIMERIN端.如图2所示当P1.0、P1.1、P1.2为100时,8155TIMERIN端输入频率为500kHz,同理当P1.0、P1.1、P1.2为010时,8155TIMERIN端输入频率为6MHz,当P1.0、P1.1、P1.2为001时,8155TIMERIN端输入频率为100kH

z.

图2 分频和频率选择电路

2 精确转速的实现

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的电机,当步进电机某组绕组通电时,相应的2个磁极就分别形成N-S极,产生磁场,并与转子形成磁路.如果这时定子的小齿与转子没有对齐,则在磁场的作用下转子将转动一定的角度,使转子齿与定子齿对齐,从而使步进电机向前/走0一步.通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流,就可以控制电机的转动,从而实现数字到角度的转换.转动的角度大小与施加的脉冲数成正比,转动的速度与脉冲频率成正比.

这里我们选用三相六拍步进电机,环配电路选用CH250,8155输出的连续方波频率f与步距角为1.5度的三相六拍步进电机转速n的关系为:n=(1/4)f .

本方案要实现控制75BF004型高转速步进电机在转速输出范围10~4000r/min内达到精确转速,则相应的8155的TIMEROUT端输出连续方波频率范围为40~16000Hz.设我们需要的控制频率为f,8155TIMERIN端的输入频率为f1,则8155的14位减法计数器的值L为:L=f1/f.

因为14位减法计数器的值为整数,所以上式计算的过程中省略了余数a(0[a<1),所以L应等于

[f1/f],以L为除数计算实际控制频率fs,即fs=11=.结果fs与f会出现误差.相对误差为L(f1/f)

s1111$f/f==-1=-1 (0[a<1),fff

$f/f=1-1= (0[a<1).f1-aff1-af即

为实现高精度步进电机转速,根据电机的调速范围,将输入8155TIMERIN端的频率分为三种情况:

(1)当步进电机调速范围要输入脉冲频率40Hz[f[100Hz时,选择8155TIMERIN端输入频率f1,f,(f/.1<.

步进电机单片机控制

第3期郭 威,等:基于单片机的步进电机控制系统的设计#61#所以当输入脉冲频率40Hz[f[100Hz,8155TIMERIN端输入频率为100kHz时,相对误差<0.1%.

(2)当步进电机调速范围要输入脉冲频率100Hz<f[500Hz时,选择8155TIMERIN端输入频率f1为500kHz.这样,当f=500Hz,a=1时,(vf/f)max=0.001,因为a<1,最大相对误差<0.1%,所以当输入脉冲频率100Hz<f[500Hz,8155TIMERIN端输入频率为500kHz时,相对误差<0.1%.

(3)当步进电机调速范围要输入脉冲频率500Hz<f[6000Hz时,选择8155TIMERIN端输入频率f1为6MHz.这样,当f=6000Hz,a=1时,(vf/f)max=0.001,因为a<1,最大相对误差<0.1%,所以当输入脉冲频率500Hz<f[6000Hz,8155TIMERIN端输入频率为6MHz时,相对误差<0.1%.

当输入脉冲频率6000Hz<f[16000Hz,f=16000Hz,a=1时,($f/f)(max)=0.0026,因为a<1,最大相对误差<0.26%,所以当输入脉冲频率6000Hz<f[16000Hz,8155TIMERIN端输入频率为6MHz时,相对误差<0.26%.

3 升降速的控制

3.1 基本原理

从概念上讲,步进电动机的角位移与驱动脉冲的个数成正比,在不失步的情况下,每个脉冲使步进电动机旋转一个固定步距角,连续运行无累积误差.在实际运行过程步进电动机存在失步和堵转的可能.在起动或加速时若控制频率变化太快,电机的响应速度跟不上控制速度,产生失步或堵转;在停止或减速时由于同样原因也会产生失步或堵转.为防止失步和堵转,提高最高工作效率,要对步进电动机进行升降速控制.因此在步进电机变速运行中,正确的选择控制频率是十分重要的.

基于目前市场上有成品环形分配器,因此不必考虑步进电机的时序问题,可以简单地认为步进电机的转速仅与控制频率有关,改变了控制频率就改变了步进电机的转速.所以从静止加速到最高运行频率和从最高运行频率到停止是控制的关键,通常采用匀加速和匀减速控制.

3.2 实现方法

单片机采用定时器中断方式来控制步进电机的升降速,则升降速控制实际上是靠在定时中断服务程序中不断改变8155的14位减法计数器值来实现的.考虑到单片机资源(字长)和编程的方便,不一定每步都计算8155计数器重装值,可以采用阶梯曲线来逼近加减速曲线.采用离散法将加减速曲线离散化,离散化以后速度是分档上升的,而且每升一档都要在该档(台阶)保

持一段时间,保持这个速度稳定运行后才再升一级,这就克服了

步进电机转子的转动惯量所引起的速度滞后,只有当实际运行

速度达到了以后才能急速加速,实际上这也是局部速度误差的

自动纠正.

假定步 …… 此处隐藏：3415字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……