多控制模式步进电机控制系统设计与仿真

庄焕伟，戚宇恒

(广东技术师范学院工业中心，广州 510665)

1 引言

步进电机具有控制简单、无累积误差等优点，广泛应用于数控机床、机器人、自动化仪表等领域。对步进电机控制系统的研究开发也取得了大量成果，主要有基于微控制器，如单片机［1］、DSP［2］、ARM［3］、CPLD［4］以及基于PLC［5－7］的两大类步进电机控制系统。这些控制系统，一个明显的特点就是对电机转速或对电机转动量的单一控制。在实际应用中，往往希望步进电机控制系统，能像伺服驱动器一样，有多种控制模式，能对步进电机进行不同模式控制。基于简单、价廉、通用性考虑，设计开发了一种基于AT89C51 单片机的步进电机控制系统，该系统具有速度和位置两种控制模式，可自由切换，实现一个控制系统，满足对步进电机转速或转动量的控制。

2 系统总体方案设计

本控制系统以两相步进电机为控制对象，以单片机为控制核心。系统工作时，AT89C51 单片机实时检测外围按键状态，当系统设定为速度控制模式时，可通过按键选定不同的段速和方向，按下启动按键，步进电机以选择的速度和方向运转直至松开启动按键。当系统设定为位置控制模式时，可通过按键指定电机的运转量和方向，按下启动按键时，步进电机朝指定的方向以特定的转速运转，当运转量到达时，电机停止。为简化系统，步进电机的驱动脉冲由AT89C51 单片机产生，此外，加入液晶显示屏，实时显示当前的控制模式和电机运行状态，使系统有友好的人机界面。

系统主要由四大模块组成:控制模块、按键输入模块、液晶显示模块和电机驱动模块，其结构原理图如图1 所示

图1 结构原理图

3 硬件电路设计

依该系统的功能要求和下阶段仿真需要，使用Proteus 软件进行系统电路设计，设计的电路原理图如图2 所示。因系统按键不多，按键输入模块采用独立键盘形式，液晶显示模块选用1602 液晶，电机驱动模块选用专门的电机驱动芯片L298N。

3.1 按键输入模块

输入模块由五个独立按键组成，命名为UP、DOWN、MODE、DIR 和START，分别代表参数增、参数减、模式选择、方向选择和启动信号。因模式和方向都只有两种状态，且考虑到人们的实际操作习惯，采用开关按键。

3.2 电机驱动模块

系统采用的电机驱动芯片L298N是高电压、大电流双全桥驱动芯片，它主要把从单片机发出的驱动脉冲进行电流放大，然后驱动步进电机。电路连接上，把它的ENA、ENB 引脚连接电源正端，使步进电机的运行方向仅取决于单片机输出驱动脉冲的顺序。

图2 系统的电路原理图

4 软件设计

系统软件程序主要完成按键检测、液晶显示、驱动脉冲输出。为节省单片机CPU 资源，保证系统的实时性，软件程序包括主程序和中断程序。主程序主要完成系统初始化、按键检测、位置模式的驱动脉冲输出等功能，而中断程序主要完成液晶显示及速度模式的驱动脉冲输出。主程序和中断程序流程图如图3 和图4 所示。

4.1 模式方向检测函数

系统有两种模式状态、两个运动方向，有四种组合情况。在程序设计上，可设定一个参数，不同组合情况，赋予参数不同的数值，下一步的程序处理，依获得的参数数值决定。模式方向检测函数具体程序如下:

图3 主程序流程图

图4 定时器中断程序流程图

4.2 速度模式下不同段速实现

改变步进电机的速度，只需改变控制它的驱动脉冲频率，而改变频率，即改变相应驱动数组的调用时间。系统采用单片机定时器中断来实现不同的调用时间。单片机定时器0 作一个固定时间的定时中断，每次定时中断，参数i 加1，当参数值等于电机指定速度对应频率参数值时，输出驱动编码。

如定时器0 中断时间为0.5ms，步进电机步距角为1.8°，为使电机转速为120r/min;则由120r/min 得到电机每转的时间为0.5s，于是电机每步周期为0.5s/(360°/1.8°)=2.5ms，故频率参数值为2.5ms/0.5ms=5;定时器0 中断实现电机的不同段速程序如下:

5 仿真测试

在完成系统的硬件设计和软件设计的基础上，利用Proteus 软件的仿真功能，对系统进行仿真测验和调试。具体的仿真过程是:在Proteus 中，双击单片机AT89C51，打开其属性编辑框，在“Program File”栏中选择在Keil 软件中调试编译成功所生成的目标代码hex 文件，并将单片机时钟频率改为12MHz，再在Proteus 中点击开始仿真按钮，启动仿真。仿真过程中，用鼠标单击电路图中的按键，电机依程序运转起来，液晶屏实时显示当前电机运行模式及运行情况。系统处于速度模式和位置模式时液晶屏显示情况分别如图5 和图6 所示，速度模式显示的数值表示当前电机转速，位置模式显示的第一个数值表示指定电机的运转量，第二个数值表示电机已经运转的圈数，“+”“－”符号表示电机运转方向正转或反转。

图5 速度模式液晶显示界面

图6 位置模式液晶显示界面

6 结束语

设计开发的步进电机控制系统，可实现对步进电机不同模式的控制。利用Proteus 软件对系统进行了仿真，并取得仿真实验成功。该系统结构简单，操作方便，成本低，且系统的按键输入模块可用传感器等检测输入模块代替，可扩展性强，有很大的实际应用价值

［1］高琴，刘淑聪，彭宏伟.步进电机控制系统的设计及应用［J］.制造业自动化，2012，34(1):150－152.

［2］孙德，乐贵高，高继良.基于DSP的步进电机闭环控制系统设计［J］.机床与液压.2012，40(10):118－121.

［3］周峰，李智华，顾全.基于PSoC3的步进电机控制［J］.电机与控制应用，2012，39(4):28－31.

［4］董亮辉，刘景林，李昱.步进电机宽调速多细分控制系统研究［J］.测控技术，2012，31(1):66－69.

［5］王彦军，李增生.基于PLC的步进电机控制［J］.科学技术与工程，2011，11(5):1076－1079.

［6］王红梅，方贵盛.基于PLC 与步进电机的气动搬运机械手控制［J］.液压与气动，2009，(11):25－27.

［7］沈宏，张伟，安艳涛.基于S7－200PLC的调速器步进电机驱动方法［J］.制造业自动化，2010，32(7):169－172.