步進電機智能控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

陳茂添，王文華，吳偉娜

（1.廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東湛江 524088；2.廣東海洋大學數(shù)學與計算機學院，廣東湛江 524088）

0 引言

步進電機是按步驟前進的，電機旋轉一周分為n步進行，n取決于應用場合的旋轉精度要求以及步進電機的性能，完成一周的動作后再次進行循環(huán)，從而將數(shù)字式脈沖信號通過步進電機精確地帶動執(zhí)行機構，實現(xiàn)設定的角位移或者是線位移[1]。在步進電機的驅動下，執(zhí)行機構能夠快速且較精確地定位在所需要的位置，實現(xiàn)執(zhí)行機構較高精度的動作，同時又可以輕松實現(xiàn)正轉/前進、反轉/后退，或者需要特定的角度、線位移量，并且切換平滑[2]，所以步進電機在機器人的驅動、現(xiàn)代測量、機械加工、激光加工和自動焊接等領域的自動控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[3-5]。驅動步進電機執(zhí)行動作時，可以通過減小步進電機的步進量提高電機和執(zhí)行機構運行的平穩(wěn)性，降低噪聲，從而改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和靈活性等，滿足自動控制系統(tǒng)的高精度定位、精確的位移量、高精度測量，以及機械加工等方面的精細加工要求[6-7]。

本文采用步進電機模塊、51單片機模塊、按鍵控制電路和ULN2003驅動模塊等硬件，結合軟件開發(fā)，實現(xiàn)步進電機正轉、反轉、暫停和給定角度的精確旋轉和控制，精確帶動步進電機的執(zhí)行機構，進而實現(xiàn)精確測量。

1 步進電機硬件系統(tǒng)

1.1 硬件系統(tǒng)構成

為了有較高的性能和功能的通用性，采用AT89C51單片機作為智能控制的核心處理器。因為該處理器是8位的，所需電壓低，并且其存儲器提供了4 k的字節(jié)，同時又兼容了51單片機的各項功能。結合硬件和軟件，實現(xiàn)設定的步進電機動作，使得執(zhí)行機構帶動待測部件的正轉、反轉、以及設定角度的旋轉、暫停。本文設計了具有步進電機模塊、51單片機模塊、ULN2003驅動模塊、電源模塊和鍵盤控制模塊等5個部分，其中的鍵盤控制電路模塊用于在需要的時候采取人為手動控制，實現(xiàn)執(zhí)行機構帶動待測部件進行正轉、反轉、旋轉45°、旋轉90°和暫停等功能。硬件系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)模塊圖

1.2 驅動器ULN2003

5 V的工作電壓條件下，ULN2003驅動器可以直接連接一些基本電路，如TTL和CMOS等；ULN2003在單片機驅動的情況下，通常選擇2 kΩ的上拉電阻，而對于ULN2003驅動器連接的電路可以接電源，也可以采用懸空的方式?；赨LN2003具有帶負載能力強等特點，經(jīng)常被用于控制電路中用于智能控制或自動控制。

1.3 步進電機的控制原理

步進電機將接收到的一系列脈沖數(shù)字信號轉換為執(zhí)行機構旋轉或者直行的角位移或線位移信號，達到執(zhí)行機構精確運動的目的。

本文選用DC-5 V的永磁式步進電機作為測量部件動作執(zhí)行機構的驅動源。當ULN2003驅動器輸出的脈沖式電流加載到步進電機時，磁場將在定子繞組上產(chǎn)生，繼而該磁場帶動DC-5 V永磁式步進電機的轉子旋轉預定的角度，該角度與脈沖數(shù)相對應。因此，步進電機產(chǎn)生的矢量磁場與轉子能夠保持同步旋轉，使他們的方向始終相同，即本文采用的DC-5 V永磁式步進電機轉動的原理。當步進電機接收到一個數(shù)字式電流脈沖的時候，它就會轉動一個角度，其轉速與接收到的數(shù)字脈沖頻率成正比；如果要加快步進電機的速度，則通過軟件增加單位時間內(nèi)輸入的脈沖頻率就可以實現(xiàn)，所以待測部件速度的調節(jié)關鍵在于軟件代碼的編寫。而步進電機帶動待測部件的轉動角度與ULN2003驅動器輸出的脈沖數(shù)量有關，它們之間的關系是正比關系。步進電機正轉的問題解決了，其反轉也就容易了，改變繞組的接通數(shù)字式脈沖電流的順序即可。本文就是利用步進電機的這個控制原理，通過編寫代碼對步進電機輸入不同的脈沖數(shù)量、脈沖頻率實現(xiàn)設定角度的轉動和轉速，通過硬件系統(tǒng)的鍵盤模塊控制通電順序實現(xiàn)電機的正轉、反轉等功能。

1.4 鍵盤控制電路

鍵盤控制電路如圖1（b）所示，它是整個智能步進電機系統(tǒng)中的關鍵部分，在需要的時候可以通過人工干預單片機來控制步進電機的轉動性質，其實質是多個開關分別控制步進電機不同的功能。由于開關的斷開和閉合都是通過按下或松開開關實現(xiàn)的，因此這個過程都會產(chǎn)生短暫的抖動，抖動的幅度在10 ms以內(nèi)。開關的接通與否將導致鍵盤電路的輸出電壓呈現(xiàn)高低變化，因此，可以通過檢測輸出電壓的高低來判斷開關是否接通。

2 步進電機的軟件系統(tǒng)

2.1 軟件設計思路

根據(jù)本次設計與實現(xiàn)的實際需求，本文需要用到步進電機的功能有正轉、反轉、45°旋轉、90°旋轉和暫停。正轉和反轉功能的實現(xiàn)，是通過改變電機的導通相序來改變步進電機的轉動方向，而想要改變步進電機的導通相序，只要把AT89C51單片機P0口的電平輪流置高就行了，這時候電機會順時針旋轉，每執(zhí)行完一次這個順序，電機順時針旋轉會旋轉0.72°。如果需要步進電機順時針旋轉，則電機的通電順序設置為D-C-B-A，P0口先將0x08的置為高電平，其次將0x04置為高電平，然后0x02，0x01依次為高電平，如果需要步進電機逆時針旋轉，則電機的通電順序為A-B-C-D，P0口電平置高順序與順時針時相反，每執(zhí)行完一次這個順序，電機會逆時針旋轉0.72°。如果電機暫停，則P0口全部置0就行了。

2.2 軟件平臺

本文的軟件系統(tǒng)采用C語言編寫，使用模塊化思想分別設計延時函數(shù)和中斷函數(shù)等，根據(jù)所需的功能劃分好每個模塊，一個模塊由一個函數(shù)完成，一個模塊實現(xiàn)一個功能，然后運用面向對象的方法根據(jù)所需功能來調用每個模塊，最后將各個模塊聯(lián)合起來，構成一個系統(tǒng)。考慮到程序的易讀性，選用Keil作為程序編輯代碼的平臺，Keil平臺如圖2所示。

圖2 Keil軟件平臺

2.3 按鍵消抖

為了防止誤觸，確保按鍵接收到的就是一次按鍵，對電機系統(tǒng)進行消抖操作是必須的?？梢栽O計相應的硬件電路對按鍵進行消抖從而防止誤觸，但是硬件消抖的電路設計比較復雜，而且效果也不是很理想；另外一種消抖的辦法是用軟件來實現(xiàn)，編寫適當?shù)难訒r（抖動幅度以內(nèi)的延時時間即可）并執(zhí)行，通過執(zhí)行延時函數(shù)之后再判斷開關是否處于接通狀態(tài)，如果是，則接收到信號就是有一個按鍵動作，這樣就消抖成功了。

2.4 主程序的流程圖與執(zhí)行程序

本文電機系統(tǒng)的設計和開發(fā)是為了實現(xiàn)透明材料折射率的精確和自動測量，通過電機系統(tǒng)驅動執(zhí)行機構帶動被測量的部件執(zhí)行順時針轉旋轉的動作，或者是逆時針旋轉，45°旋轉、90°旋轉和暫停等。主程序的設置是在選擇正轉的條件下，電機有旋轉45°和旋轉90°這兩種選擇；選擇反轉的條件下，電機也有旋轉45°和旋轉90°這兩種選擇。步進電機控制系統(tǒng)主程序的流程圖如圖3所示。

圖3 步進電機控制系統(tǒng)主程序流程圖

電機的順時針旋轉和逆時針旋轉功能是通過改變電機的導通相序來實現(xiàn)的，而改變P0口電平置高的順序就可以改變電機的導通相序。順時針旋轉功能如圖4所示，逆時針旋轉功能同理。

圖4 電機順時針旋轉

本文所用的DC-5 V步進電機是一種四相五線的步進電機，其步進角為0.72°，也就是說電機每把這四相執(zhí)行完一次，步進電機就轉動0.72°，想要電機旋轉90°或者45°，則通過軟件控制電機把這四相執(zhí)行對應的次數(shù)即可，由設定的需要旋轉的角度除以0.72°。電機旋轉90°的代碼如圖5所示。暫停功能可以采用單片機的中斷技術，也可以使用較為簡單的的暫停功能，即將P0口的電平置0，沒有高電平驅動，則電機就不會旋轉。

圖5 電機旋轉角度

本文步進電機系統(tǒng)設計與開發(fā)目的是帶動轉盤轉動從而實現(xiàn)待測量的測量，需要在轉動一個精確的角度后停下，如果按照步進電機原本的速度來驅動電機，則電機旋轉的非常快，當步進電機帶動被測部件達到某一個角度后，慣性將會導致執(zhí)行機構帶動被測部件繼續(xù)旋轉，這樣會導致待測量的測量造成很大的誤差。解決方法是給各相通電的時候添加一個延時函數(shù)，這樣電機轉動的速度就會慢下來?？刂齐姍C轉速的方法如圖6所示。

本文將設計和開發(fā)的步進電機系統(tǒng)應用于透明材料折射率的自動精確測量[8]，步進電機在系統(tǒng)軟硬件的控制下帶動執(zhí)行機構旋轉，使得待測材料隨之精確地順時針或逆時針旋轉到對應位置，此時激光束以設定的角度入射和出射，從而達到折射率精確測量的結果，最終測得玻璃折射率的不確定度為0.001。

圖6 電機轉速的控制

3 結束語

步進電機廣泛應用于驅動執(zhí)行機構按指定的方向和設定的角度轉動或者完成既定的線位移，在機械加工、激光加工、自動測量、機器人的驅動等智能控制方面的應用潛力很好。本文通過單片機、電源模塊、ULN2003驅動器集成芯片結合的方法，運用C語言做軟件開發(fā)，實現(xiàn)步進電機通過執(zhí)行機構帶動被測部件順時針旋轉、逆時針旋轉、暫停、以及設定角度的精確旋轉，確保所需要的角度能夠做到精確位置的控制，實現(xiàn)透明材料折射率的自動精確測量，能夠很大程度上提高實驗的測量精度，減少了人為旋轉所造成的實驗誤差。