基于单片机的步进电机控制系统
摘 要:本文论述了以单片机AT89C51为控制器的步进电机的控制系统,内容主要包括该系统的硬件组成,步进电机运行过程的详细
分析,PC机与AT89C51单片机之间的串行通信以及AT89C51单片机对步进电机的控制程序流程图等。
关键字:单片机; 通信; 步进电动机
1 引言
平为TTL电平,为了取得一致的传输信号,因此需要采用电平转换
在电气时代的今天,电动机一直在现代化的生产和生活中起
芯片MAX485。根据实际需求选用AT89C51单片机,但由于其数
着十分重要的作用。无论是在工农业生产还是在日常生活中的家
据存储区只有256个单元,需要扩展片外数据存储器6264。此外
用电器,都大量地使用着各种各样的电动机。因此对电动机的控
采用脉冲分配器CH250实现单片机对步进电动机的通电换向即脉
制变得越来越重要了。电动机的控制技术的发展得力于微电子技
冲分配,通过光电耦合器4N25实现步进电动机与单片机的电气隔
术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、
离,由于单片机本身的驱动能力有限,因此需要采用专门的驱动电
微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控
路单电压驱动来实现功率放大,从而为电动机提供足够大的电流。
制技术在近二十多年内发生了翻天覆地的变化。其中电动机的控
总体的硬件方框图如图1所示:
制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制。
本文采用硬件和软件相结合的办法实现单片机对步进电动机的运
动控制。
2 硬件部分
[2]
PC机与AT89C51单片机 之间的串行通信在硬件上是由转
换器ATC－106和电平转换芯片MAX485来完成的。由于PC机
图1 总体的硬件框图
采用的是RS－232C接口标准,根据项目要求与生产中的实际情
况,需要采用传输距离较远的RS－485,因此需要采用RS-232C
3 软件部分
收稿日期:2007-05-18
通过软件实现PC机与单片机间的异步串行通信。PC机采用查询的方式发送和接收数据,单片机采用中断的方式接收PC机 T —— 步进电动机运行第 ＋1 步时所用的时间
N
1+N
1
1
传送的信息,从而确定步进电动机的旋转方向,走的总的脉冲数; 即匀速运行每一步所需要的时间
采用软件延时法控制脉冲的分配,从而控制步进电动机的整个运 由于采用软件延时的方法来控制单片机发出脉冲的时间间
行过程。 隔即通过改变脉冲的频率来改变步进电动机的运行速度。在步
进电动机匀加速运行阶段,只需按电动机每走一步所需要的时间
3.1 步进电动机运行的分析
[4]
来调用延时子程序即可。根据
步进电动机 的加减速要有严格的控制要求,那就是保证在
-VV
1-
ii
不失步和过冲的前提下,用最快的速度和最短的时间移动到指定
=a
（6）
+
TT
1-
ii
位置。本设计要求步进电动机的速度按图2所示运行。
—— 步进电动机匀加速运行阶段走第i步时的速度
V
i
—— 步进电动机匀加速运行阶段走第i步时所用的时间
T
i
由于步进电动机在匀加速运行阶段走最后一步时的速度
与匀速运行时的速度V相同
V
N
1
L
L
＝V= 又因为 ＝ 将其代入
＝
且
V V
V
V
N
1+N
1
1
1-i
i
T
T
i
1-i
（2-6）
TLTL
-
1-ii
整理得到
a＝
+TT
-
1ii
2
2
＋
＋ （7）
TaT
0=LT
TaTL
( )
-
1-ii
i
1-ii
图2 步进电动机的运行过程
通过软件调用一个开平方函数就可以求得
首先令i＝
N
1
由图可知匀加速阶段与匀减速阶段的加速度和减速度大小
等直到 、T ,这样就可以求出步进电动机匀
、
、
T
1
T
T
T
2
1-N
3-N
2-N
1
1
1
相同,方向相反,加减速的时间相同,因此只需算出加速段走的步
加速运行阶段从静止开始每走一步所用的时间。电动机在升速
数就可以知道减速时所走的步数,二者是一样的。计算过程如下:
过程中所走的总的步数即脉冲数为 ,从静止开始步进电动机
N
1
首先,恒速运行时的速度V是由用户设置的,因此是一个已
在匀加速阶段每走一步,升速阶段的总步数就减1,通过软件延时
知量。加速度a,一个脉冲走过的距离L,整个运行过程所走的步
的方法来控制走每一步所用的时间,加速阶段的延时时间是逐渐
数即总的脉冲数P也都是给定值。运行方向是根据用户的要求
,这样进行下
、
直到 、 、
变短的,依次为 、
T
T
T
T
T
T
1
3-N
2
2-N
1
N
1-N
1
1
1
由软件确定的。
去,直到 ＝0,加速过程结束,进入恒速运行阶段。步进电动机
N
1
接着计算步进电动机运行时间
N
在恒速过程中走的总步数为 ,从恒速运行开始,电动机每走一
3
—— 为步进电动机匀加速运行时所用
根据
t
atV =
1 1
步,恒速总步数就减1,因为恒速运行时走每一步用的时间都是相
的时间
同的,因此软件延时的时间均为 ,直到恒速总步数减为0,恒
T
V
1+N
1
可以求出t ＝
(1）
1
a
速过程结束,进入减速运行阶段。由于匀减速运行的过程是加速
由于匀加速阶段与匀减速阶段的加速度大小相同,因此匀
过程的逆过程,在匀加速运行阶段,步进电动机走的总的步数为
t
加速运行阶段所用的时间t 与匀减速运行时所用的时间 是相
2
1
,且 ＝N ,减速阶段电动机每走一步,减速总步数就减1,
N
N
1
1
2
2
2
at
。因为是匀加速运行,所以S＝
同的,即t ＝
,由a和t
t
1
1
1
2
2
软件延时的时间是逐渐变常的,依次为 、
、 、 直
T
T
T T
N
1-N
2-N 3-N
1
1
1 1
求出步进电动机匀加速运行阶段走过的总的距离,通过
2
到 、 ,减速总步数减为0,减速过程结束,电动机停止运行。
T
S
T
at
21
2
1
1
N
＝
（2）
＝
1
L
L 3.2 通信软件的设计
可以求出匀加速运行阶段步进电动机走的总步数即脉冲
[5]
PC机与AT89C51的串行通信程序 由两部分组成:一部分
数。由于步进电动机匀减速运行阶段是匀加速运行阶段的逆过
是PC机的通信程序,另一部分是AT89C51的通信程序。PC机
程,因此匀减速运行阶段所走的步数
与匀加速运行阶段所走
N
2
发送时,AT89C51单片机一定接收;PC机接收时,AT89C51单片
的步数 是相同的,即 ＝ ,由P、 和 可以求出步进电
N N N
N N
1
1
2
1 2
机肯定发送。而且对应发送和接收的字符要相同,否则不能达到
动机匀速运行阶段走的总步数即脉冲数为 ,即
N
3
正常通信的目的。此次设计PC机采用8086/8088汇编语言编
N
＝P－ － ＝P－2 （3）
N
N
N 1
3 1
2
写,AT89C51单片机端采用MCS－51语言编写。为了保证数据
步进电动机匀速运行时走每一步即每一个脉冲所需要的时
通信的可靠性,制定通信协议如下:
间是相同的,根据
① PC机与AT89C51单片机都可以发送和接收
L
（4）
V=
② PC机与AT89C51单片机的通信波特率为9600bps,采
T
1+N
1
L
（5）
因此
T
=
用的晶振频率为24MHZ,定时器T1工作在模式2,SMOD设置
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