單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)具有成本低,、使用靈活的特點,，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人,，定量進給,、工業(yè)自動控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等應(yīng)用領(lǐng)域。步進電機是數(shù)字控制電機,，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移,，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),，而不受負載變化的影響,，非超載狀態(tài)下，根據(jù)上述線性關(guān)系,，再加上步進電機只有周期性誤差而無累積誤差,，因此步進電機適用于單片機控制。步進電機通過輸入脈沖信號進行控制,，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖總數(shù)決定,，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路是根據(jù)單片機產(chǎn)生的控制信號進行工作,。因此,，單片機通過向步進電機驅(qū)動電路發(fā)送控制信號就能實現(xiàn)對步進電機的控制。
1 系統(tǒng)設(shè)計原理
步進電機控制系統(tǒng)主要由單片機,、鍵盤LED,、驅(qū)動／放大和PC上位機等4個模塊組成，其中PC機模塊是軟件控制部分,，該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能：1)通過鍵盤啟動／暫停步進電機,、設(shè)置步進電機的轉(zhuǎn)速和改變步進電機的轉(zhuǎn)向；2)通過LED管顯示步進的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等工作狀態(tài),；3)實現(xiàn)三相或四相步進電機的控制：4)通過PC上位機實現(xiàn)對步進電機的控制(啟停,、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等)。為保護單片機控制系統(tǒng)硬件電路,，在單片機和步進電機之間增加過流保護電路。圖l為步進電機控制系統(tǒng)框圖,。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
2．1 單片機模塊
單片機模塊主要由MSP430FG4618單片機及外圍濾波,、電源管理和晶振等電路組成。MSP430FG4618單片機內(nèi)部的8 KB RAM和116 KB Flash滿足控制系統(tǒng)的存儲要求，P1和P2端口在步進電機工作過程中根據(jù)按鍵狀態(tài)判斷是否跳入中斷服務(wù)程序來改變步進電機的工作狀態(tài),，USART模塊實現(xiàn)單片機和PC上位機之間的通信,，實現(xiàn)PC機對步進電機控制。電源管理電路提供穩(wěn)定的3．3 V和5 V電壓,，分別給單片機,、晶振電路和驅(qū)動和功率放大電路供電。32 kHz晶振給單片機,、鍵盤／顯示接口器件8279和脈沖分配器PMM8713提供時鐘,；當(dāng)采用USART模塊時需開啟8MHz晶振設(shè)置通信模塊。圖2為單片機模塊結(jié)構(gòu)框圖,。
2．2 鍵盤／LED模塊
為實現(xiàn)人機對話,，該系統(tǒng)設(shè)計擴展了3x4按鈕矩陣鍵盤和4片8段LED數(shù)碼管，可手動直接操作該控制系統(tǒng),。系統(tǒng)上電后,，通過鍵盤輸入步進電機的啟停、步數(shù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等,，由LED管動態(tài)顯示步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,。鍵盤的輸入和LED管的輸出由8279進行控制，減少單片機工作負擔(dān),。8279編程工作在鍵盤掃描輸入方式,，讀入鍵盤時具有去抖動功能，避免誤觸發(fā),。圖3為鍵盤LED模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖,。
2．3 驅(qū)動／放大模塊
控制系統(tǒng)采用步進電機控制用的脈沖分配器(又稱邏輯轉(zhuǎn)換器)PMM8713，該器件是CMOS集成電路,，相輸出驅(qū)動能力(源電流或吸入電源)為20 mA,，適用于控制三相或四相步進電機，可選擇下列6種激勵方式：三相步進電進：1相,，2相,，1-2相；四相步進電進：1相,，2相,，1-2相。輸入方式可選擇單時鐘(加方向信號)和雙時鐘(正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時鐘)兩種方式,，具有正反轉(zhuǎn)控制,、初始化復(fù)位、原點監(jiān)視,、激勵方式監(jiān)視和輸入脈沖監(jiān)視等功能,。器件PMM8713由時鐘選通,、激勵方式控制、激勵方式判斷和可逆環(huán)形計數(shù)器等部分構(gòu)成,，所有輸入端內(nèi)都設(shè)有施密特電路,，可提高抗干擾能力。PMM8713輸出需接功率驅(qū)動電路,，選用功率驅(qū)動器PMM2101,，最大輸出電流為1．4 A，滿足驅(qū)動步進電機的要求,。驅(qū)動／放大電路如圖4所示,。MSP430單片機通過調(diào)節(jié)PMM8713的端口1～4輸入脈沖信號控制步進電機的啟停、速度和轉(zhuǎn)向等,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 單片機程序
利用單片機的定時器TIMER_A(TA)中斷產(chǎn)生脈沖信號,，通過在響應(yīng)的中斷程序中實現(xiàn)步進電機步數(shù)和圈數(shù)的準(zhǔn)確計數(shù)，通過PWM實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制,；利用P1．0端口的中斷關(guān)閉TA中斷程序,，并推入堆棧，停止電機,；P1．1中斷則開啟TA中斷,，堆棧推入程序計數(shù)器(PC)，開啟電機,；P3．1端口輸出高電平由PMM8713的U／D端口控制電機的轉(zhuǎn)向,；P3．0～P3．7端口接8279的8個數(shù)據(jù)接口，當(dāng)單片機掃描到矩陣鍵盤有鍵按下時,，利用P2端口的中斷設(shè)置TA,，控制啟停、調(diào)速和轉(zhuǎn)向等,，同時單片機反饋給8279控制LED管顯示轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,。其程序流程如圖5所示。
3．2 PC上位機模塊
PC上位機模塊實現(xiàn)PC機對步進電機的控制,。利用MSP430單片機的USART模塊實現(xiàn)與PC上位機的通信,，PC機通過串口向單片機發(fā)送控制命令，實現(xiàn)電機控制,。單片機所接收到控制命令暫存在RXBUFFER中,，然后與存儲在片內(nèi)Flash的中斷程序的入口地址相比較，相同就進入中斷,，實現(xiàn)步進電機的控制,。操作該模塊時需要開啟8 MHz晶振為USART模塊設(shè)置波特率(設(shè)置波特率為9 600)?？刂栖浖蒝B6．0編寫,，利用MSComm控件實現(xiàn)串行通訊功能,。其控制軟件界面如圖6所示。
4 系統(tǒng)檢測
為檢驗該控制系統(tǒng)的實際工作情況,，在給定PMM2101輸出工作電流的狀態(tài)下采用能量轉(zhuǎn)化法測得步進電機輸出的最大靜轉(zhuǎn)矩。選取輸出電流間隔0．2 A,，測到步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩與電流之間關(guān)系的靜特性曲線,，如圖7所示，說明該控制系統(tǒng)設(shè)計較合理,。
5 結(jié)論
該系統(tǒng)通過MSP430單片機控制步進電機運轉(zhuǎn)情況,，可靠性高，在電機運行時能夠方便設(shè)定步進電機的啟／停,、轉(zhuǎn)速和方向,，提高步進電機的步進精度；能夠控制三相或四相步進電機,；由PC上位機完全控制步進電機的各種運行方式,，使系統(tǒng)能夠應(yīng)用于惡劣環(huán)境中，保證人員安全,，適用范圍較廣,，且電路簡單，成本較低,，控制方便,，移植性強，實用價值高,。