基于单片机和驱动芯片的步进电机控制系统设计_图文

1、基于单片机和驱动芯片的步进电机控制系统设计魏守山, 莫以为, 黄云奇 (广西大学, 530004摘要:本文介绍了步进电机的发展现状、趋势及其专用芯片TA 8435H 的特点, 提出了采用TA 8435H 控制步进电机的设计方案。方案硬件电路简单, 软件编程方便, 抗干扰和控制功能增强。实践表明, 系统性能优于传统的步进电机控制器, 而且性价比较高。关键词:步进电机; S TC89C52单片机; TA 8435H; 细分驱动中图分类号:T P368. 1 文献标识码:B 文章编号:1004-0420(2008 01-0043-02The design of control system of s

2、teppi ng motor based onSTC 89C 52chi p m icroco mputer and TA 8435H dri ver chi pW E I Shou shan , MO Y i w e, i HUANG Yun qi(GuangxiU niversity , 530004Ab stract :T he dev elopment current s i tuati on and trend o f stepping m o t o r and t he character i stics o f TA 8435H are i ntro duced i n th

3、i s paper . It brought for w ard t he design plan o f contro l stepp i ng m otor bas i ng on TA 8435H. There are so m e m er it , such as fac ilitated stepp i ng m oto r control secti on , the so ft wa re desi gning mo re si m p l e , strong an ti i nterference and contro lfunction . The practice sh

4、ow ed t hat the perfor m ance of this syste m outdid the traditiona l steppi ng m otor contro ller and h i ghe rfunction and price com pare .K ey w ords :steppi ng mo t o r ; S TC89C52ch i p m icro computer ; TA 8435H; d i v i ded dr i ve0 引言 步进电动机是数字控制电动机, 它将电脉冲信号转变为角位移, 因此非常适合单片机控制, 在非超载的情况下, 电机的转

5、速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数, 而不受负载变化的影响, 同时步进电机只有周期性的无累积误差, 精度高。由于步进电机的众多优点, 所以其应用越来越广泛, 控制驱动要求越来越高。由硬件实现控制发展到单片机实现控制, 近几年大量采用专用驱动芯片, 大大缩小了驱动器的体积, 提高了整机的性能。降低了生产成本1。TA8435H 是东芝公司生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片, 其采用的是脉宽调制式斩波驱动方式。具有工作电压范围宽、可供选择整步、半步、1/4细分、1/8细分运行方式及实现正/反转控制功能等优点2。下面就给出该芯片控制步进电机的设计方案。1 硬件电路设计系统总体框图如图

6、1所示。图1 系统总体框图1 1 单片机和驱动芯片电路设计本系统采用STC89C52单片机产生控制信号。本芯片内部RAM 和ROM 能满足本设计的要求。步进电机的信号通过STC89C52单片机的P1 0P1 5输出的具有时序的方波经光电耦合器传至TA8435H 芯片的C K 1、C K 2、C W /CCW 、M 1、M 2和REF I N , 然后再由其控制步进电机。电路图如图2所示。关于TA8435H 驱动芯片部分引脚功能及设计说明:引脚M 1、M 2决定步进电机转动方式, 此处工作在1/8模式(M1、M 2接高电平, 减小低速时的振动, C W /CC W 控制电机正反转动, CK 1、

7、CK 2时钟输入的最大频率不能超过5k H z , 控制时钟的频率即可控制电机转动的速率。REF I N 决定NFA 和NFB 的输出电压:当取值为1时, 输出0 8V, 当取值为0时, 输出0 5V 。这两 图2 控制电路图个引脚控制步进电机输入电流, 电流大小与NF 端外接电阻关系式为:I o =V r ef /R nf 即R n f =V ref /I o 。本设计选用的步进电机型号是57BYGA102。其额定电流是1 5A 。取REF I N =1, 即V r ef =0 8V 。由公式计算R nf =0 5333 , 实际选用0 5 的电阻。步进电机按二相双极性使用。四相按二相使用时

8、可以提高步进电机的输出转矩, RF307快恢复二极管用来泄放绕组电流。1 2 电源由于系统中需要弱电和强电两种电源。这里用USB 接口提供5V 弱电源, 用稳压电源提供10V 40V 强电源, 两电源不共地。低压电源为单片机和驱动芯片供电, 稳压电源为步进电机供电。2 软件设计系统软件程序主要功能模块有键盘的识别处理、数码管的显示和控制信号产生模块。其中控制信号产生模块主要任务是控制步进电机的起动、按顺序发出控制命令、控制步进电机的转向和转速。为减小低速时的振动采用1/8细分模式, 利用定时器向TA8435H 输出单脉冲控制步进电机转速程序如下:#i nclude ! reg51. h sbi

9、t REF I N =P13; sbitM 2=P15; sbitM 1=P14; sbit C W =P10; sbit CLK 2=P12; sbit CLK 1=P11;vo i d ti m e r(void i nterrupt 3CLK 2=! CLK 2; TH 0=0xe; f TL0=0x f; f vo i d m a i n(vo i d TMOD =0x00; EA =1; ET 1=1; TR1=1; REF I N =1; M 2=1; M 1=1; CLK 1=1; C W =1; W h ile(1; 3 可靠性设计3 1 光电隔离技术为有效地抑制干扰, 提高系

10、统工作的可靠性, 采用6N137光电隔离器件, 其优点有:a . 实现单片机和驱动芯片之间电平的转换;b . 实现两者之间信号的隔离, 防止产生干扰和保护作用。3 2 滤波技术在低电源(+5V 输入端接C 3电容滤掉噪声中的高频干扰; V BB 接C 2和C 1电容, 前者功能(下转47页数, 否则起动T 0后再对PLG 进行计数。如图6 所示。3 4 T 0中断服务程序在外部中断服务程序中, 当T 0定时时间到了以后, 就进入此程序。具体流程如图7所示。3 5 I NT 1服务程序在T 0服务程序中, 当I N T 1端子接受下降沿时就进入此程序。关掉外部中断1, 并且使定时器1停止计数,

11、保存计数值。如图8所示。4 结论本系统用单片机作为直流电机调速系统的控制核心, 具有结构简单, 运行可靠, 调节范围宽, 电流连续性好, 响应速度快等特点。采用比例积分(P I 调节器算法, 有效地抑制转速超调, 效率高, 具有广泛的实用 价值。参考文献:1 付家才. 单片机控制工程实践技术M.北京:化学工业出版社, 2004.2 李伯成. 基于M CS-51单片机的嵌入式系统设计M .北京:电子工业出版社, 2004.3 张 深. 直流无刷电机原理及应用M.北京:机械工业出版社, 1996.4 康华光. 电子技术基础. 数字部分(第四版 M .北京:高等教育出版社, 2000. 收稿日期:2

12、007-11-06作者简介:杨 靖(1958-, 男, 助理实验师, 主要从事交直流电机的控制技术。(上接44页同上, 后者起滤掉噪声中的低频干扰的作用。4 结束语本系统采用单片机和驱动芯片组合设计步进电机控制电路, 实践表明, 控制效果较好。该控制系统硬件电路设计简单, 结构紧凑、功耗低、运行可靠、设计方便; 因使用专用驱动芯片, 编制软件比较简单。TA8435H 为脉宽调制式斩波驱动方式的芯片, 所以其具有同频P WM 驱动器的优点:运行频率高, 输出转矩大, 并能消除电磁噪声等。较好地解决了高低频运行时的一些问题。本控制器可以与反馈检测环节连接, 组成闭环控制系统用于精度和稳定性要求较高的控制系统中。参考文献:1 周明安, 朱光忠, 宋晓华, 等. 步进电机驱动技术发展及现状J.机电工程技术, 2005, 34(2.2 东芝公司数据资料Z.TA 8435H. PDF. 2001.3 刘 升. 二相步进电机驱动芯片TA 8435H 及其应用J.新特器件应用.4 李忠杰, 宁守信. 步进电动机应用技术M .北京:机械工业出版社, 1988.5 刘国永, 陈杰平. 单片机控制步进电机系统设计J.安徽技术师范学院学报, 2002, 16