基于C8051F单片机的步进电机

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  摘 要: 介绍一种基于C8051F330单片机的步进电机控制驱动器设计,利用串口通信将电机的速度、方向等参数传送给驱动器CPU(C8051F330),CPU根据相关参数,直接产生脉冲信号,并完成环分任务,最后由功率驱动器L298N完成步进电机的功率驱动。
  关键词: C8051F330;步进电机;功率驱动
  0 引言
  步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移,广泛应用在各种自动化控制系统中。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成控制回路,调试复杂、元器件多、改变控制方案需要重新设计电路。因此,计算机通过软件来控制步进电机已成一种必然趋势。本文介绍一种基于C8051F330单片机控制的新型步进电机驱动器的设计方法。
  1 驱动器的设计方案
  1.1 两相步进电机工作原理
  两相四线制步进电机模型如图1所示。如果控制绕组按A→
  、B→ 、 →A、 →B顺序通电,转子就会一步一步地连续转动。转子的转速取决于控制绕组接通和断开的变化频率,旋转方向则取决于控制绕组轮流通电的顺序。如果上述通电次序改为 →B, →A、B→ 、A→ 、则电机反向旋转。
  步进电机步距角的大小由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式决定,存在关系:
  为步距角,m为电机相数,C为通电状态系数,当单极性通电时C=1,而双极性通电时C=2, 为电机转子齿数。控制绕组通电状态的改变是由外加输入脉冲驱动电路来实现。每当外电路送入一个脉冲,控制绕组的通电状态即改变一次。与此对应的是步进电机将转动一个步距角。因此步进电机转过的步距角数等于外加脉冲数,步进电机的转速为:
  为电机通电的脉冲频率,单位Hz;n为电机转速,单位r/min。转速用步距角表示:
  由式(1)、(2)和(3)可知,电机的相数和转子的齿数一定时,转子的转速和输入脉冲频率成正比。因此,改变输入的脉冲频率就即改变转速。改变步进电机各绕组的通电顺序就可以实现其方向控制[1]。
  1.2 驱动器设计方案
  驱动器的控制核心器件采用C8051F330单片机,是使用Silicon Labs公司的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容,在1片上集成了包括ADC、UART、定时器、内部晶体振荡器、片内集成外部RAM等在内的几乎所有数字外设功能部件,不仅为驱动器的设计开发提供了方便,而且与传统的8051系列MCU单片机相比较C8051F330能够极大的简化外围电路和硬件结构,降低成本提高可靠性[2][3]。
  驱动器的功率驱动芯片采用ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片L298N,特点是可实现电机正反转及调速、启动性能好、启动转矩大、工作电压可达到36V,4A。该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机,可以直接通过电源来调节输出电压;并可以直接用单片机的I/O口提供信号;而且电路简单,使用方便。
  C8051F300接收外部设备传送的电机速度和方向控制信号,C8051F330完成环分,L298N完成功率放大进而驱动步进电机按要求运行,同时通过拨码开关选择电机以整步或半步运行,其结构如图2所示。
  2 驱动器的软件实现
  3 结束语
  本文介绍的步进电机驱动器将脉冲信号的产生、环分與驱动融合到一起,简化了电路结构,外设通过串口发送步进电机速度参数即可准确地控制步进电机。该驱动器用于两相制的步进电机控制驱动效果良好,并在数控机床的步进电机控制上获得了成功的应用。
  参考文献:
  [1]王晓明,电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002:181-208.
  [2]何立民,MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京:航空航天大学出版社,2003:1-30.
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