西门子电源6ES7307-1KA02-0AA0

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实现的控制系统具有成本低、使用灵活的特点，广泛应用于、机器人，定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域。步进电机是数字控制电机，将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下，根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差，因此步进电机适用于单片机控制。步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。

1.系统设计原理

步进电机控制系统主要由单片机、键盘led、驱动／放大和pc上位机等4个模块组成，其中pc机模块是软件控制部分，该控制系统可实现的功能：1)通过键盘启动／暂停步进电机、设置步进电机的转速和改变步进电机的转向；2)通过led管显示步进的转速和转向等工作状态；3)实现三相或四相步进电机的控制：4)通过pc上位机实现对步进电机的控制(启停、转速和转向等)。为保护单片机控制系统硬件电路，在单片机和步进电机之间增加过流保护电路。图l为步进电机控制系统框图。

2.系统硬件电路设计

2．1 单片机模块

单片机模块主要由msp430fg4618单片机及外围滤波、管理和晶振等电路组成。msp430fg4618单片机内部的8 kb ram和116 kb flash满足控制系统的存储要求，p1和p2端口在步进电机工作过程中根据按键状态判断是否跳入中断服务程序来改变步进电机的工作状态，usart模块实现单片机和pc上位机之间的通信，实现pc机对步进电机控制。电源管理电路提供稳定的3．3 v和5 v电压，分别给单片机、晶振电路和驱动和功率放大电路供电。32 khz晶振给单片机、键盘／显示接口器件8279和脉冲分配器pmm8713提供时钟；当采用usart模块时需开启8mhz晶振设置通信模块。图2为单片机模块结构框图。

2．2 键盘／led模块

为实现人机对话，该系统设计扩展了3x4按钮矩阵键盘和4片8段led数码管，可手动直接操作该控制系统。系统上电后，通过键盘输入步进电机的启停、步数转速和转向等，由led管动态显示步进电机的转速和转向。键盘的输入和led管的输出由8279进行控制，减少单片机工作负担。8279编程工作在键盘扫描输入方式，读入键盘时具有去抖动功能，避免误触发。图3为键盘led模块设计结构框图。

2．3 驱动／放大模块

控制系统采用步进电机控制用的脉冲分配器(又称逻辑转换器)pmm8713，该器件是cmos，相输出驱动能力(源电流或吸入电源)为20 ma，适用于控制三相或四相步进电机，可选择下列6种激励方式：三相步进电进：1相，2相，1-2相；四相步进电进：1相，2相，1-2相。输入方式可选择单时钟(加方向信号)和双时钟(正转或反转时钟)两种方式，具有正反转控制、初始化复位、原点监视、激励方式监视和输入脉冲监视等功能。器件pmm8713由时钟选通、激励方式控制、激励方式判断和可逆环形计数器等部分构成，所有输入端内都设有施密特电路，可提高抗干扰能力。pmm8713输出需接功率驱动电路，选用功率驱动器pmm2101，*大输出电流为1．4 a，满足驱动步进电机的要求。驱动／放大电路如图4所示。msp430单片机通过调节pmm8713的端口1～4输入脉冲信号控制步进电机的启停、速度和转向等。

3.系统软件设计

3．1 单片机程序

利用单片机的定时器timer_a(ta)中断产生脉冲信号，通过在响应的中断程序中实现步进电机步数和圈数的准确计数，通过pwm实现转速控制；利用p1．0端口的中断关闭ta中断程序，并推入堆栈，停止电机；p1．1中断则开启ta中断，堆栈推入程序计数器(pc)，开启电机；p3．1端口输出高电平由pmm8713的u／d端口控制电机的转向；p3．0～p3．7端口接8279的8个数据接口，当单片机扫描到矩阵键盘有键按下时，利用p2端口的中断设置ta，控制启停、调速和转向等，同时单片机反馈给8279控制led管显示转速和转向。其程序流程如图5所示。

3．2 pc上位机模块

pc上位机模块实现pc机对步进电机的控制。利用msp430单片机的usart模块实现与pc上位机的通信，pc机通过串口向单片机发送控制命令，实现电机控制。单片机所接收到控制命令暂存在rxbuffer中，然后与存储在片内flash的中断程序的入口地址相比较，相同就进入中断，实现步进电机的控制。操作该模块时需要开启8 mhz晶振为usart模块设置波特率(设置波特率为9 600)。控制软件由vb6．0编写，利用mscomm控件实现串行通讯功能。其控制软件界面如图6所示。

4.系统检测

为检验该控制系统的实际工作情况，在给定pmm2101输出工作电流的状态下采用能量转化法测得步进电机输出的*大静转矩。选取输出电流间隔0．2 a，测到步进电机*大静转矩与电流之间关系的静特性曲线，如图7所示，说明该控制系统设计较合理。

5.结论

该系统通过msp430单片机控制步进电机运转情况，可靠性高，在电机运行时能够方便设定步进电机的启／停、转速和方向，提高步进电机的步进精度；能够控制三相或四相步进电机；由pc上位机完全控制步进电机的各种运行方式，使系统能够应用于恶劣环境中，保证人员安全，适用范围较广，且电路简单，成本较低，控制方便，移植性强，实用价值高。

步进马达依定子线圈的相数不同可分成二相、四相及五相式，小型步进马达以二相式较为普遍。

单极性型(unipolar) ：定子磁极极性为同一方向，如可变磁阻式步进马达，磁极线圈只有一组，所加的激磁电流为固定方向，因此单极性步进马达所需的较简单。单极性驱动电路使用四只晶体管来驱动的两组相位，电机结构则如图1所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接-图1。这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人区分不了又不正确，因为它其实只有两个相位，**的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。

图1 单极性二相步进电机驱动电路

双极性型(bipolar) ：定子磁极极性为两个方向，如**磁铁式步进马达，其转子的极性和定子磁极极性有交互变化的需要。单一激磁线圈时其激磁方向为正负交替变化，两组磁极线圈时，一组正向激磁，另一组负向激磁，两组交替变化，使定子磁极极性变化。以双极方式运用，其电源较为复杂。双极性步进电机的驱动电路则如图2所示，它会使用八只晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的成本。双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。

图2 双极性步进电机驱动电路

二相步进马达的激磁方式有下列两种:

(1).全步激磁

全步激磁方式又可分为1 相激磁与2相激磁两种方式，说明如下:

1相激磁

每次只激磁一相线圈，每输入一个脉波，便产生一步级的转，如图3所示，由图中可知，当激磁依a→b→a→b→a……相顺序，则马达顺时针方向旋转;若依b→a→b→a→b……相顺序激磁，则马达依逆时针方向旋转。此种激磁方式之优点为线圈消耗功率小，角**度良好，但其转距小，加上阻尼特性不良，易失步。

图3

2相激磁

每输入一个脉波，将有二相线圈激磁，如图4所示，由图中可知，若依ab→ba→ab→ba→ab……相顺序激磁，则马达顺时针方向旋转:若依ba→ab→ba→ab→ba……相顺序激磁，则马达转向为逆时针方向。此种激磁方式由于同时有两组线圈激磁，输出转距较大，加上阻尼效果良好，故能追踪较高的脉波率，但其缺点为耗电较大，容易发热。

图4

（2）半步激磁

此种激磁方式又称1-2相激磁，激磁一相线圈和二相线圈交互进行，每加入一数字脉波所转动之角度为原步进角的一半，因此分辨率可提高一倍，且运转时相当平滑，故与2相激磁方式同受广泛使用。图5为二相步进马达采用1-2相激磁方式之时序图，由图中可知，若依照a→ab→b→ba→a→ab→b→ba→a→ab……相的顺序激磁，则步进马达将以顺时针方向旋转；但如果依照ba→a→ab→b→ba→a→ab→b→ba……相顺序激磁，则马达逆时针方向旋转

图5

图6 二相5线/6线步进电机内部接线图