基于单片机和串口通信的高速步进电机控制系统设计

ByGrith4

' c- h  ^& N; T摘要:介绍了一种采用单 片机和串口通信相结合的高速步进电机控制系统,该系统由上位机(PC机)和下
( W, u* t3 n" o' V8 m% p: q- s7 @位机(单片机)2部分组成,二者通过串口交换数据。由于规定的步进电机转动速度所对应的脉冲频率远大于步进电
) L3 {) `1 c8 I( T  d8 V机的突跳频率,因此达到最终转动速度需要一个加速过程,加速程序采用汇编语言进行编制，可以使过渡时间精确到
μ8级,保证了加速过程的平稳性。对指数型升速曲线和匀加速型升速曲线这2种常用的升速曲线在加速时间和转动
平稳度上的性能进行了比较,发现指数型升速曲线过渡时间短、加速过程平稳,具有操作性强、实现效果好等优点。
关键词:步进电机; 单片机;串口通信;突跳频率;过渡时间;升速曲线
' |# t! O2 `7 ?) n1 X* W0引言
& d7 z  a# o/ W) l步进电机是机电控制中一种常用的设备,它的用
0 l; E6 D0 Z3 D2 \' s1 U途是将电脉冲转化为角位移。也就是说，当步进电机
接收到一个脉冲信号时,就按照设定的方向转动一个
固定的角度。通过脉冲个数控制角位移量,从而达到

准确定位的目的;同时通过脉冲频率来控制电机转动
! {$ c4 ^. k4 f2 W的速度和加速度,从而达到调整转速的目的。步进电
机采用开环控制方式,不对转动位置和转速等参数进
行反馈,因此结构比较简单，在一些要求低成本的运.
7 b3 X( w# f. ]7 y- o1 |- l动控制系统中,经常用步进电机作执行元件。但也正
0 H1 h; k7 G, z' F是因为没有反馈信息,步进电机就必须正确响应每次
$ A' ]7 ?. H( Q- I2 k) m
脉冲变化,如果脉冲顯率选择不当,电机将不能移动
) I' F1 p- F( q& m到新的位置,即发生丢步或过冲现象。
丢步或过冲现象发生在步进电机高速转动或停
* [1 f4 N/ Q  N5 S1 D, i止的过程中。步进电机有一个极限启动频率,称为突
跳频率,如果步进电机以超过突跳频率的速度直接启
动，就会发生丢步现象,导致电机无法正常启动;电机
高速转动时如果立即中止发送脉冲.令其停止，则由
6 I$ Y( z8 i. z于惯性作用.会使步进电机转子转到接近终点平衡位
6 O) ^8 |5 @0 n3 d( e置的下一个平衡位置,并在该位置停下,从面产生过
% E4 }# l$ ^, W5 j冲现象。丢步或过冲现象会对步进电机造成一定程
度的损害,为了避免这种现象的发生.步进电机高速
* l7 t& k( j0 `8 V) N' A% t转动或停止时需要经历一个加速或减速的过程。
0 Q% C4 r. N% A, s- B  V- s本文设计的步进电机控制系统采用上位机,下位
% P. C5 b' p4 S8 X* u! O5 x  b机结构。下位机采用51系列单片机构成,控制步进
电机的转动或停止,如果规定的脉冲频率大于电机突
3 p6 Y0 J. G% D" j& b% E7 m  f跳频率,则自动启动加速或减速过程,加速或减速过
程采用软件程序实现。上位机为PC机,用户根据需
要输人控制指令(转动或停止)以及转动参数(转动
方向.速度或角度)。上位机和下位机通过串口交换
; B2 R6 q1 P" P8 x$ v3 E6 l- H; Z数据,上位机将控制指令和转动参数传递给下位机，
下位机则将步进电机的状态传递给上位机。
1步进电机控制原理
) c5 q& G" o! B8 T0 ]! O+ ]* w5 C本文以二相混合式步进电机为例,介绍该电机的
控制原理。二相混合式步进电机的结构如图1所示。
该电机由2组中心抽头的电感线圈构成,2个电感线
圈的固定端子分别为A,A和B,B。2组电感线圈的
+ G! z/ k) a& W9 }, }7 e中心抽头端COM相互连接,作为正电源的馈电端口。
该电机的电源为+12 V。
+ }1 V* d9 j; S' q圈1二相混合式步 进电机结构
F限1 Strocture of tuo phaee eppinp motor
4个端子A,A,B,B遞电时,相应的电感线圈中
* H+ D. l2 f5 M有电流通过,形成磁场,磁场对于步进电机的转子有
力的作用,导致步进电机产生转动。通电时,COM端
子加+12 V电压,4个端子接地。通电次数决定了步



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对指数型升速曲线和匀加速型升速曲线这2种常用的升速曲线在加速时间和转动平稳度上的性能进行了比较,发现指数型升速曲线过渡时间短、加速过程平稳,具有操作性强、实现效果好等优点