基于单片机和串口通信的高速步进电机控制系统设计

ByGrith4

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
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
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
/ a3 Q0 V# s* o. ]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
0引言
9 ^9 Y2 B- o+ |2 t$ N步进电机是机电控制中一种常用的设备,它的用
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
  o6 J5 v+ |: B: n- _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
0 m5 R9 c; L' J, ]& M0 q: N的速度和加速度,从而达到调整转速的目的。步进电
$ e4 h' A1 b3 `: g7 H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.
! Y# C# E/ v" k4 s动控制系统中,经常用步进电机作执行元件。但也正
$ u( y+ s8 Z6 L; D8 |是因为没有反馈信息,步进电机就必须正确响应每次

5 L; b5 A, V+ U0 Q0 g3 B脉冲变化,如果脉冲顯率选择不当,电机将不能移动
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
/ u& Y: U% l' d- B止的过程中。步进电机有一个极限启动频率,称为突
1 V9 `" `1 [) S( g# z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
: X3 {0 ^2 D" t9 D于惯性作用.会使步进电机转子转到接近终点平衡位
6 P3 F2 I0 Z) j+ [) r3 u置的下一个平衡位置,并在该位置停下,从面产生过
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
转动或停止时需要经历一个加速或减速的过程。
本文设计的步进电机控制系统采用上位机,下位
+ |8 m; q8 A; n# }! g机结构。下位机采用51系列单片机构成,控制步进
; z$ L# E, c2 O& _电机的转动或停止,如果规定的脉冲频率大于电机突
/ s$ o5 @9 C2 c# G; H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
. {/ H2 x* Q7 K$ T方向.速度或角度)。上位机和下位机通过串口交换
数据,上位机将控制指令和转动参数传递给下位机，
2 U% p( d& E" u3 c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
5 s& U6 S' b& t7 c3 l( e" z3 P. \本文以二相混合式步进电机为例,介绍该电机的
+ g) ?# ^" y' M1 B* C) Z/ J' O. u控制原理。二相混合式步进电机的结构如图1所示。
) _- |* [3 T9 A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
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。
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
有电流通过,形成磁场,磁场对于步进电机的转子有
! R' h. C5 d! W. I5 s( R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