CN102594236A - 一种步进电机控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种步进电机控制系统，包括三相步进电机、驱动电路、光电隔离电路以及步进电机控制器，所述步进电机控制器包括环形分配器、速度设定电路、工作方式设定电路、节拍初始化电路、运行开关以及运行指示电路，环形分配器是通过单片机模拟D触发器和数据选择器实现其功能。本发明采用D触发器芯片和数据选择器芯片来设计环形分配器，电路结构简单，思路清晰，并且容易理解；采用软硬件结合的方法来实现环形分配器的功能，单片机同时还完成数据采集和处理的功能，这又是我们的独创。同时，这种数字电子技术和单片机课程知识相结合的电路实验教学锻炼了学生们的综合设计能力，也提高了实验室设备的利用率，避免了实验室资源浪费。

Description

一种步进电机控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于步进电机控制技术领域，具体涉及一种步进电机控制系统及其控制方法，用于高校实验室的电路实验教学。
背景技术
目前在高校，实验室建设蓬勃发展，实验设备品种繁多，但相互之间没有相关性，相互彼此独立，比如单片机课程的实验设备的主要是提供验证性的实验，让学生学会使用单片机，而环形分配器主要是由触发器、计数器和组合电路组成，这些电路实验是数字电子技术课程开设的实验，这两种实验设备分布在不同的实验室，这就会造成设备利用率低，资源浪费，现有设备不能满足学生的综合设计能力。
当前在大学电气专业，前期课程有数字电子技术，同学们做过触发器、计数器，组合电路以及数据选择器等实验，后期有单片机课程，如果能够设计综合实验，使前期课程和后期课程有很好的衔接，这样使学生们既能学好当前知识又能巩固前面的知识，同时还能进一步改善实践教学效果。
目前在步进电机控制领域，环形分配器是个重要环节。目前环形分配器主要是由D触发器及复杂的门电路组成，或者由计数器及复杂的门电路组成，它们最大的缺点是电路复杂，不实用。环形分配器可以通过单片机软件来实现，也可以通过数字电路来实现，但很少见到采用软硬件结合的方法来实现环形分配器的功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种步进电机控制系统及其控制方法，采用软件和硬件相结合的控制方法实现环形分配器的功能，控制步进电机的转动，这是数字电子技术和单片机课程知识的结合，这样的电路实验教学锻炼了学生们的综合能力。
本发明首先涉及一种步进电机控制系统，包括步进电机、驱动电路、光电隔离电路、步进电机控制器，所述步进电机控制器包括环形分配器、速度设定电路、工作方式设定电路、节拍初始化电路、运行开关、运行指示电路，环形分配器通过单片机模拟D触发器和数据选择器实现。
优选的是，所述速度设定电路包括电位器PR1和电阻R1，电位器的中心抽头与单片机U1的引脚（40）连接，为步进电机控制器提供速度设定信号，改变D触发器同步信号的频率值。
优选的是，所述工作方式设定电路采用拨码开关DIP2，拨码开关DIP2的两个引脚分别与单片机U1的引脚（38）和引脚（39）连接，工作方式设定电路用于选定步进电机的步进拍数和步进方向,单片机U1的引脚（38）和引脚（39）对应数据选择器的选择输入信号。
优选的是，所述节拍初始化电路采用拨码开关DIP1，拨码开关DIP1的六个引脚分别与单片机U1的引脚（23）、引脚（26）、引脚（27）、引脚（28）、引脚（29）以及引脚（33）连接，这六个引脚分别对应三个D触发器的置位端和复位端，步进电机运行前首先设置拨码开关DIP1的数值，拨码开关DIP1的数值由步进电机的相数和拍数决定。
优选的是，所述运行开关采用单刀开关K1，单刀开关K1与单片机U1的引脚（19）连接，单片机U1的引脚（19）输出频率可调的脉冲信号，其可调频率数值根据电位器PR1的值来确定，当单刀开关K1闭合时，单片机U1的引脚（19）与单片机U1的引脚（21）接通，单片机U1的引脚（21）是D触发器同步信号，使得步进电机转动并且速度可调。
优选的是，指示灯D3每秒闪烁一次表示单片机已经运行，指示灯D1闪烁表示单片机输出同步信号正常。
优选的是，所述步进电机选用三相步进电机。
优选的是，所述单片机U1选用ATmega16。
优选的是，所述环形分配器包括三个D触发器。
优选的是，所述环形分配器包括三个四选一数据选择器。
优选的是，所述D触发器具有74LS74芯片。
优选的是，所述数据选择器具有74LS153芯片。
本发明的第二个方面涉及一种步进电机控制系统的控制方法，采用软件和硬件相结合的控制方法实现环形分配器的功能，具体方法如下：
用D触发器芯片和数据选择器芯片设计环形分配器，调试成功后用单片机模拟D触发器芯片和数据选择器芯片，单片机同时还完成数据采集和处理的功能，单片机的引脚与D触发器芯片和数据选择器芯片的引脚相对应；
步进电机控制器的软件模块包括数据选择器程序模块、D触发器程序模块、节拍初始化程序模块、秒定时程序模块、速度设定程序模块、单片机主程序模块、中断服务程序模块，软件模块将经过处理的控制指令和参数发送到单片机，单片机完成数据的采集和处理，发出的控制信号通过驱动器驱动步进电机工作。
进一步，所述D触发器程序模块的实现过程：单片机U1的引脚（34）、引脚（35）、引脚（36）分别对应三个D触发器的三个输入端，单片机U1的引脚（1）、引脚（2）、引脚（3）、引脚（4）、引脚（5）、引脚（6）分别对应三个D触发器的六个输出端；
首先检测输入引脚，然后让输出引脚等于输入引脚；
D触发器的输入端是D端，它的信号取自触发器本身，触发器的输出和输入经过一定的外电路连接在一起，构成一个环形分配电路，3个D触发器的输出端分别是                                                
Figure 41180DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 2012100456284100002DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 896003DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 2012100456284100002DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 613424DEST_PATH_IMAGE005
、，3个D触发器输入端分别是
Figure 946316DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、，D触发器输入端和输出端的关系由步进电机的相数和拍数决定。
进一步，所述数据选择器程序模块的实现过程：单片机U1的引脚（14）、引脚（15）、引脚（16）分别对应三个数据选择器的三个选择输出端，单片机U1的引脚（7）、引脚（8）、引脚（9）、引脚（12）分别对应第一个数据选择器四个数据选择器的选择输入端，单片机U1的引脚（13）、引脚（17）、引脚（18）、引脚（20）分别对应第二个数据选择器四个数据选择器的选择输入端，单片机U1的引脚（22）、引脚（24）、引脚（25）、引脚（37）分别对应第三个数据选择器四个数据选择器的选择输入端；
引入两个选择信号
Figure DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 22299DEST_PATH_IMAGE011
来识别通电方式或方向，令
Figure DEST_PATH_IMAGE012
 表示三相单三拍正转选择信号或三相双三拍正转选择信号，令 表示三相单三拍反转选择信号或三相双三拍反转选择信号，令
Figure DEST_PATH_IMAGE014
 表示三相六拍正转选择信号，令
Figure 301281DEST_PATH_IMAGE015
 表示三相六拍反转选择信号，则
Figure DEST_PATH_IMAGE016
 ，  
Figure 970160DEST_PATH_IMAGE017
 ，    。
进一步，节拍初始化程序模块读出拨码开关DIP1的数值，拨码开关DIP1的六个引脚分别与单片机U1的引脚（23）、引脚（26）、引脚（27）、引脚（28）、引脚（29）以及引脚（33）连接，这六个引脚分别对应三个D触发器的置位端和复位端，步进电机运行前首先设置拨码开关DIP1的数值，拨码开关DIP1的数值由步进电机的相数和拍数决定。
进一步，秒定时程序模块使D3指示灯每秒闪烁一次，表示单片机已经运行。
进一步，速度设计程序模块的实现过程：单片机U1的引脚（40）是A/D转换的输入脚，它与电位器PR1的中心抽头连接，在单片机的引脚（40）上得到0-5V的可变信号，单片机首先采集这个0-5V的可变信号，然后启动单片机的PWM功能，在单片机的引脚（19）上输出频率可调的同步信号，输出频率可调的数值与0-5V的可变信号有着对应的关系。
进一步，单片机主程序模块的实现过程:单片机U1通电后首先执行单片机初始化程序，完成输入输出接口设置、中断功能设置、A/D转换功能设置、PWM功能设置，接着执行节拍初始化程序模块，最后执行大循环程序；大循环程序还包括秒定时程序模块和速度设定程序模块。
进一步，中断服务程序模块的实现过程：当单刀开关K1闭合时，单片机U1的引脚（19）与单片机U1的引脚（21）接通，单片机U1的引脚（21）是D触发器的同步信号，单片机U1的引脚（21）采用上升沿中断方式，一旦单片机U1的引脚（21）有上升沿信号就产生中断进入中断服务程序；进入中断服务程序后，首先执行数据选择器程序模块，完成数据选择器的功能，然后执行D触发器程序模块，完成D触发器的功能，最后退出中断服务程序。
本发明采用D触发器芯片和数据选择器芯片来设计环形分配器，电路结构简单，思路清晰，并且容易理解；本发明采用软硬件结合的方法来实现环形分配器的功能，单片机同时还完成数据采集和处理的功能，这又是我们的独创。同时，这种数字电子技术和单片机课程知识相结合的电路实验教学锻炼了学生们的综合设计能力，也提高了实验室设备的利用率，避免了实验室资源浪费。
附图说明
图1是本发明的步进电机控制系统的结构示意图；
图2是本发明的步进电机控制系统的电路原理图；
图3是本发明的步进电机控制系统软件模块的单片机主程序框图；
图4是本发明的步进电机控制系统软件模块的中断服务程序框图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细阐述：
为了实现上述发明的目的，我们设计了步进电机控制系统电路原理图。如图2所示，控制系统包括三相步进电机、驱动电路、光电隔离电路、步进电机控制器；进一步，步进电机控制器包括环形分配器、速度设定电路、工作方式设定电路、节拍初始化电路、运行开关、运行指示电路。
环形分配器是通过单片机U1模拟D触发器和数据选择器来实现的，单片机U1同时还完成数据采集和处理的功能，单片机U1选用的型号是ATmega16。速度设定电路包括电位器PR1和电阻R1，电位器的中心抽头与单片机U1的引脚（40）连接，为步进电机控制器提供速度设定信号，实际上是改变D触发器同步信号的频率值。工作方式设定电路采用拨码开关DIP2，DIP2的两个引脚分别与单片机U1的引脚（38）和引脚（39）连接，工作方式设定电路用于选定三相步进电机的步进拍数和步进方向（参考公式1-3）,单片机U1的引脚（38）和引脚（39）对应数据选择器的选择输入信号。节拍初始化电路采用拨码开关DIP1，DIP1的六个引脚分别与单片机U1的引脚（23）、引脚（26）、引脚（27）、引脚（28）、引脚（29）以及引脚（33）连接，这六个引脚分别对应三个D触发器的置位端和复位端，步进电机运行前首先设置拨码开关DIP1的数值，拨码开关DIP1的数值是由步进电机的相数和拍数来决定的。运行开关采用单刀开关K1，单刀开关K1与单片机U1的引脚（19）连接，单片机U1的引脚（19）输出频率可调的脉冲信号，其可调频率数值是根据电位器PR1的值来确定的，当单刀开关K1闭合时，单片机U1的引脚（19）与单片机U1的引脚（21）接通，单片机U1的引脚（21）是D触发器同步信号，这样步进电机就可以转动并且速度可调。D3指示灯每秒闪烁一次表示单片机已经运行，D1指示灯闪烁表示单片机输出同步信号正常。
单片机的引脚与D触发器芯片和数据选择器芯片的引脚是有着对应的关系的，单片机U1的引脚（34）、引脚（35）、引脚（36）分别对应三个D触发器的三个输入端，单片机U1的引脚（1）、引脚（2）、引脚（3）、引脚（4）、引脚（5）、引脚（6）分别对应三个D触发器的六个输出端，单片机U1的引脚（14）、引脚（15）、引脚（16）分别对应三个数据选择器的三个选择输出端，单片机U1的引脚（7）、引脚（8）、引脚（9）、引脚（12）分别对应第一个数据选择器四个数据选择器的选择输入端，单片机U1的引脚（13）、引脚（17）、引脚（18）、引脚（20）分别对应第二个数据选择器四个数据选择器的选择输入端，单片机U1的引脚（22）、引脚（24）、引脚（25）、引脚（37）分别对应第三个数据选择器四个数据选择器的选择输入端。
环形分配器的硬件设计原理以及实现过程如下：
步进电机的转动是靠不停地改变各相通电绕组的通电顺序来实现的，若想让某相绕组通电，就要给某相绕组提供一组序列脉冲，因此步进电机有几相，就要为其提供几相脉冲序列。
步进电机最基本的控制系统就是由环形分配器和功率驱动电路组成的，环形分配器尤为重要。
环形分配器的基本构成是触发器，步进电机有几相就需要几相序列脉冲，因此步进电机有几相就需要几个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个脉冲序列，用来控制步进电机某相绕组的通、断电。触发器工作的同步信号就是控制步进电机在某个坐标轴的位移信号，向触发器每发一个同步信号，步进电机就前进一步，对于环形分配器来说就是运行了一拍。触发器的复位信号和置位信号用于环形分配器的节拍初始化，是由步进电机的相数和拍数来决定的。
本发明以三相步进电机为例，选用3个D触发器，每个74LS74芯片包含两个D触发器，所以我们选用两片74LS74。
D触发器的输入端是D端，它的信号取自触发器本身，触发器的输出和输入经过一定的外电路连接在一起，构成一个环形分配电路，3个D触发器的输出端分别是
Figure 399742DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 91755DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 828767DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 289835DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 719679DEST_PATH_IMAGE005
、，3个D触发器输入端分别是、
Figure 256730DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 591897DEST_PATH_IMAGE009
，D触发器输入端和输出端的关系由步进电机的相数和拍数决定，D触发器输入端和输出端的关系由步进电机的相数和拍数来决定的。三相步进电机有三相单三拍工作模式、三相双三拍工作模式以及三相六拍工作模式。根据这些工作模式我们总结出触发器输入端和输出端的关系如下：
1. 对于三相单三拍正转通电步进顺序：
Figure 258501DEST_PATH_IMAGE019
，应有
Figure DEST_PATH_IMAGE020
2. 对于三相单三拍反转通电步进顺序：，应有
Figure DEST_PATH_IMAGE022
3. 对于三相双三拍正转通电步进顺序：
Figure 772976DEST_PATH_IMAGE023
，应有
4. 对于三相双三拍反转通电步进顺序：，应有
Figure 869163DEST_PATH_IMAGE022
5. 对于三相六拍正转通电步进顺序：
Figure 751668DEST_PATH_IMAGE025
，应有
6. 对于三相六拍反转通电步进顺序：，应有
Figure DEST_PATH_IMAGE028
从以上可以看出，三相单三拍和三相双三拍的触发器输入端和输出端的关系是一样的，由于环形分配器既可以工作在三相单三拍方式，也可以工作在三相双三拍方式，还可以工作在三相六拍方式，无论是哪种工作方式，既要满足正转要求还要满足反转要求。那么对三个触发器的输入端来说，上述关系都是相或的关系。为了识别通电方式或方向，我们引入两个选择信号
Figure 922067DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 297684DEST_PATH_IMAGE011
。
令：
Figure 718302DEST_PATH_IMAGE012
 表示三相单三拍正转选择信号或三相双三拍正转选择信号。（1）
Figure 618300DEST_PATH_IMAGE013
 表示三相单三拍反转选择信号或三相双三拍反转选择信号。（2）
 表示三相六拍正转选择信号                           （3）
Figure 594664DEST_PATH_IMAGE015
 表示三相六拍反转选择信号                           （4）
则有：
       (5)
    
Figure 880469DEST_PATH_IMAGE017
       (6)
    
Figure 102502DEST_PATH_IMAGE018
       (7)
上面公式（5）到（7）可以用三个四选一数据选择器来实现，74LS153芯片包含两个四选一数据选择器，所以我们选用两片74LS153芯片来实现上述功能。
    在数字电路实验课程中，同学们已经掌握了D触发器和数据选择器原理和接线方法，在这里同学们参考公式（1）到（7），很快就能实现环形分配器的功能，最终控制步进电机的转动，充分利用同学们已经掌握的专业知识。
有了上面的硬件基础以后，参考附图2，连接好电路图，环形分配器是通过单片机模拟D触发器和数据选择器来实现的，单片机同时还完成数据采集和处理的功能。
包括了数据选择器程序、D触发器程序、节拍初始化程序、秒定时程序、速度设定程序、单片机主程序、中断服务程序的软件模块将经过处理的控制指令和参数发送到单片机，单片机完成数据的采集和处理，发出的控制信号通过驱动器驱动步进电机工作；
数据选择器程序模块的实现过程：输入和输出引脚定义可参考附图2，输入和输出之间的逻辑关系可参考公式1-7。
输入和输出引脚定义可参考附图2，首先检测输入引脚，然后让输出引脚等于输入引脚。
读出拨码开关DIP1的数值。DIP1的六个引脚分别与单片机U1的引脚（23）、引脚（26）、引脚（27）、引脚（28）、引脚（29）以及引脚（33）连接，这六个引脚分别对应三个D触发器的置位端和复位端，步进电机运行前首先设置拨码开关DIP1的数值，拨码开关DIP1的数值是由步进电机的相数和拍数来决定的。
使D3指示灯每秒闪烁一次，表示单片机已经运行。
单片机的引脚（40）是A/D转换的输入脚，它与电位器PR1的中心抽头连接，在单片机的引脚（40）上得到0-5V的可变信号，单片机首先采集这个0-5V的可变信号，然后启动单片机的PWM功能，在单片机的引脚（19）上输出频率可调的同步信号，输出频率可调的数值与0-5V的可变信号有着对应的关系。
单片机主程序的框图如附图3所示。单片机通电后首先执行单片机初始化程序完成输入输出接口设置、中断功能设置、A/D转换功能设置,PWM功能设置；接着执行节拍初始化程序模块，最后执行大循环程序；大循环程序包括秒定时程序模块和速度设定程序模块。
当单刀开关K1闭合时，单片机U1的引脚（19）与单片机U1的引脚（21）接通，单片机U1的引脚（21）是D触发器的同步信号，单片机U1的引脚（21）采用上升沿中断方式，一旦单片机U1的引脚（21）有上升沿信号就产生中断进入中断服务程序。如附图4所示，进入中断服务程序以后，首先执行数据选择器程序模块，完成数据选择器的功能，然后执行D触发器程序模块，完成D触发器的功能，最后退出中断服务程序。 

Claims (10)

1.一种步进电机控制系统，包括步进电机、驱动电路、光电隔离电路、步进电机控制器，其特征在于：所述步进电机控制器包括环形分配器、速度设定电路、工作方式设定电路、节拍初始化电路、运行开关、运行指示电路，环形分配器通过单片机模拟D触发器和数据选择器实现。
2.如权利要求1所述的步进电机控制系统，其特征在于：所述速度设定电路包括电位器PR1和电阻R1，电位器的中心抽头与单片机U1的引脚（40）连接，为步进电机控制器提供速度设定信号，改变D触发器同步信号的频率值。
3.如权利要求1或2所述的步进电机控制系统，其特征在于：所述工作方式设定电路采用拨码开关DIP2，拨码开关DIP2的两个引脚分别与单片机U1的引脚（38）和引脚（39）连接，工作方式设定电路用于选定步进电机的步进拍数和步进方向,单片机U1的引脚（38）和引脚（39）对应数据选择器的选择输入信号。
4.如权利要求1-3中任一项所述的步进电机控制系统，其特征在于：所述节拍初始化电路采用拨码开关DIP1，拨码开关DIP1的六个引脚分别与单片机U1的引脚（23）、引脚（26）、引脚（27）、引脚（28）、引脚（29）以及引脚（33）连接，这六个引脚分别对应三个D触发器的置位端和复位端，步进电机运行前首先设置拨码开关DIP1的数值，拨码开关DIP1的数值由步进电机的相数和拍数决定。
5.如权利要求1-4中任一项所述的步进电机控制系统，其特征在于：所述运行开关采用单刀开关K1，单刀开关K1与单片机U1的引脚（19）连接，单片机U1的引脚（19）输出频率可调的脉冲信号，其可调频率数值根据电位器PR1的值来确定，当单刀开关K1闭合时，单片机U1的引脚（19）与单片机U1的引脚（21）接通，单片机U1的引脚（21）是D触发器同步信号，使得步进电机转动并且速度可调。
6.如权利要求1-5中任一项所述的步进电机控制系统，其特征在于：指示灯D3每秒闪烁一次表示单片机已经运行，指示灯D1闪烁表示单片机输出同步信号正常。
7.如权利要求1-6中任一项所述的步进电机控制系统，其特征在于：所述步进电机选用三相步进电机。
8.如权利要求1-6中任一项所述的步进电机控制系统，其特征在于：所述单片机U1选用ATmega16。
9.如权利要求1-6中任一项所述的步进电机控制系统，其特征在于：所述环形分配器包括三个D触发器。
10.如权利要求1-6中任一项所述的步进电机控制系统，其特征在于：所述环形分配器包括三个四选一数据选择器。
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