CN107968603A - 一种步进电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种步进电机控制系统，包括键盘、数码管、键盘/显示驱动单元、控制单元、调速旋钮、光电隔离单元、功率驱动单元、过流保护单元和RS232接口单元。本发明采用超强抗干扰、小巧低功耗的工业级STC12C单片机，并将系统中的数字电路和电机电路进行电气隔离，充分利用单片机内部的硬件资源，简化了电路结构，降低了系统成本，适用于针对电磁干扰较强以及要求低成本应用的场合，并且提供键盘、调节旋钮和上位机三种方式调节步进电机的工作方式和转动速率等参数，同时系统具有良好的通用性，只需适当改变输出口各位控制端，即可控制不同相数的步进电机。

Description

一种步进电机控制系统

技术领域

本发明涉及智能工业设备技术领域，特别涉及一种步进电机控制系统。

背景技术

步进电机是工业控制中应用十分广泛的一种电动机，它能将数字信号直接转换成角位移或线位移，驱动速度和指令脉冲能严格同步，具有较高的定位精度，在数控机床等领域应用广泛。但现有的步进电机控制系统设计成本较高，并且抗电磁干扰程度较弱，使其推广使用受到了一定的限值。

发明内容

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明提供了一种步进电机控制系统，采用超强抗干扰、小巧低功耗的工业级STC12C单片机，并将系统中的数字电路和电机电路进行电气隔离，充分利用单片机内部的硬件资源，简化了电路结构，降低了系统成本，适用于针对电磁干扰较强以及要求低成本应用的场合。

(二)技术方案

一种步进电机控制系统，包括键盘、数码管、键盘/显示驱动单元、控制单元、调速旋钮、光电隔离单元、功率驱动单元、过流保护单元和RS232接口单元；所述键盘/显示驱动单元的输入端连接所述键盘，输出端连接所述数码管；所述控制单元分别与所述调速旋钮和所述光电隔离单元相连接；所述光电隔离单元的输出端连接所述功率驱动单元，所述功率驱动单元的输出端连接步进电机；所述过流保护单元的输入端与所述步进电机相连接，输出端连接所述控制单元；所述控制单元通过所述RS232接口单元连接上位机；

所述键盘/显示驱动单元驱动所述键盘和所述数码管，用于按键输入的方式设置所述步进电机的工作方式与转速，所述步进电机的转速显示于所述数码管，所述键盘/显示驱动单元包括驱动芯片、石英晶振、第一～第三电容和第一～第二十五电阻，其中所述驱动芯片选用ZLG7289；

所述调速旋钮用于实现所述步进电机转速的连续调节；

所述控制单元对所述键盘和所述调速旋钮的动作及所述过流保护单元的反馈信号进行处理，输出相匹配的PWM脉冲信号控制所述步进电机工作；

所述光电隔离单元将系统的数字电路和电机电路进行电气隔离，所述光电隔离单元包括光电隔离器、第二十六和第二十七电阻，其中所述光电隔离器选用6N137；

所述功率驱动单元将所述控制单元的输出脉冲进行功率放大，以带动所述步进电机转动，所述功率驱动单元包括第一和第二场效应管、第一～第三三极管、第一～第十二极管、电感和第二十八～第三十电阻，其中所述第四和第七二极管为齐纳二极管；

所述过流保护单元检测所述步进电机的工作电流是否过大，并输出反馈信号送入所述控制单元，所述过流保护单元包括第四和第五三极管、第十一二极管和第三十五～第三十七电阻，其中所述第十一二极管为齐纳二极管；

所述控制单元还通过所述RS232接口单元与所述上位机进行数据交换，将所述步进电机的运行参数上传给所述上位机，同时可通过所述上位机实现对所述步进电机工作方式的调整与控制，所述RS232接口单元包括电平转换芯片和第四～第八电容，其中所述电平转换芯片选用MAX232。

进一步的，所述控制单元选用单片机STC12C4052AD。

进一步的，所述键盘为8*8键盘。

进一步的，所述数码管为8段数码管。

(三)有益效果

本发明提供了一种步进电机控制系统，采用超强抗干扰、小巧低功耗的工业级STC12C单片机，并将系统中的数字电路和电机电路进行电气隔离，充分利用单片机内部的硬件资源，简化了电路结构，降低了系统成本，适用于针对电磁干扰较强以及要求低成本应用的场合，并且提供键盘、调节旋钮和上位机三种方式调节步进电机的工作方式和转动速率等参数，同时系统具有良好的通用性，只需适当改变输出口各位控制端，即可控制不同相数的步进电机，系统结构简单，成本低廉，功耗极低，控制方便，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有很好的通用性和扩展性。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种步进电机控制系统的功能框图。

图2为本发明所涉及的一种步进电机控制系统的键盘/显示驱动单元电路原理图。

图3为本发明所涉及的一种步进电机控制系统的光电隔离单元电路原理图。

图4为本发明所涉及的一种步进电机控制系统的功率驱动单元电路原理图。

图5为本发明所涉及的一种步进电机控制系统的过流保护单元电路原理图。

图6为本发明所涉及的一种步进电机控制系统的RS232接口单元电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。

如图1所示，一种步进电机控制系统，包括键盘、数码管、键盘/显示驱动单元、控制单元、调速旋钮、光电隔离单元、功率驱动单元、过流保护单元和RS232接口单元；键盘/显示驱动单元的输入端连接键盘，输出端连接数码管；控制单元分别与调速旋钮和光电隔离单元相连接；光电隔离单元的输出端连接功率驱动单元，功率驱动单元的输出端连接步进电机；过流保护单元的输入端与步进电机相连接，输出端连接控制单元；控制单元通过RS232接口单元连接上位机。

控制单元对键盘和调速旋钮的动作及过流保护单元的反馈信号进行处理，输出相匹配的PWM脉冲信号控制步进电机工作。控制单元选用单片机STC12C4052AD，是一个时钟/机器周期的单片机，速度比普通的8051单片机快8～12倍，有20个引脚且为小巧封装。STC12C4052AD具有超强抗干扰、抗静电的特点，能轻松通过4KV快速脉冲干扰，其功耗超低，正常工作模式下的典型功耗为2.7～7mA。STC12C4052AD自带硬件看门狗，具有高速SPI通信端口，8通道8位A/D转换，2路PWM输出，4KB容量的Flash存储器，256B容量的SRAM，4个定时器，1个全双工串行通信口。由于STC12C4052AD内部的资源丰富，性价比高，能够很好的满足系统要求，而且减少了外围硬件电路设计，提高了工作效率，降低了设计成本。

键盘/显示驱动单元驱动键盘和数码管，用于按键输入的方式设置步进电机的工作方式与转速，步进电机的转速显示于数码管。键盘为8*8键盘，数码管为8段数码管。如图2所示，键盘/显示驱动单元包括驱动芯片U1、石英晶振X1、电容C1～C3和电阻R1～R25，其中驱动芯片U1选用ZLG7289，按键S1～S64为8*8键盘，Dp1为8段数码管。ZLG7289是具有SPI串行接口功能的可同时驱动8段数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片，单片即可完成显示、键盘接口的全部功能，采用串行方式与STC12C4052AD通信，数据从DIO脚送入芯片，并由CLK脚同步，当CS脚信号变为低电平后，DIO脚上的数据在CLK脚的上升沿被写入ZLG7289的缓冲寄存器。整个电路无需添加锁存器和驱动器，耗电少，并且软件设计中无需编写显示译码程序，省去了静态显示扩展芯片，大大节省了STC12C4052AD的时间。

调速旋钮用于实现步进电机转速的连续调节，调速旋钮本质即为一可调电位器，利用STC12C4052AD内部的A/D转换功能转换成数字量，从而控制输出脉冲频率，完成步进电机速度的连续调节。

在STC12C4052AD与步进电机之间增加光电隔离单元，将系统的数字电路和电机电路进行电气隔离，避免相互串扰。如图3所示，光电隔离单元包括光电隔离器U2、电阻R26和R27，其中光电隔离器U2选用6N137。

STC12C4052AD输出步进电机的各相控制脉冲序列，经光电隔离后，通过功率驱动单元进行功率放大，以带动步进电机转动。如图4所示，功率驱动单元包括场效应管Q1和Q2、三极管T1～T3、二极管D1～D10、电感L1和电阻R28～R30，其中二极管D4和D7为齐纳二极管，电感L1为步进电机相绕组。场效应管Q1和Q2的栅源间阻抗很高，工作于开关状态下漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极，产生相当幅度的Vgs脉冲电压，正方向的Vgs脉冲电压可能会导致器件的误导通，为此，需要适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源之间并接一个稳压值小于20V，而又接近20V的齐纳二极管D4和D7，以防止栅源开路工作。为了抑制场效应管Q1和Q2的快恢复，在电路中接入4只快恢复二极管D5、D6、D9和D10，其中，反并联快恢复二极管D9和D10的作用是为电机相绕组L1提供续流通路，快恢复二极管D5和D6是为了使场效应管Q1和Q2内部的快恢复二极管不流过反向电流，以保证场效应管Q1和Q2在动态工作时能起到正常的开关作用。

过流保护单元检测步进电机的工作电流是否过大，并输出反馈信号送入控制单元，如图5所示，过流保护单元包括三极管T4和T5、二极管D11和电阻R35～R37，其中二极管D11为齐纳二极管。三极管T4的集电极作为步进电机工作电流的检测脚，STC12C4052AD的P3.2脚输出高电平到三极管T4的基极，三极管T4导通，并且三极管T4通过电阻R36接地，步进电机的工作电流I流过电阻R36形成回路，当工作电流I过大时，电阻R36的电压增大并超过设定值，该设定值为三极管T5的导通电压，若三极管T5导通，则将STC12C4052AD的P3.2脚电平拉低，STC12C4052AD的P3.2脚输出低电平控制三极管T4截止，从而断开步进电机的工作电流I回路，功率驱动单元停止工作，从而形成对功率驱动单元以及步进电机的保护。

STC12C4052AD还通过RS232接口单元与上位机进行数据交换，将步进电机的运行参数上传给上位机，同时可通过上位机实现对步进电机工作方式的调整与控制。如图6所示，RS232接口单元包括电平转换芯片U3和电容C4～C8，其中电平转换芯片U3选用MAX232。MAX232是单电源双RS232发送/接收芯片，采用单一5V电源供电，只需外接4个电容，便可构成标准的RS232通信。电容C4～C7是电荷泵升压及电压反转部分产生V+脚和V-脚电源供电平转换使用，电容C8是VCC脚对地去耦电容。电容C4～C8在PCB板上尽量靠近MAX232芯片引脚，以提高抗干扰能力。T2IN脚和R2OUT脚连接STC12C4052AD的UART1，T2OUT脚和R2IN脚连接上位机的串口。

本发明提供了一种步进电机控制系统，采用超强抗干扰、小巧低功耗的工业级STC12C单片机，并将系统中的数字电路和电机电路进行电气隔离，充分利用单片机内部的硬件资源，简化了电路结构，降低了系统成本，适用于针对电磁干扰较强以及要求低成本应用的场合，并且提供键盘、调节旋钮和上位机三种方式调节步进电机的工作方式和转动速率等参数，同时系统具有良好的通用性，只需适当改变输出口各位控制端，即可控制不同相数的步进电机，系统结构简单，成本低廉，功耗极低，控制方便，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有很好的通用性和扩展性。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (4)

1.一种步进电机控制系统，其特征在于：包括键盘、数码管、键盘/显示驱动单元、控制单元、调速旋钮、光电隔离单元、功率驱动单元、过流保护单元和RS232接口单元；所述键盘/显示驱动单元的输入端连接所述键盘，输出端连接所述数码管；所述控制单元分别与所述调速旋钮和所述光电隔离单元相连接；所述光电隔离单元的输出端连接所述功率驱动单元，所述功率驱动单元的输出端连接步进电机；所述过流保护单元的输入端与所述步进电机相连接，输出端连接所述控制单元；所述控制单元通过所述RS232接口单元连接上位机；

所述键盘/显示驱动单元驱动所述键盘和所述数码管，用于按键输入的方式设置所述步进电机的工作方式与转速，所述步进电机的转速显示于所述数码管，所述键盘/显示驱动单元包括驱动芯片、石英晶振、第一～第三电容和第一～第二十五电阻，其中所述驱动芯片选用ZLG7289；

所述调速旋钮用于实现所述步进电机转速的连续调节；

所述控制单元对所述键盘和所述调速旋钮的动作及所述过流保护单元的反馈信号进行处理，输出相匹配的PWM脉冲信号控制所述步进电机工作；

所述光电隔离单元将系统的数字电路和电机电路进行电气隔离，所述光电隔离单元包括光电隔离器、第二十六和第二十七电阻，其中所述光电隔离器选用6N137；

所述功率驱动单元将所述控制单元的输出脉冲进行功率放大，以带动所述步进电机转动，所述功率驱动单元包括第一和第二场效应管、第一～第三三极管、第一～第十二极管、电感和第二十八～第三十电阻，其中所述第四和第七二极管为齐纳二极管；

所述过流保护单元检测所述步进电机的工作电流是否过大，并输出反馈信号送入所述控制单元，所述过流保护单元包括第四和第五三极管、第十一二极管和第三十五～第三十七电阻，其中所述第十一二极管为齐纳二极管；

所述控制单元还通过所述RS232接口单元与所述上位机进行数据交换，将所述步进电机的运行参数上传给所述上位机，同时可通过所述上位机实现对所述步进电机工作方式的调整与控制，所述RS232接口单元包括电平转换芯片和第四～第八电容，其中所述电平转换芯片选用MAX232。

2.根据权利要求1所述的一种步进电机控制系统，其特征在于：所述控制单元选用单片机STC12C4052AD。

3.根据权利要求1所述的一种步进电机控制系统，其特征在于：所述键盘为8*8键盘。

4.根据权利要求1所述的一种步进电机控制系统，其特征在于：所述数码管为8段数码管。