步进电机智能控制系统的设计

王 娟

（贵阳学院，贵州贵阳 550005）

1 步进电机概述

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制组件，被广泛应用于自动控制系统中[1]。步进电机细分驱动技术可减小步进电机步进角，提高电机运行平稳性，减小或消除步进电动机的低频振荡，降低噪声，显著改善其动态性能，增加控制的灵活性等，从而满足某些高精密定位、精密加工等方面的要求[2-4]。传统的步进电机具有控制方法单一、难于实现人机交互、电路复杂、控制精度低、生产成本高等缺点[5]。

步进电机最大的特点就是通过输入脉冲信号来进行控制，输入脉冲数决定了电机总转动角度，而脉冲信号频率决定了电机的转速。因此适合于单片机控制，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现步进电机的控制[6]。

1.1 步进电机的工作原理

非超载的情况下，给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，而不受负载变化的影响。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得将步进电机用在速度、位置等控制领域非常简单。单相步进电机是由单路电脉冲来驱动，输出功率很小，多用于微小功率驱动。多相步进电机由多相方波脉冲驱动，在很多领域都能用到。使用多相步进电机时，脉冲分配器会将单路电脉冲信号转换为多相脉冲信号，再经功率放大后分别送入步进电机各项绕组。脉冲分配器每接到一个脉冲，就会变化电机各相的通电状态，转子会转过一定的角度，这个角度称为步距角。倘若连续输入一定频率的脉冲，电机的转速与输入脉冲的频率具有严格的对应关系，负载的变化和电压波动不会对其产生任何影响。然而步进电机转过的总角度又是由输入的脉冲数所决定的，并且成正比关系。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

图1 PM型步进电机的原理图（2相单极）

1.2 步进电机的种类

步进电机按转子的材料可以分为三大类。

（1）PM型（永久磁铁型）

PM型步进电机的原理构造如图1所示，转子是永久磁铁所构成，更进一步地往这个周围配置了复数个的固定子。

图2 VR型步进电机的原理图（2相单极）

PM 型的特征是因为转子是永久磁铁构成的，所以就算在无激磁（固定子的任何线圈不通电）时也在一定程度上保持了转矩的发生。因而，利用这种性质的效果，可以构成省能积形的系统。

这种步进电机，它的步进角种类很多，钐钴系磁铁的转子是用在45°或者90°上，而且这些也可以用氟莱铁（ferrite）磁铁作为多极的充磁，有3.75°、11.25°、15°、18°、22.5°等丰富的种类，其中以7.5°（转48步进）最为普及。

（2）VR型（可变磁阻型）

VR型步进电机的构造如图2所示。主要用在转矩比较大的工作机械，或者特殊使用的小型起动机的上卷机械上。其它也有用在出力为1W 以下的超小型电机上，总之，VR型的数量是非常少的。步进角的种类有15°、7.5°、1.8°等，其中以1.5°步进最为普及。

图3 混合型步进电机的构造图（2相单极）

（3）HB混合型（复合型）

混合型步进电机的构造如图3 所示。混合型因具有高精度、高转矩、微小步进角和其他优异的特征，所以被大量的使用，特别是使用在盘片记忆关系的磁头转送上。在步进角上有0.9°、1.8°、3.6°，比起其它的电机而言，具有极小的步进角。

图4 步进电机控制流程图

1.3 步进电机的特点

（1）旋转的角度和输入的脉冲成正比，因此用开回路控制即可达成高精确角度及高精度定位的要求。

（2）启动、停止、正反转的应答性良好，控制容易。

（3）每一步级的角度误差小，而且没有累积误差。

（4）在可控制的范围内，转速和脉冲的频率成正比，所以变速范围非常广。

图5 时序图

（5）静止时，步进电机有很高的保持转矩（holding torque），可保持在停止的位置，不需使用煞车器也不会自由转动。

（6）在超低速有很高的转矩。

（7）可靠性高，不需保养，整个系统的价格低廉。

（8）高速运转时容易失步。

（9）在某一频率容易产生振动或共振现象。

2 控制系统设计

2.1 步进电机的控制

如图4 所示，通常情况下对于步进电机的控制，由单片机和PLC进行控制产生脉冲信号。

这里重点讨论对步进电机的控制和驱动，以受控电机为四相六线制的步进电机（内阻33 Ω，步进1.8°，额定电压12V）为例。

2.2 步进电机驱动电路

选用电机驱动器（可选L298N）来构成步进电机的驱动电路。若选用L298N 电机驱动器搭配单片机SPCE061A，则可通SPCE061A 的IOB8～IOB13 引脚对L298N 的IN1～IN4 和ENA、ENB口来发送方波脉冲信号，时序图如图5所示。

2.3 键盘电路

控制系统中可以选用标准的4× 4 键盘，其电路图如图6 所示。SPCE061A 的A 口低8 位为键盘的接口。虽然实际只需要4个键对步进电机的状态进行控制，但为给控制功能留有可扩展的空间，选用4×4键盘较佳。

2.4 数码管显示电路

数码管的显示驱动可选用串行移位寄存器74LS164，通过SPCE061A的IOB0和IOB1口对DATA和CLK 发送数据。如图7所示。

2.5 软件设计

在进行程序设计的过程中，主要分为五个部分：双机通讯、数字显示、步进电机驱动及键盘的设计。流程图如图8所示。

图6 键盘电路

3 小结

图7 数码管显示电路

图8 双击通讯流程图

该设计非常灵活，对于不同步进电机，可以适当修改其电路及程序即可通用。该方法性能良好，具有实用推广价值，方便、高效、成本较低。结果表明，该步进电机控制系统能实现预期的走步和两轴协调运行还能通过数码管显示数据，实用价值很高。

［1］荣盘祥，何志军.步进电机数字控制系统设计［J］.电机与控制学报，2009，13（2）：272-275.

［2］袁帅，甘靖.基于FPGA 的步进电机细分驱动技术研究［J］.湖南理工学院学报：自然科学版，2010，23（1）：62-64.

［3］胡惟文，蔡剑华，王先春.基于FPGA 的步进电机均匀细分驱动器的实现［J］.微计算机信息，2008，24（5）：183-184.

［4］张劲.利用AT89S52 单片机控制步进电机［J］.常州工程职业技术学院学报，2008，56（2）：73-75.

［5］何帅，高晓蓉，王黎，等.基于ATm ega128的步进电机细分驱动技术［J］.微计算机信息，2010，26（14）：90-92.

［6］卢慧芬，陈慧，张国鹏，等.基于TMS320F2812 的光伏并网发电模拟装置［J］.机电工程，2012（11）：1318-1322.

［7］史敬灼.步进电动机伺服控制技术［M］.北京：科学出版社，2006.