步进电机的单片机控制设计分析

步进电机的单片机控制设计分析

朱球辉 中山市技师学院

步进电机已经在工业控制中取得了极为广泛的应用，通过单片机对电机的控制可以实现对其转速进行精细的调整。本文对以单片机为基础的步进电机控制原理进行简要的介绍，并对控制系统在硬件和软件两方面的控制方式进行设计分析。

步进电机；单片机；控制；设计分析

前言

步进电机的转速以及线速度和脉冲频率呈正相关，这是由于电机的角位移和脉冲成正比。因此通过对脉冲的改变可以实现对电机的控制，实现其迅速启动、制动以及正反转。步进电机控制系统是由驱动器、控制器和步进电机三部分构成，由于驱动器的价格极为昂贵，导致其只能在工业上得到较大的发展。但是对于普通院校的实验研究来说有着很大的制约作用。为此对以单片机为基础的步进电机控制电路加以研究分析，以此来降低经济成本。

1.以单片机为基础的步进电机控制原理

步进电机是一种将脉冲信号转换为位移的控制元件，在正常运转状态下，电机的运行位移以及转速仅由脉冲信号的数目以及频率决定，也就是说电机收到一个脉冲便会转动一定的角度。电机转动的角度受到脉冲的频率和次数的限制，因此使用单片机对其进行控制是非常适宜的。系统的硬件由驱动电路、负载、单片机与显示电路等部分组成，单片机主要作用是产生可以驱动电机的脉冲，同时输送到驱动电路中，电路根据信号来实现对电机的方向以及转速进行控制[1]。具体要由控制程序对单片机的输出信号进行控制，使步进电机的方向发生变化，对脉冲信号频率的改变来实现对电机转速的变换。步进电机与单片机接口电路如图1所示。

2.硬件设计分析

2.1 主控制器

本文中所采用的主控器是AT89C2051，因其具有能耗低、体积小、价格低廉、可靠性强等优势。功能上也有着极为丰富的控制指令，单片机拥有维持计算机运行的全部必备元件，片外拥有众多的可扩展引脚，极易组装为应用系统。控制器是整个系统进行调节与监控的重要部分，采用AT89C2051单片机进行控制是重要的关键点，使用单片机不但控制简单，而且也可以简化硬件设计。

2.2 驱动电路

步进电机要想运行需要有脉冲信号，脉冲要能够满足电机对功率、电压、电流的需求，因此要用专门的设备来进行满足，即驱动器。驱动器的性能不但与电机有关，与驱动电路的设计也有着很大的关系。驱动方式选取CPU间接驱动的方式较为安全稳定。驱动电路在进行选择时可以对不同类型步进电机的特点加以分析，来对电路进行确定[2]。由于本文对步进电机要求精度高，拥有较广泛的调节能力，因此选取驱动芯片ULN2003来进行驱动，同时利用软件进一步完成对电机启动、正反转、停机的要求。

2.3 按键设计

图1 步进电机与单片机接口电路

设计过程采取五个独立按键模式，电机的正转、反转与停机三个控制按键分别连接在单片机P1.0、P1.1、P1.2三个接口上，此外加速与减速两个按键与P3.2、P3.3接口相连。用三相反应电机，采用双三拍模式进行控制。

2.4 显示设计

显示屏要显示的是6位数字，可以采取74LS164做驱动元件，通过单片机的串行口传送数据，利用74LS164实现数据的串并转换，从而节省I/O接口。采用LCD1602作为本系统的显示器件。

3.软件设计分析

3.1 脉冲形成

要想控制步进电机的运行，单片机要求能够输出具有周期变化的控制脉冲信号。首先进行高电平的输出，经过一段时间的延时后再进行低电平的输出，然后再进行延时，如此反复进行。对延时时间进行控制，便可以对脉冲周期进行改变，根据电机的运行频率来确定脉冲周期。

3.2 方向控制

在实际应用控制系统时要根据实际需求对步进电机的方向进行控制，步进电机的正反转方向与通电顺序以及方式有着极为紧密的联系。上文提到了本次设计采用的是三相双三拍的工作方式。因此在正转时通电顺序是：ABBC-CA-AB，而反转时通电顺序是：AB-ACBC-AB[3]。

3.3 速度控制

电机在转动时进行机械运动，如果转动速度过快会导致“失步”状况。在进行电机速度控制时，就是对脉冲频率以及换向周期的控制，也就是升速时脉冲频率缓慢增加，降速时脉冲频率缓慢下降。使用软件控制时可以选用软件延时、定时器延时以及更改脉冲分配等方式进行控制。

3.4 控制程序

软件上设置标志位Flag进行电机旋转方向的判定，之后进行相应的控制脉冲数的输出，最后对需求的脉冲信号输出完成与否进行判断。

4. 结语

通过利用单片机来对步进电机进行控制，可以解决线路复杂的现象。通过软件可以很方便控制步进电机转速、正反转角度和转动频率。此外通过对中断方式的使用，可以实现对步进电机运行方式进行随时改变的功能。该设计方案有着极强的开放性，可以通过对其电路以及程序的改变来对所有的步进电机实现控制。

[1]李健楠,戴青燃.设计一套基于单片机的步进电机控制系统[J].黑龙江科技信息,2016,10（10）:46-47.

[2]贺敬.基于MCGS的51系列单片机控制步进电机的设计[J].山东工业技术,2015,03（03）:195.

[3]庞秀琴.基于Atmel89C52单片机4相混合式步进电机控制系统设计[J].山西煤炭管理干部学院学报,2014,02（02）:154-156.