時間：2022-05-10 02:27:20
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關鍵詞:步進電機；驅動電路；L297和L298芯片；單片機；C語言
Key words: stepper motor；drive circuit；L297 and L298 chips；microcontroller；C language
中圖分類號：TM3文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）04-0047-02
0引言
步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的精密執行元件，由于步進電機具有控制方便、體積小等特點，所以在數控系統、自動生產線、自動化儀表、繪圖機和計算機設備中得到廣泛應用。微電子學的迅速發展和微型計算機的普及與應用，為步進電動機的應用開辟了廣闊前景，使得以往用硬件電路構成的龐大復雜的控制器得以用軟件實現，既降低了硬件成本又提高了控制的靈活性，可靠性及多功能性。市場上有很多現成的步進電機控制機構，但價格都偏高。應用SGS公司推出的L297和L298兩芯片可方便的組成步進電機驅動器，并結合MCS-51單片機進行控制，即可以實現用相對便宜的價格組成一個性能不錯的步進電機驅動電路。
1工作原理
由于步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專用設備-步進電機控制驅動器。典型步進電機控制系統如圖1所示：控制器可以發出脈沖頻率從幾赫茲到幾十千赫茲可以連續變化的脈沖信號，它為環形分配器提供脈沖序列。環形分配器的主要功能是把來自控制環節的脈沖序列按一定的規律分配后，經過功率放大器的放大加到步進電機驅動電源的各項輸人端，以驅動步進電機的轉動。環形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設計的方法實現環分器要求的功能，通常稱軟環形分配器。另一類是用硬件構成的環形分配器，通常稱為硬環形分配器。功率放大器主要對環形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅動步進電機目的。
2硬件電路組成
文中所控制的步進電機是四相單極式減速步進電動機。本文所設計的步進電機控制驅動器的框圖如圖2所示。它由MCS―51單片機、集成芯片L297和L298組成。
2.1 步進電機控制電路本系統的控制電路采用單片機MCS-51進行控制。
在工業檢測、控制中，許多場合都要用到計數或定時功能。例如，對外部脈沖進行計數、產生精確的定時時間等。MCS-51單片機內有兩個可編程的定時器/計數器T1、T0，以滿足這方面的需要。兩個定時器/計數器都具有定時器和計數器兩種工作模式。
2.1.1 計數器工作模式計數器是對外來脈沖進行計數。MCS-51芯片有T0（P3.4）和T1（P3.5）兩個輸入引腳，分別是這兩個計數器的輸入端。每當計數器的輸入引腳的脈沖發生負跳變時。計數器加1。
2.1.2 定時器工作模式定時功能也是通過計數器的計數來實現的，不過此時的計數脈沖來自單片機的內部，即每個機器周期產生1個計數脈沖，也就是每經過1個機器周期的時間，計數器加1。如果MCS-51采用12MHz晶體，則計數頻率為1MHz，即每過1μs的時間計數器加1。這樣可以根據計數值計算出定時時間，也可根據定時時間的要求計算出計數器的初值。
2.2 步進電機驅動電路驅動電路由L297和L298芯片組成。L297是步進電動機控制器（包括環形分配器），L298是雙H橋式驅動器。它們所組成的微處理器至雙橋式步進電動機的接口如圖3所示。這種方式結合的優點是，需要的元件很少，從而使得裝配成本低，可靠性高和占空間少。并且通過軟件開發，可以簡化和減輕微型計算機的負擔。另外，L297和L298都是獨立的芯片，所以應用是十分靈活的。
2.3 步進電機原理①可以用數字信號直接進行開環控制，整個系統簡單廉價。②位移與輸入脈沖信號數相對應，步距誤差不長期積累，可以組成結構較為簡單又具有一定精度的開環控制系統，可在要求更高精度的組成閉環控制系統。③無刷，電動機本體部件少，可靠性高。④易于起動，停止，正反轉及速度響應性好。⑤停止時可有自鎖能力。⑥步距角可在大范圍內選擇，在小步距情況下，通常可以在超低轉速下高轉距穩定運行，通常可以不經減速器直接驅動負載。⑦速度可在相當寬范圍內平滑調節，同時用一臺控制器控制幾臺步進電動機可使它們完全同步運行。⑧步進電動機帶慣性負載能力較差。
3軟件設計
采用C語言編程
sbit P0.0=1; //CW 方向
sbit P0.1=1; //HALF 半步
sbit P0.2=1; //ENABLE 使能
sbit P0.3=1; //RESET復位
sbit P0.7=1; //CLOCK時鐘
int SD(int a)
{ int time;
time=a;
TMOD=0*01; //TI采用定時器
TH0=(65536-time)/256；
TL0=(65536-time)%256；
TR0=1；
for(;;)
{
TH0=(65536-time)/256；
TL0=(65536-time)%256；
Do{}while(!TF0)；
P0.7=!P0.7; //CLOCK輸出時鐘
TF0=0;
if (P1.4==0)SD(65536); //電機停止
If (P1.1==0)SD(1000);//調用子程序(低速)
else If (P1.2==0)SD(4000); //調用子程序(中速)
else If (P1.3==0)SD(16000);//調用子程序(高速)
else break;
}
}
Main()
{
if (P1.0==0)
{if (P1.1==0)SD(1000);//調用子程序(低速)
else If (P1.2==0)SD(4000); //調用子程序(中速)
else If (P1.3==0)SD(16000);//調用子程序(高速)
}
else if(P1.4==0) SD(65536); //電機停止
}
4結論
本文創新點在于提出應用單片機和L297、1298集成電路構成步進電機控制驅動器。使之具有元件少，可靠性高、占空間少、裝配成本低等優點。通過軟件開發，可以簡化和減輕微型計算機的負擔。另外，在上面提出的在加減速程序中定時器的裝載值用式子計算不精確，這兩條賦值要執行不少的時間，具體做的時候，可直接把初值計算出來或把除號用相加來計算，以達到精確的目的。
參考文獻:
[1]劉寶廷.步進電動機及其驅動控制系統[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997.
[2]何立民.MSC-51系列單片機應用系統設計[M].北京航空航天大學,1990.
[3]用L287、L298組成步進電機驅動電路[J].儀器儀表學報，24，(4),2004:573-574.
在PMM8713的內部電路中,時鐘選通部分用于設定步進電機的正反轉脈沖輸入法。PMM8713有兩種脈沖輸入法:雙脈沖輸入法和單脈沖輸入法。采用雙脈沖輸入法的連線方式如圖2(a)所示,其中CP、CU兩端分別輸入步進電機正反轉的控制脈沖。當采用單脈沖輸入法時,其連線方式如圖2(b)所示,該圖中的CK為時鐘脈沖輸入,步進電機的正反轉方向由U/D的高、低電位決定。
片中的激勵方式控制電路用來選擇采用何種勵磁方式。激勵方式判斷電路用于輸出檢測;而可逆環形計數器則用于產生步進電機在選定的勵磁方式下的各相通斷時序信號。
2 SI-7300A的結構及功率驅動原理
SI-7300A是日本三肯公司生產的高性能步進電機集成功率放大器。該器件為單極性四相驅動,采用SIP18封裝,其結構框圖如圖3所示。
步進電機功率驅動級電路可分為電壓和電流兩種驅動方式,電壓驅動方式有串聯電阻驅動和雙電壓驅動兩種,其中串聯電阻驅動在相繞組中串聯了一定阻值和功率的電阻。為了維持步進電機的相電流,通常要提高驅動繞組的相電壓,因此繞組串聯電阻驅動方式效率較低,但方法簡單,成本低,故在實際驅動電路中使用較多。雙電壓驅動在每相繞組導通時,首先施加高電壓VH使電流快速上升,當電壓上升到規定幅值時,將高電壓VH切斷,此時,回路以低電壓VL維持,電路驅動效率可大大提高,但因采用高低兩種驅動電源,且電源切換的控制電路比較復雜,因而較少采用。電流驅動方式最常用的是PWM恒流斬波驅動電路,也是專用集成電路中最常用的能獲得高性能的驅動方式,其中一相的等效電路圖如圖4所示。步進電機使用較高電壓的電源時,繞組電流幾乎可以近似直線地上升到預定值,此時由流過RS的檢測電流去控制一個斬波控制電路即可關斷T1,從而使繞組電流在續流回路(L、D1、T2、RS、)中續流并下降。當電流下降到規定時間后(達到某一電流)由脈沖電路產生脈沖至斬波控制電路可使T1接通,如此反復(由T1的反復開關)對繞組電流進行斬波控制,就可使電流平均值趨于恒定。外接穩壓二極管D2、D3可用作嵌位保護和內部集成續流回路(外接檢測電阻RS),從而避免T1開關所引起的尖峰感應電動勢所造成的尖峰電壓T1的危害。
3 在步進電機中應用
步進電機是常用的執行機構,它用脈沖頻率控制轉動速度,而用脈沖的數目來決定轉動的角度。由于拖動負載大小不同,因此,僅僅接上電源是無法工作的,而必須接上相應的驅動器才能工作。驅動器的輸出可為電機各相提供相應通電順序的勵磁電流。實際上,步進電機的工作性能在很大程度上取決于所使用的驅動電路的類型和參數。步進電機可分為PM型、VR型和HB型三種。其相數有兩相,三相、四相、五相、六相等,常用的有兩相或四相混合式步進電機。
由SI—7300A、PMM8713和80C51構成的步進電機驅動電路如圖5所示,圖中,PD端為SI—7300A輸出電流IO的控制端,可以懸空或接高電平,當接高電平時可以適當提高SI—7300A的輸出電流IO。步進電機的旋轉方向和旋轉速度可通過80C51的鍵盤輸入,同時通過軟件可編程控制并行I/O 口P1.0和P1.1,以輸出相應頻率的脈沖來控制步進電機。步進電機采用42BYG009型時,驅動電壓為24V,此時該功率驅動電路的矩頻特性如圖6所示。
一、五相混合式步進電機的控制原理
混合式步進電機只有在轉子磁鋼和定子磁勢相互作用下，才能產生電磁轉矩，步進電機才能運行。給一個特定邏輯脈沖，步進電機便運行一步，通電狀態每循環一次，轉子轉過一個齒距，改變輪流通電的順序可以改變步進電機的轉向。對步進電機加一個連續不斷的控制脈沖，它可以連續不斷的轉動，轉子的平均速度正比于控制脈沖的頻率。因此，對步進電機的控制實質上是對步進電機驅動電路的控制信號的控制，所以可從以下兩方面對步進電機控制：
（一）轉速控制
步進電機運行速度與輸入控制脈沖的頻率成正比。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整控制器發出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。在一般情況下，步進電機在運行過程中都需有一個加速-恒速-減速-停止的過程，本文重點討論步進電機的升降速控制。
（二）轉向控制
本文所研究的五相混合式步進電機驅動電路采用五相星接半橋驅動，功放橋有十個輸入端A，B，C，D，E和A，B，C，D，E分別表示上，下橋臂功率管的輸入。當上橋臂的五個控制端中任意加控制脈沖使功率管導通時，相應的繞組便正向導通；下橋臂控制端加控制脈沖使功率管導通時，相應的繞組便反向導通。
步進電機的轉向與輸入給各相繞組脈沖的先后次序有關，考慮工程上要求獲得最大的合成轉矩，其五相十拍的各相通電順序為ABCDE-BCDEA-CDEAB-DEABC-EABCD-ABCDE-BCDEA-CDEAB-DEABC-EABCD（其中A，B，C，D，E表示繞組通以正向電流，A，B，C，D，E則表示繞組中通以反向電流）。如果按給定工作方式正序換相通電，則步進電機正轉；如果按反序換相通電，則電機就反轉。
二、五相混合式步進電機的FPGA控制的實現
由FPGA控制實現的步進電機控制系統如圖1所示。
如圖1所示，控制系統的核心部件是FPGA，它由兩大功能模塊組成：
⑴轉速控制模塊。它在不同速度控制信號作用下，可將經分頻器分頻后的系統時鐘改變為不同的PWM信號，將該信號作為轉速控制模塊的變頻時鐘，達到改變步進電機速度的目的。
⑵方向控制模塊。在每個變頻時鐘周期內，脈沖分配器在不同的方向控制信號下產生不同方向的步進時序脈沖，從而控制步進電機的正轉或反轉。
（一）步進電機的升降速控制的實現及仿真
步進電機啟動時，若直接將速度升到要求的運行速度，啟動頻率可能超過極限啟動頻率，造成電機失步或堵轉。同樣，如果電機到達終點時突然停下來，由于慣性，電機會發生過沖，影響位置控制精度。因此步進電機在啟動時必須有加速過程；在停止時必須有減速過程。步進電機的速度控制是通過改變輸入脈沖的頻率來實現的。從而可驅動步進電機平滑啟動和停止，以防止失步和過沖現象。
本文工程設計要求：設計一控制電路，使五相混合式步進電機加速階段運行50步（n=50），50步后電機頻率達到系統時鐘頻率，而后恒速運行400步（n=400），然后開始平滑減速50步（n=50）后停轉，模型如下圖2。其中fh為電機穩態運行時的系統頻率；f0為電機啟動頻率。電機正是從啟動頻率開始平滑運行50步后達到系統頻率，減速反之。
（1）步進電機的速度控制電路。由上述原理，步進電機的速度控制硬件原理如圖3所示。
圖3中 ，DVF為數控分頻器，根據預置數據的不同，對輸入時鐘有不同的分頻比。在設計中，利用FPGA的ROM存放不同分頻比所需的預置數據，這樣可以根據不同的分頻要求靈活地改變存儲數據的數量以及大小。
由于步進電機的減速過程是加速過程的逆過程，所以設計了一個可逆計數器作為預置數存儲ROM的地址計數器，計數器的u_d端為高電平時，計數器進行加計數，對應步進電機升速過程，u_d端為低電平時，計數器進行減計數，電機進行降速過程。由于勻速過程介于升降速過程之間，當升速過程結束時，由單片機發出信號來控制en使能端，使可逆計數器處于保持狀態，確保減速過程的正常運行。同時，步進電機進入勻速工作狀態，變速、勻速過程的交替由MUX21選擇器來實現，當S為高電平時，電機勻速轉動，當S為低電平時，電機處于升速或降速過程。而計數器COUNT4是用來對DVF輸出的PWM波形進行計數，每輸出一個PWM波形，電機就走一步，計數器就計數一次，step就累加一次，進而達到對步進電機步數計數的要求。
（2）實驗仿真。速度控制模塊的仿真波形圖如圖4。
從圖4可以看出，當s為高電平時，電機處于變速過程，此時u_d為高電平，電機處于均勻加速過程，當電機運行50步后，s為低電平，電機處于勻速運行狀態，此時電機頻率與系統時鐘頻率一致，電機勻速運行400步后，s再次為高電平，電機又處于變速過程，此時u_d為低電平，電機處于減速過程，減速運行50步后，電機停轉。
（二）步進電機的轉向控制的實現及仿真
（四川信息職業技術學院，廣元 628017）
（Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628017，China）
摘要： 步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。
Abstract: As an executive component, stepping motor is one of the key products of mechatronics, and it is widely used in all kinds of automatic control system. With development of microelectronics and computer technology, the demand for stepping motor is increasing, and it is used in various fields of national economy.
關鍵詞： 單片機 步進電機 控制系統
Key words: SCM; stepping motor; control system
中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）20-0150-01
0引言
本控制系統是采用單片機提供電脈沖信號通過驅動電路放大信號后，驅動步進電機轉動。通過軟硬件結合使得步進電機可實現勻速運轉、加速運轉、減速運轉、正反轉切換等功能。本系統硬件主要由最小應用系統、鍵盤控制電路和功能電路組成。其中單片機采用AT89C51驅動，通過由ULN2003芯片組成的放大電路，驅使三相六拍35BYJ46型步進電機。
1硬件系統設計
1.1硬件設計總體思路本系統采用單片機AT89C51為核心芯片的電路來實現，硬件電路由單片機(AT89C51)、復位電路、時鐘電路、步進電機驅動電路等組成。通過按鍵開關來實現步進電機轉動功能。其控制系統設計框圖如圖1所示。
以單片機為核心，設計步進電機控制系統，具有以下功能：①按下正轉鍵，步進電機勻速正向旋轉，然后重新獲取按鍵情況；②按下停止鍵，步進電機停止轉動，然后重新獲取按鍵情況；③按下反轉鍵，步進電機勻速反向旋轉，然后重新獲取按鍵情況；④按下加速鍵，步進電機以當前方向加速旋轉，然后重新獲取按鍵情況；⑤按下減速鍵，步進電機在加速前提下減速到勻速旋轉，然后重新獲取按鍵情況。具體的控制流程圖，如圖2所示。
1.2時鐘電路MCS-51單片機的時鐘信號通常用兩種方式得到：內部振蕩方式和外部振蕩方式。本系統設計采用內部振蕩方式。MCS-51單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩定，實際使用中常采用這種方式。
1.3復位電路復位是單片機的初始化操作，其目的是使CPU及各專用寄存器處于一個確定的初始狀態。如：把PC的內容初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執行，除了進入系統的正常初始化之外，當單片機系統在運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態時，為擺脫困境，也需要復位以使其恢復正常工作狀態。本設計采用上電復位電路，以滿足復位的時間要求及設計質量。
1.4鍵盤控制電路獨立式鍵盤是指各按鍵相互獨立地接通一條輸入數據線，當任何一個鍵按下時，與之相連的輸入數據線即被清0（低電平），而平時該線為1（高電平），鍵盤電路接一個與門電路就組成了完整的鍵盤控制電路。
1.5步進電機驅動電路步進電機驅動電路是驅動電機工作的系統，它主要由電機轉動部分和驅動電路部分組成。
1.5.1 步進電機轉向控制步進電機按四相八拍方式來工作，在A、B、C、D四相繞組上依次輸入脈沖的順序如下所示。
步進電機正轉：
■
步進電機反轉：
■
由此可見：只要控制脈沖輸出的順序改變就可以對步進電機正/反轉的控制。
1.5.2 驅動芯片AT89C51單片機通過ULN2003芯片組成的放大電路來驅動三相六拍步進電機。
2軟件設計
一個應用系統，要完成各項功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時還必須得到相應設計合理的軟件的支持，許多由硬件完成的工作，都可通過軟件編程而代替。該系統的軟件設計流程圖見圖3。
3結語
該系統設計通過單片機AT89C51來控制步進電機的運轉狀況，實現了占用CPU時間少，效率高；易控制步進電機的轉速和轉向；提高了步進電機的步進精度等。再有，該設計過程考慮比較周全，系統中采用上電復位模式，可瞬間將單片機初始化。
參考文獻
[1] 劉寶廷，程樹康．步進電動機及其驅動控制系統.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997.
中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0019-02
1 前言
近年來，步進電機在多個領域得到了開發和應用，并取得了良好的使用效果。步進電機是一種常見的執行元件無論是結構還是操作方法，都比較簡單，其性能也與工業生產控制要求相適應，在工業技術中對其進行應用，已是一種既定的趨勢。步進電動機以其顯著的特點，在數字化制造時揮著重大的用途。與此同時步進電機調控也發生了相應的升級和轉變，本文對單片機和步進電機進行同步應用，以控制軟、硬件，不斷提高步進電機工作效率。
2 單片機的應用意義及原則
2.1 單片機的應用意義
單片機與步進電機進行同步應用，既能夠滿足工業生產要求，又是步進電機電路設計過程中的基本訴求。單片機的性質是集成電路芯片，以具體技術為依托，對中央處理器、隨機存儲器、只讀存儲器、中斷系統和定時器等子系統功能進行實現。它能夠對數據信息進行收集、分析和處理，在步進電機控制系統中極具應用優勢，達到良好的應用效果。
首先，提高步進電機性能。依據實際情況，對反應式、永磁式和混合式等步進電機類型進行合理選擇，充分發揮它的設計功能，適應社會需要。如果對該三種反應原理進行單一應用，步進機將喪失其整體性能，也會對步進電機的工作質量產生不同程度的影響，使它的應用效果大打折扣。單片機能夠依據步進電機的工作環境、運動特性、控制性能和實際功用等，對它進行局部性的優化和升級，以補強步進電機控制系統整體，實現步進電機結構層面上的一體化，充分發揮它的使用性能，為工業生產提供物質及技術支持。
其次，降低步進電機維護及保養成本，節省資金。步進電機的材質一般比較昂貴。接收電信號脈沖之后，長期工作周期背景下，運動軌跡會發生明顯變動。對步進電機的使用效果和結構產生直接性影響，產生裂紋或在記錄過程中出現失誤，使步進電機維護更加困難。在實際應用中需要在特定周期內，對步進電機進行維護和保養，確保其具備良好的應用效果及安全性。單片機能夠從結構和功能上對步進電機進行協調，使電機不再受局部區域干擾，避免出現運動差錯，對步進電機的維護和保養成本進行有效控制，實現資源節約。
2.2 單片機在步進電機電路中的實用性原則
設計單片機步進電機控制系統的時候，需要考慮資金要素，要依實際情況，對設計成本進行有效控制，減少不必要的資金浪費，使單片機在步進電機電路中得到充分應用。
3 步進電機概述
3.1 步進電機發展
步進電機別名階躍電動機或脈沖電動機，它能夠對脈沖信號進行轉換，使其成為角位移或直線位移電機，也使它的分析過程更加便利。該種步進電機發展較早，無論是位移量與脈沖數，還是位移速度與脈沖頻率都呈現正相關。
步進電機的最初研發時間是上世紀二十年代，距今已有很長年限。上世紀五十年代，人們開始在步進電機上對晶體管技術進行應用，實現了對步進電機的數字化控制，使其控制過程更加快捷便利。此后，研究人員再次對步進電機性能進行升級和改善，使其具備分解性、響應性、精度性和可依賴性等多方面優勢。加之，微電子技術和計算機技術的發展，自動化控制系統中開始對步進電機進行頻繁應用，使其逐漸成為機電一體化中的重要執行元素。步進電機的優勢非常明顯，它既能夠提升工作效率，實現自動化，也能夠使位置控制更加快捷、準確，不斷提高生產效率，實現經濟效益最大化[1]。
步進電機廣泛應用在生產實踐的各個領域。它最大的應用是在數控機床的制造中，因為步進電機不需要A/D轉換，能夠直接將數字脈沖信號轉化成為角位移，所以被認為是理想的數控機床的執行元件。早期的步進電機輸出轉矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術的發展，步進電動機已經能夠單獨在系統上進行使用，成為了不可替代的執行元件。比如步進電動機用作數控銑床進給伺服機構的驅動電動機，在這個應用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數控蝸桿砂輪磨邊機同步系統的驅動電動機。除了在數控機床上的應用，步進電機也可以并用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅動器的馬達，也可以應用在打印機和繪圖儀中等等。
3.2 步進電機的工作原理
定子和轉子是步進電機的主要元件。正常工作狀態下，如果有電流經過，定子繞組會產生一個矢量磁場，繼而對轉子產生帶動，使其在具體作用下旋轉，轉子和定子的磁極磁場方向會發生偏差，形成相應的角度。步進電機主要對通過定子繞組的電流進行支配，實現轉子旋轉角度控制。一旦輸入脈沖信號，轉子即發生偏轉，即步距角。完成脈沖信號給出規律設定之后，電流的通過將會更具規律性，而轉子也會有規律的進行持續轉動，對電機進行帶動，使步進電機實現工作。如圖1所示，步進電機結構。
傳統電動機的轉動具有持續性特征，控制難度相對較大。當前的步進電動的驅動方式是數字信號，能夠依據實際情況，對它的定位和運轉等使用狀態進行有效調節。我們對輸入脈沖的電機繞組通電順序、頻率和數量等進行合理調整，對步進電機接受脈沖信號而旋轉指定的角度進行科學合理的指揮，使其滿足最初訴求。如今，步進電機的正常運行得益于脈沖信號。如果沒有輸入脈沖信號，步進電機將處于定位狀態。單片機能夠對步進電機這一特性進行有效控制。對單片機和步進電機進行同步應用，有助于提高其生產效率。傳統電動機的主要功用是能量轉換，而步進電機則作為電路控制元件存在，極具精確性，對人們日常生產和生活具有正向性影響。
4 基于單片機控制步進電機電路的設計
步進電機可以以硬件系統實現控制。但是，基于市場因素考慮，硬件系統不具備經濟性，而它的各項功能也不具備適用性。一旦發生設計變更，則需要對硬件電路進行整體性修改，加大了工作負擔，很難實現便利性。單片機具備可直接編程優勢，能夠對運算功能進行有效執行，在具體應用過程中，可對步進電機進行適應性控制，對具體的轉向、步數和速度等進行合理調節。借助軟件的更改，能夠滿足不同設計訴求。設計人員對顯示電路和鍵盤電路進行有效結合，能夠進行人機交換，最大程度降低外部干擾，使其更加可靠、高效。
4.1 系統硬件設計
4.1.1 單片機最小系統
電路設計中離不開單片機最小系統設計，它是步進電機電路的起始部分。主要功能是生成步進電機轉動需要的脈沖，并對其加以控制。我們可以借助單片機的軟件編程功能，對步進電機所需要的信號進行輸出，使單片機輸出脈沖數與步進電機旋轉角度呈現正相關，單片機輸出脈沖頻率與步進電機轉動速度也呈現正相關。同時，單片機也能夠對電流值進行有效處理，并借助數碼管明確顯示電機的轉速和方向。
單片機的主要模塊有復位電路和晶體振蕩電路。如圖2所示，單片機最小系統線路圖。
P0口主要對數碼管顯示情況進行控制，使其顯示結果更加明確，且極具準確度；P1口著重控制步進電機中單片機的編程，使芯片處于良好的讀寫狀態；P2口作為數碼管位選，對公共端工作進行有效控制。同時，它也能夠對掃描電路鍵盤工作情況進行合理控制。P3口著力于模數轉化成芯片的工作控制[2]。
4.1.2 數碼管顯示電路
數碼管顯示模塊的主要顯示內容有步進電機選擇速度、旋轉方向、步進電機電流通過情況。該設計中，借助數碼管對設計進行顯示，直接點亮數碼管，實現位選部分，對單片機控制端的地輸出電壓問題進行有效控制。因而，需要將輔助三極管添加到位選和單片機控制端。
4.1.3 串口通信模塊
串口通信模塊的應用原理是對計算機和單片機進行連接，實現二者之間的信息交互和流通。它的應用原理是借助計算機對程序進行編程，然后對程序進行復制，在單片機芯片中對其進行應用。
4.1.4 電機驅動模塊
步進電機的信號功率比較小，很難對電機進行驅動，使其運行。因此要添加電機驅動模塊，使步進電機信功率不斷放大。集成的驅動芯片價格比較低，控制難度相對較小，可以將其作為核心元件應用到電機驅動電路設計中。
如圖3所示，該電機驅動電路中，電機驅動核心由驅動芯片L298和其周圍的電路組成，L298N的管腳IN1，IN2，IN3，IN4和ENA，ENB與單片機的I/O端口P1口的六個管腳依次連接相連，接收脈沖信號。L298N的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機的一相。其中IN1，IN2，IN3，IN4管腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。ENA，ENB控制使能端，控制電機的停轉。而控制步進電機的運行速度只要控制系統發出時鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。該種連接模式和驅動芯片與單片機和步進電機之間的串聯模式相符合，使電路控制和操作更加簡單和便利。
4.1.5 獨立按鍵電路
內部電路中的按鍵是獨立的，在單片機端口上對其進行連接。將其作為外部性按鍵，使內部各項模塊具有較好的中斷功能，以對步進電機旋轉方向進行科學合理的選擇，并對它的速度進行科學調控，使其電流呈現良好的現實狀態，對步進電機進行合理控制。它屬于步進電機電路設計中的輔裝置，具有不可或缺的重要作用。
4.2 系統軟件設計
軟件系統主要為硬件系統電路設計提供依托和支持。依據單片機本身的性質和特點，對系統軟件進行合理編程和讀寫，以充分體現出設計功能，并對其進行合理更改，實現電路控制。系統軟件設計與硬件系統電路設計具有緊密相關性。軟、硬件中的任一設計模塊都直接關乎最終設計效果和步進電機電路的整體運行狀態。因而，需對系統軟件設計進行合理把控，以提升其整體性能。
4.2.1 紅外線編碼
遙控器編碼形式是32位二進制碼組，前16位是用戶識別碼，能夠對不同的電器設備進行有效區分，避免不同機種遙控編碼相互干擾。該芯片用戶識別碼固定高8位地址和低8位地址分別為OBFH和40H，后16位則是8位操作碼和它的反碼。單片機接收紅外線之后，可按以下方式開展解碼工作：中斷信號產生-EA清零-延時短-等待高電平-延時不足4.5ms-再次等待高電平-延時0.84ms-P3.2腳電平值讀取，對32位代碼進行依次讀取，前16位是識別碼，后18位中，數據碼和數據反碼均為8位[3]。
4.2.2 步進電機程序
步進電機程序設計的基本訴求是對旋轉方向進行判斷，再依據正確的順序，將其傳送給控制脈沖，繼而對所需控制步數進行判定，觀察其具體傳動情況，直至將要求控制步數傳送完畢。分別將步進電機和單片機作為具體執行元件和控制器，并將檢測元件定義為光敏電阻傳感元件背景下的傳感器。而手動輸入信號則是手動按鈕，以紅外遙控裝置開展遙控操作，對時鐘控制和狀態顯示的步進電機控制系統進行綜合限定輔助，使步進電機的手動、自動和遙控多功能操作更加便利，保障其可靠性。
5 程序原理分析
5.1 程序設計思路
依據電路設計，單片機的輸入和輸出分別為P1口的前6個管腳和P1口的后2個管腳及P2口的前4個管腳。首先，主程序部分向驅動電路輸出4路高電平，停轉電機。繼而對定時器T0的具體工作模式和允許中斷位置高電平進行合理設置，將“停轉”狀態顯示點亮，然后進行按鍵掃描，按下按鍵之后，實現程序段跳轉。如果沒有按下按鍵，即會回歸到程序的初始部分。正轉部分需對正轉狀態指示進行點亮，然后執行起始脈沖輸出，繼而對按鍵進行掃描，并對不同狀態下的執行情況進行合理判斷，調配到定時器T0賦初始值子程序，對累加器A中的數值進行累加。幾經循環，使步進電機處于正轉狀態。反轉部分的設計過程亦是如此。加速和減速中，對定時時間進行改變，即可實現定時器定時初始值更改。
5.2 設定定時器計數初始值
程序設計中對定時器T0的定時中斷進行選用，以實現步進電機細部性時間控制。對T0的定時時間進行更改，即可改變步進電機轉速。假定步進電機的步距角為7.5°，轉一圈耗費的脈沖數量為48。將轉速假設為N（r/min），而每一分鐘脈沖數據輸送數量為48N，每送一個脈沖信號需要花費的時間為s。
定時器T0的技術初值為。將步進電機最低轉速假定為20r/min，最高轉速為100r/min，速度級的界定為5r，共17級。
6 結語
步進電機在應用層面極具優越性，在工業設備中已經得到了廣泛應用，有助于提高生產質量及效率。我們要結合具體操作背景，對單片機的優越性進行重點分析，在步進電機電路控制系統中對它進行全面應用，使步進電機工作性能得到充分提升。伴隨著不同的數字化技術的發展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。
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中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)24-6017-03
1 緒論
步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置分別取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度，從而達到調速的目的。
步進電機主要用于一些有定位要求的場合。例如：線切割的工作臺拖動，植毛機工作臺（毛孔定位），包裝機（定長度）。基本上涉及到定位的場合都用得到。此外還廣泛應用于噴涂設備、醫療儀、ATM機、噴繪機、刻字機、傳真機、計算機外設及海量存儲設備、精密儀器、工業控制系統、辦公自動化、機器人等領域。特別適合要求運行平穩、低噪音、響應快、使用壽命長、高輸出扭矩的應用場合。
由于步進電機在生活中有著廣泛的應用，所以對步進電機的研究是非常有意義的。通過這次設計，在步進電機各項控制功能實現的基礎上，希望能對步進電機控制的精度能有一定的提高。
2 步進電機控制系統的整體框架功能概述
本步進電機控制系統的設計方案框圖如圖1所示，該設計采用了STC89C52單片機作為控制系統的控制器。本設計要完成對步進電機啟動停止的控制，設計中用矩陣鍵盤做控制信號，然后通過單片機發出頻率不同的脈沖信號，實現對步進電機相關功能的控制。
ULN2003是一個單片高電壓、高電流的達林頓晶體管陣列集成電路。它是由7對NPN達林頓管組成的，它的高電壓輸出特性和陰極箝位二極管可以轉換感應負載。單個達林頓對的集電極電流是500mA。達林頓管并聯可以承受更大的電流。此電路主要應用于繼電器驅動器，字錘驅動器，燈驅動器，顯示驅動器（LED氣體放電），線路驅動器和邏輯緩沖器。
3 步進電機控制系統硬件設計
本系統是基于嵌入式單片機的步進電機控制系統。采用STC89C52作為本系統的處理器。采用外接的+5V直流電源供電。采用ULN2003作為步進電機的驅動芯片。步進電機運行狀態采用4位共陽數碼管進行實時顯示。步進電機的控制命令是通過 矩陣鍵盤輸入的。當步進電機的運行轉速超過額定轉速時將啟動我們的報警電路進行聲光報警。該系統還可以通過RS232串行通信接口與PC機進行通信。
本系統共包括5個功能模塊，分別是鍵盤模塊、顯示模塊、驅動電路模塊、電源輸入模塊、串口通信模塊。步進電機控制系統硬件結構圖如圖2所示。
由于本系統的功能模塊比較多，不能一一介紹，下面以三個比較重要的功能模塊為代表向大家作一個介紹。
3.1 鍵盤模塊
如圖3所示為矩陣鍵盤電路。步進電機的控制命令就是通過矩陣鍵盤輸入的，對步進電機的控制命令有啟動、停止、轉速加、轉速減、正反轉切換。矩陣鍵盤的行線分別與單片機的RC4～RC7端口相連，列線分別與RC0～RC3端口相連。由于PIC單片機端口的特殊性，需要在矩陣鍵盤的行線和列線上分別接上5.1K的上拉電阻，以確保沒有鍵按下時，單片機讀入的是可靠的高電平。本系統鍵盤識別方法采用的是線反轉法。線反轉法分為兩個操作步驟：①先讓行線編程為輸入線，列線編程為輸出線并使輸出線輸出全為低電平，則行線中電平由高變低的所在行為按鍵所在行。②再把行線編程為輸出線，列線編程為輸入線，并使輸出線輸出為全低電平，則列線中電平由高變低的所在列為按鍵所在列。最后綜合上述兩步的結果，可確定按鍵所在的行和列，從而識別出所按的鍵。
3.2 驅動模塊
步進電機驅動電路如圖4所示。步進電機驅動脈沖從單片機輸出后送入光電耦合器進行隔離，之后送入ULN2003進行放大，最后就可以驅動步進電機運行了。光電耦合器能有效的將控制電路與負載電路隔開，避免了負載電路對控制電路的干擾。增強了系統的穩定性和抗干擾能力。TLP521-4和ULN2003之間接了4個2K的電阻是限流作用，用于驅動ULN2003。后面的4個10K的上拉電阻，可以增強步進電機的抗干擾能力。
ULN2003介紹：
ULN2003是一個單片高電壓、高電流的達林頓晶體管陣列集成電路。它是由7對NPN達林頓管組成的，它的高電壓輸出特性和陰極箝位二極管可以轉換感應負載。單個達林頓管最大驅動電壓為50V，集電極最大驅動電流是500mA。達林頓管并聯可以承受更大的電流。此芯片主要應用于繼電器驅動器，字錘驅動器，燈驅動器，顯示驅動器（LED氣體放電），線路驅動器和邏輯緩沖器等。
ULN2003內部單元結構示意圖如圖5所示。ULN2003的每對達林頓管都有一個2.7kΩ的串聯電阻，可以直接和TTL或5V CMOS裝置連接。ULN2003采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅動步進電機或繼電器，也可直接驅動低壓燈泡。內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管（見內部單元結構示意圖），通常單片機驅動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時COM引腳應該懸空或接電源。
3.3 顯示模塊
這一部分由4位LED數碼顯示管組成，我們采用的是共陽的數碼管。主要顯示電機的轉速和正反轉。我們用P0.4―P0.7來控制 4位LED數碼顯示管的位選功能。由于單片機P0口的驅動能力不夠。所以采用PNP型三極管9012來驅動。
位選的工作原理是：9012的發射極用+5V電源拉高，基極接單片機的P0.4―P0.7口，因為P0口加了上拉電阻所以此時單片機輸出的是高電平，9012不導通。當程序控制P0.4―P0.7時，單片機輸出低電平，基極為低電平，三極管導通，集電極為高電平，位選成功。
我們用P2口作為4位LED數碼顯示管的數據輸出接口，采用定時來循環輸出。
顯示模塊電路見圖6。
4 步進電機控制系統軟件設計
如圖7所示為步進電機控制系統軟件結構圖。
5 系統指標參數計算公式
本系統采用的時鐘為4MHz，那么時鐘周期為1μS，由于本系統采用的控制器為PIC16F877A，所以系統的指令周期為4μS。
轉速計算：我們采用8拍模式控制：每個脈沖轉0.9°，每個周期只需8個脈沖的時間。設頻率為f（HZ）轉速為N（r/min），則：
（5-1）
單片機定時器定時時間的計算：
方式1工作： 機器周期：（11.095MHz晶振） （5-2）
設T0的初值為X：
（1ms定時） （5-3）
所以X=64536=0×FC18
6 結束語
本文是基于步進電機在生活中的廣泛應用，采用STC89C52單片機作為步進電機控制器，ULN2003作為步進電機驅動器，實現了一種基于嵌入式單片機的步進電機控制系統。系統成功實現了對步進電機的啟動、停止、正反轉、加減速、超速報警等工作狀態的有效監控。同時本系統擴展的串口通信電路接口和無線收發模塊電路接口對步進電機在工業生產中的推廣應用也有積極的意義。
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中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A
Abstract： The design of this system is to use DSP to control the four phase stepper motor.First，The main controller of the system is TMS320F28335，using DSP output PWM pulse passes the pulse distribution circuit， photoelectric isolation circuit and power amplifier circuit to drive the stepper motor；second，The step motor is controlled by the current sampling circuit，the A/D converter and the over current protection circuit to enhance the stability of the stepping motor，the reliability and the anti-interference ability of the system；finally，the wireless controlling module control step motor running state.It provides a reference for the further application of DSP in the control system of stepping motor.
Key words： TMS320F28335； PWM； Stepper motor； Wireless module
1引言
步進電機的直線位移量或角位移量與電脈沖數成正比，所以電機的線速度或轉速也與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大范圍內調節電機的轉速，并能快速起動、制動和反轉[1]。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的[2]。近年來，研究人員提出基于單片機的步進電機控制系統設計[3-6]，這種控制相比DSP控制來說
精度較低；基于DSP的步進電機控制系統
的研究[7-12]，使得步進電機達到細分控制的效果；但是目前四相步進電機的控制裝置還
存在一些不足：首先，步進電機的控制策略
單一，調節范圍較小，控制精度低，穩定性
不夠，而且步進電機機械結構和空間的限制，步進分辨率低、缺乏靈活性，難以滿足高精度開環控制的要求；其次，目前步進電機主要是通過按鍵輸入來控制電機的啟停、正反轉等，而且在一些環境比較惡劣或對身體有傷害的地方，人們無法接近步進電機控制器部位，難以實現安全運行；最后，在步進電機運動的過程中，電機繞組可能發生過流，此時若沒有相關人員及時處理可能引發
事故，傳統的步進電機靠熔斷器等傳統手段來保證步進電機安全，但其成本高，沒有得到廣泛應用。
因此，本文基于以上問題提出基于TMS320F28335的四相步進電機的設計，使步進電機操作更加簡便，運行更加安全可靠。
2 系統總體設計方案
本系統采用數字信號處理芯片TMS320F28335，通過脈沖分配電路、光電隔離電路和功率放大電路對輸出的PWM進行處理來控制步進電機，無線控制模塊PTR2000[13-14]工作頻率為國際通用的數據傳輸頻率段433 MHz，采用抗干擾能力較強的頻移鍵控制，擴展能力強，特別適合工業控制場合。總體設計框圖如圖1所示。
3 系統硬件設計
本系統擬選用的主控制器為TMS320F28335，其具有150MHz的高速處理能力，12位16通道ADC，具備32位浮點處理單元，有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM）[15]。電機控制電路包括脈沖分配電路、光電隔離電路和功率放大電路、電流采樣電路和A/D轉換器組成的反饋電路。
3.1 脈沖分配電路和光電隔離電路
在步進電機的驅動過程中，脈沖分配電路采用SN74LS194主控芯片，控制出PWM脈沖通過脈沖分配器控制步進電機勵磁繞組按照一定順序接通、斷電，使步進電機繞組的通電按輸入脈沖的控制而循環變化；光電隔離利用LED與光電探測設備實現隔離阻障，通過光來傳輸信號。光電探測設備接受LED發出的光信號，再將其轉換成原始電信號。如圖2所示。
3.2 功率放大電路
步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差，所以廣泛應用于各種開環控制。步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動，這種裝置就是步進電機驅動器，它是把控制系統發出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移。如圖3所示。
3.3 電流采樣電路
電流采樣電路采集到輸出電流信號時，經過A/D轉換電路傳輸給DSP與設定電流信號作對比，然后調節輸出PWM信號，進一步調節步進電機的運行。如圖4所示。
3.4 過電流保護電路
^流保護電路的輸入端與電流采樣電路的輸出端相接，當采樣電流輸出的電流偏大時，過電流保護電路立刻把此信號傳輸給DSP，從而確保步進電機運行安全可靠。如圖5所示。
4 系統軟件設計
本系統軟件主要包括步進電機控制程序、過電流保護中斷程序和PWM信號產生程序組成。
4.1 步進電機的控制
當上位機通電后，通過與先設置的A值進行比較，判斷出電機的正反轉并輸出此時電機正反轉電流信號，把此信號與ADC電流實際信號做差值，調用PWM子程序產生PWM信號，最后結合輸出的DSP電機正反轉的信號一起送到電機功率驅動電路，實現驅動電機運行。主程序如圖6所示。
4.2 PWM脈沖序列的產生
PWM是利用DSP的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。這個子程序在DSP事件管理器EAV中完成，初始化程序采用的計數模式為遞增計數模式。如圖7所示。
4.3 過電流保護的設計
當四相步進電機電流過高時，DSP芯片的引腳將會接收到一個低電平信號，這一信號將觸發電機驅動電路產生保護中斷。如圖8所示。
5 結 論
本文通過采用TMS320F28335控制四相步進電機的設計，具有以下優點：1.通過脈沖分配電路、光電隔離電路和功率放大電路驅動步進電機，使步進電機轉動的穩定性和精度得到提高，電路簡單，便于應用；2.設置電流采樣電路實時檢測步進電機繞組中的電流并將采集到的電流值轉換為電壓值，再經過流保護電路進行比較，當電流采
樣電路采集的電流較大時，過流保護電路輸出高電平，控制器TMS320F28335控制步進電機停止轉動，可靠穩定；3.通過無線控制模塊可遠程控制步進電機，實現對步進電機轉動方向和速度的控制，避免了手動操作或外部設置不方便，提高了步進電機控制的便捷性。
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發票抬頭：
西安科技大學
作者簡介：
黨威望（1988.12―），男，陜西省渭南市人，西安科技大學，碩士。研究方向：電機與電器。
岳改麗（1967.5―），女，陜西省興平市人，西安科技大學，副教授。研究方向：電力電子及電力傳動、現代電源技術、電路與系統。
作者詳細通訊地址：
地址：陜西省西安市碑林區雁塔中路58號西安科技大學研究生院 電氣與控制工程學院 黨威望
中圖分類號 TM383.6 文獻標識碼 A文章編號 1674-6708(2010)17-0101-02
傳統的步進電機控制方法是由觸發器產生控制脈沖來進行控制的,難于實現人機交互,,而且傳統的觸發器構成的控制系統,控制電路復雜、控制精度低、生產成本高等。以微電子芯片為控制核心,以電力電子功率變換器為執行機構,在自動控制理論的框架下組成的控制系統,能通過控制電機轉速或轉矩進而控制生產機械或運動部件按照人們所希望的規律運動。克服了傳統控制器的缺點,滿足工業生產新的控制要求。如今各領域步進電機無處不在,應用領域涉及機器人,工業電子自動化設備、醫療器械、廣告器材、計算機外部應用設備等。高精度,實時監控的步進電機控制系統具有重要意義和實用價值。
1 系統原理
步進電機控制系統主要由AT89S51單片機及單片機工作電路和放大電路組成。采用8155作為AT89S51單片機的擴展I/O口來連接鍵盤和LED顯示器。單片機的P1.0、P1.1、P1.2分別連到步進電機的A、B、C三相繞組,單片機的控制信號經信號放大驅動電路輸出到步進電機繞組就可以驅動步進電機運轉。系統在LED顯示器的提示下,由鍵盤設置步進電機運行的轉速和步數;由各個功能鍵控制系統的運行,按啟動鍵后,步進電機按照輸入的參數運行。
2 系統的硬件構成
2.1 步進電機的驅動電路設計
系統的輸出通道也就是控制步進電機的通道,由于AT89S51的P1口作為輸出通道的控制端口,采用三相六拍的步進電機進行并行控制需要單片機P1口中的三位P1.0、P1.1、P1.2,分別接三相步進電機的A、B、C三相。步進電機的脈沖分配由單片機通過軟件控制構成環行分配器,功率放大器選用單電壓功率放大電路。當單片機I/O口輸出為1時,經反相器74LS14后變成低電平,發光二極管不發光,光敏三極管截止,從而使三極管截止,電機繞組不通電,反之單片機I/O口輸出為0時,經反相器后變成高電平,三極管導通,電機繞組通電。循環使三個繞組通電就可以驅動電機,只要按照一定的順序改變三位I/O口的通電的順序就可以控制步進電機按照一定的方向轉動。單片機與電機驅動電路之間加入光電隔離,使驅動步進電機的電壓和單片機控制系統的電壓之間不會互相影響,具有更好的抗干擾能力,而且更好保護單片機。電阻起限流作用。續流二極管使電機繞組產生的反電動勢通過續流二極管而衰減掉,從而保護了步進電機,也保護了功率管不受損壞。外接電阻上并聯一個200μF電容,可以改善注入步進電機繞組的電流脈沖前沿,提高了步進電機的高頻性能。與續流二極管串聯的200Ω電阻可減少回路的放電時間常數,使繞組中電流脈沖的后沿變陡,電流下降時間變小,也起到提高高頻工作性能的作用。
2.2 鍵盤電路設計
鍵盤分為參數設定、正/反轉和啟動、停止等功能操作。在開始運行之前要求輸入步進電機勻速的運行速度和運行的總步數,所以要進行按鍵輸入數值以傳入參數。為了實現系統的啟動、停止和正、反轉,要設置相應的按鍵和開關進行功能鍵處理。
2.3 顯示電路設計
采用發光二極管 LED作為顯示器件,通過單片機I/O擴展芯片8155來點亮LED數碼管的。點亮LED數碼管之前,需將數字碼轉換為筆劃信息。系統選用動態顯示方式。8155A的PB0～PB7作為段選碼口,經驅動器與LED的段相連。8155的PA4～PA7和PC4作為位選碼口,經驅動器與LED的位相連。在掃描過程中,在某一瞬間,只讓某一位的字位線處于選通狀態,其它各位的字位線處于斷開狀態。同時,字段線上輸出相應位要顯示字符的段選碼。這樣在每一瞬時,5位LED中只有選通的那一位LED顯示出字符,而其它4位則是熄滅的。同樣,在下一瞬時,只顯示下一位LED。如此繼續,等5位LED都依次顯示完畢后,循環進行。
3 系統的軟件設計
系統的軟件設計包括:主程序、中斷子程序、鍵盤子程序、顯示子程序、報警子程序、步進電機控制子程度。在系統上電后,首先對系統進行初始化,然后掃描鍵盤,使最低位LED顯示器顯示“0”,以提示輸入數據。如果按下輸入參數鍵,可以輸入參數,則顯示該輸入的數值并對連續的輸入的數值進行處理,直到輸入“確認”鍵確認后表明參數值設定完畢,在內存中保存該參數,進行其它的處理。通過鍵盤可以進行正、反轉的設置,如按下一次正/反轉鍵,則變量值改變一次,即每按下一次正/反轉鍵,系統的設置在正、反轉之間進行轉換,相應的在顯示器上顯示設置的是正轉還是反轉。用戶可以通過鍵盤查詢參數的值,在待機狀態下連續按兩次參數鍵,則在LED顯示器上顯示出輸入的參數值,以供用戶查詢輸入的參數正確與否。
4 結論
基于單片機的步進電機控制系統實現了鍵盤進行輸入運行參數、啟動、停止等操作。顯示器能夠顯示輸入數據及運行狀態。通過鍵盤的輸入,控制電機帶動負載進行預定的工作,實現對角位移或線位移的控制。系統采用單片機等能完成專門功能的控制器和控制電路,使得單片機對電機的控制更易實現,性能價格比更高。步進電機采用升降速控制,避免了以要求的速度直接啟動時因該速度已超過極限啟動頻率不能正常啟動,并且可能發生丟步或根本不運行以及停止時發生偏移的情況。本設計的步進電機單片機控制系統實現了步進電機速度控制,大大改善了步進電機的運行的平穩性,減小了驅動器的體積,增強了抗干擾性能,從而拓展了步進電機系統的應用范圍,可以滿足更多場合的需要。
參考文獻
中圖分類號：TM383 文獻標識碼：A 文章編號：1671—7597（2013）021-080-02
步進電機可以將數字信息轉化為角位移或者線性位移，其在開環工作方面具有出色性能，便于通過數字設備對其進行智能控制。同時，步進電機的控制系統結構相對簡單，但是具有較高的定位精度，還可以通過不同方式的信號輸入進行轉動方向和移動速度調節。因此，步進電機在工業領域中得到了非常廣泛的應用。
完整的步進電機系統分為三部分，分別為控制部分、驅動部分以及步進電機部分。本文設計分析了一種采用AT89C52型單片機為控制核心的步進電機控制系統。
1 步進電機工作原理及單片機控制實現分析
1.1 步進電機工作原理
步進電機由驅動電路進行驅動，通常驅動模塊會采用雙極性驅動的方式進行步進驅動。這種驅動方式的優勢在于電機線圈中的電流可以改變流動方向，不同的流動方向會產生不同的驅動效果。利用雙極性驅動模塊進行步進電機驅動可以同時驅動四線或六線的多相混合步進電機。本文以兩相步進電機為例。
當控制模塊向驅動模塊發送脈沖信號時，若步進電機需要進行正向轉動，則根據其轉動方式可以確定電機通電順序為A+B+A-B+A-B-A+B-。若需要步進電機進行反向轉動，則步進電機繞組的通電相序則進行相應的調整，變為A+B-A-B-A-B+A+B+。此外，步進電機旋轉角頻率是由通電頻率確定的，因此，可以通過改變通電頻率來改變步進電機的運行速度。
1.2 單片機控制實現
根據選定的步進電機的相數可以確定AT89C52單片機所需要產生的相位信息。選用AT89C52的一個好處是其在接口和控制性能上都要優于51單片機，故其擴展性能要更優一些。通常步進電機的額定電壓為12 V左右，額定電流為8 A左右，其電流需求較大，但是電壓需求較低。因此需要在單片機和步進電機之間增加隔離電路和放大電路，以滿足系統需求。因此單片機控制系統可以通過圖1框圖實現：
2 硬件電路設計
由圖1可知，硬件電路分為輸入輸出部分、單片機部分、步進電機部分、電源部分等。下面分別對每部分性能進行分析。
2.1 輸入輸出部分
為提高系統的靈活度，便于對步進電機的系統參數進行控制和調整，需要引入輸入設備，本處選用鍵盤。輸出設備要求可以顯示當前的控制狀態和電機運行狀態，可以選用LCD設備進行顯示。
通過鍵盤可以對系統輸入參數指令和控制指令，進而控制單片機實現對系統的控制。而LCE設備的選用可以根據AT89C52的接口分布進行確定，通過LCD設備可以顯示步進電機的運行狀態和運行速度等信息。
此外，本文選用了一片8279作為鍵盤和顯示器與單片機之間的接口芯片。通過該芯片可以更好的滿足操作性能和控制性能的均衡需求。
2.2 單片機部分
單片機為該系統的核心模塊，本文選用AT89C52單片機產生控制信號。AT89C52具有8 KB的RAM和ROM，式中信號為12 MHz，可以很好的滿足系統需求。如果后續使用中需要進行系統擴展，C52單片機還提供有RAM和ROM外擴接口。
利用引腳P1.0-P1.7進行步進電機脈沖信號輸出，將引腳P3.0、P3.1、P3.2、P3.3、P3.4等分配給鍵盤控制部分，可以通過鍵盤實現正反轉、加減速、停止等功能操作。將引腳P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、等分配給LCD顯示器，可以控制輸出顯示步進電機當前的運行狀態和運行速度。
2.3 步進電機部分
根據上文分析可知，單片機無法與步進電機直接進行連接，需要通過該隔離、放大電路實現連接。實際應用中，對于強弱電的隔離通常可以采用光電隔離的方式，這種方式效果好，受干擾小。對于放大電路的選取，可以使用集成功放元件也可以根據實際需要配置獨立模塊。
2.4 電源部分
在系統框圖中可以看到，該系統涉及兩種不同的工作電壓，因此需要分別設計強電和弱點部分的電源。為滿足系統需求，可以使用集成穩壓器和可變輸出電壓模塊分別為單片機和步進電機進行供電。需要注意的是，兩個電源不能共地。
3 軟件程序設計
硬件平臺設計完畢后，需要根據硬件電路對單片機進行系統編程，以滿足操作和控制需求保證各部分電路可以根據控制信號正常進行工作。系統軟件部分分為三部分，分別為鍵盤和顯示模塊、系統監控模塊、控制信號生成模塊等。
3.1 鍵盤和顯示模塊
該模塊實現的功能是，對鍵盤按鍵進行確認，確認無誤后對輸入鍵值進行信號處理，如，若輸入的是輸入鍵則需要調用輸入程序、若輸入的是控制鍵則需要調用控制程序。而顯示模塊則是通過定時查詢接口數據，實時顯示步進電機的工作狀態、鍵盤輸入數據等。
3.2 系統監控模塊
系統監控模塊在系統啟動后就開始運行，其主要功能是完成對鍵盤的掃描，根據掃描結果設置單片機控制幀內容等，以滿足步進電機的操作要求。對于鍵盤的掃描通常采用中斷的方式實現，原因在于，中斷服務程序在單片機中地位較高，當系統產生中斷時，單片機可以進行有限相應，可以更好的滿足系統的實時性和靈活性要求。
3.3 控制信號生成模塊
該模塊的主要作用是根據鍵盤輸入內容控制單片機的系統配置和步進電機的工作模式，如設置單片機輸出控制幾相電機、步進電機的轉動方向、轉動步數、系統運行頻率等。該模塊主要通過調整單片機的控制幀結構實現對步進電機系統的控制。
4 總結
本文設計了一種基于AT89C52單片機的步進電機控制系統，該系統可以通過鍵盤輸入控制信息，繼而油單片機根據輸入信息發送相應的控制信號，控制步進電機的轉動方向、轉動速率、轉動頻率等。該系統功能豐富、控制靈活度高、有較強的實際編程性，可適用范圍廣，具有一定的實用價值。
參考文獻
[1]何沖，王淑紅，侯勝偉，牛慧文.基于AT89C52單片機的步進電機控制系統研究[J].電氣技術，2012（4）.
中圖分類號： TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）11-0000-00
一種基于PLC和組態的步進電機調速系統，其控制方案由硬件與軟件相結合的形式實現。其控制方式變得直觀且容易操作，可以實現對步進電機的調速功能。
1 步進電機驅動電路設計
1.1 步進電機原理及其控制
步進電機因為其工作的方式與特點，又被稱之為脈沖電機，是被廣泛應用于數字控制系統中的電機。步進電機的作用是將接收到的脈沖轉化為具體的角度偏移或線性移動。控制步進電機的方法，一般是通過控制輸送到其驅動器的脈沖個數，從而實現控制角位移；通過控制輸入驅動器的脈沖的周期來達到改變步進電機的轉速，實現調速。被廣泛應用于各種開環控制系統中。
1.2 步進電機的控制方式
步進電機的常用控制方式主要有3種，分別為基于電子電路的控制系統，基于單片機的控制系統以及基于PLC的控制系統。基于電子電路的步進電機控制系統，電路簡單；基于單片機的步進電機控制系統是實現硬件與軟件相結合的控制方法，通過編寫程序的方式實現脈沖分配，電路設計簡單，但卻有著工作不穩定的缺陷。基于PLC步進電機控制系統，由PLC、環形脈沖分配器和功率放大電路構成。對PLC進行軟件編程使其輸出所需數目的電脈沖信號，通過改變步進電機的轉動角度，來實現控制伺服機構的移動量。同時使用PLC程序編輯控制輸出電脈沖信號的頻率來實現調速，從而實現改變伺服機構的移速。
1.3 THB6064AH芯片
THB6064AH芯片為日本東芝半導體公司推出的兩相混合式步進電機驅動芯片，擁有高細分、衰減方式連續可調、大功率、溫度與電流過保護功能。步進電機的驅動電路功能主要有兩個，分別為脈沖分配與功率放大。上位機輸入的脈沖信號，經過環形脈沖分配器進行脈沖分配，經過功率放大電路對脈沖信號驅動能力進行放大，從而實現控制步進電機。
2硬件電路設計
通過腳3腳4的輸入電壓實現對衰減方式的控制，從而可以達到更好的驅動效果；腳5為電流輸出設定端以及參考電壓設置端，輸入的電壓以及電流大小進入恒流斬波電路的比較器中，實現對輸出電流大小的控制；腳7、8、9為細分數選擇端，通過輸入不同的數值可以選擇細分模式，實現對步進電機的細分控制，使步進電機運行更加平穩；腳18為使能端Enable，當使能端輸入為0時無脈沖輸出，輸入為1時正常工作，由此實現對電機啟停控制。
通過調節Vref端口的變阻器使調節輸出電流的大小。OSC2端口控制電流的衰減管段時間，通過串聯一個電阻來與內部電路形成RC振蕩回路。參考電機工作時輸入的脈沖頻率，選擇40KHz時衰減關斷，所以對應接51KΩ的電阻串聯。DY1、DY2位衰減方式控制端，通過控制輸入DY1與DY2的電平來選擇不同的衰減模式，以實現更好的驅動。經過測試后選擇40%的快衰減模式可以使電機運行效果更為優秀，所以DY1輸入高電平，DY2懸空。M1、M2、M3為細分數控制端，通過改變M1、M2、M3的輸入電平來改變步進電機的細分數。細分越高，步進電機的運行更加平滑穩定，可以減小步進電機震蕩。本次設計所采用的為32細分，所以M1、M3輸入高電平，M2懸空。NFA、NFB分別為A、B繞組的檢測電阻，選擇0.22Ω/2W的大功率電阻串聯。SGND、PGNDA、PGNDB接24V地線，VMA、VMB為電機驅動電源，與24V電源正極相連。VDD為芯片電源輸入端，與5V電源正極相連。RESET為復位輸入，通過PLC輸出來使步進電機的轉子在電機運行前復位，使其不會出現錯步的現象；EN為使能端口，由PLC輸出控制，實現電機的啟停控制；CLK與CW端口分別為脈沖信號輸入端口與方向信號輸入口，PLC通過向這兩個端口發送脈沖信號和方向信號，實現控制步進電機的調速與正反向控制。由于PLC輸出為24V，THB6064AH芯片的工作電壓為5V，所以PLC輸出與芯片間需串聯電阻，使電壓合適THB6064AH的工作電壓。
3 PLC程序設計
3.1 工藝對象組態
在PLC1200系列中，用戶可通過添加工藝對象來控制電機，實現對給進機構的控制。通過定義工藝對象中的參數，即可實現對給進機構進行控制。在工藝對象中可以定義給進機構的導程，在運動控制模塊中無需通過計算所需發出的脈沖數量與頻率自動進行計算后再進行輸出，所以使用起來十分方便，只需要直接輸入給定的位置以及速度便可自動完成動作。
3.2 運動控制模塊
PTO模塊是集成在運動控制模塊中。當用戶需要使用高速脈沖輸出時，通過組態工藝對象、調用運動控制模塊即可實現高速脈沖輸出功能，從而實現控制機械給進。通過控制MC_Power的使能狀態即可控制運動控制模塊的使能，實現對步進電機的起停控制。Axis為控制軸，輸入軸編號接對對應的軸進行控制。
4 結語
通過測試可以正常運行。重新接線后通電，通過HMI控制PLC輸出脈沖，脈沖經過自制THB6064H電路后驅動電機，可實現調速功能，步進電機調速系統正常。？