步进电机驱动电路汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇步进电机驱动电路范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

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关键词:步进电机；驱动电路；L297和L298芯片；单片机；C语言

Key words: stepper motor；drive circuit；L297 and L298 chips；microcontroller；C language

中图分类号：TM3文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）04-0047-02

0引言

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。市场上有很多现成的步进电机控制机构，但价格都偏高。应用SGS公司推出的L297和L298两芯片可方便的组成步进电机驱动器，并结合MCS-51单片机进行控制，即可以实现用相对便宜的价格组成一个性能不错的步进电机驱动电路。

1工作原理

由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专用设备-步进电机控制驱动器。典型步进电机控制系统如图1所示：控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端，以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机目的。

2硬件电路组成

文中所控制的步进电机是四相单极式减速步进电动机。本文所设计的步进电机控制驱动器的框图如图2所示。它由MCS―51单片机、集成芯片L297和L298组成。

2.1 步进电机控制电路本系统的控制电路采用单片机MCS-51进行控制。

在工业检测、控制中，许多场合都要用到计数或定时功能。例如，对外部脉冲进行计数、产生精确的定时时间等。MCS-51单片机内有两个可编程的定时器/计数器T1、T0，以满足这方面的需要。两个定时器/计数器都具有定时器和计数器两种工作模式。

2.1.1 计数器工作模式计数器是对外来脉冲进行计数。MCS-51芯片有T0（P3.4）和T1（P3.5）两个输入引脚，分别是这两个计数器的输入端。每当计数器的输入引脚的脉冲发生负跳变时。计数器加1。

2.1.2 定时器工作模式定时功能也是通过计数器的计数来实现的，不过此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生1个计数脉冲，也就是每经过1个机器周期的时间，计数器加1。如果MCS-51采用12MHz晶体，则计数频率为1MHz，即每过1μs的时间计数器加1。这样可以根据计数值计算出定时时间，也可根据定时时间的要求计算出计数器的初值。

2.2 步进电机驱动电路驱动电路由L297和L298芯片组成。L297是步进电动机控制器（包括环形分配器），L298是双H桥式驱动器。它们所组成的微处理器至双桥式步进电动机的接口如图3所示。这种方式结合的优点是，需要的元件很少，从而使得装配成本低，可靠性高和占空间少。并且通过软件开发，可以简化和减轻微型计算机的负担。另外，L297和L298都是独立的芯片，所以应用是十分灵活的。

2.3 步进电机原理①可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。②位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统，可在要求更高精度的组成闭环控制系统。③无刷，电动机本体部件少，可靠性高。④易于起动，停止，正反转及速度响应性好。⑤停止时可有自锁能力。⑥步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，通常可以在超低转速下高转距稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。⑦速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。⑧步进电动机带惯性负载能力较差。

3软件设计

采用C语言编程

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复位

sbit P0.7=1; //CLOCK时钟

int SD(int a)

{ int time;

time=a;

TMOD=0*01; //TI采用定时器

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输出时钟

TF0=0;

if (P1.4==0)SD(65536); //电机停止

If (P1.1==0)SD(1000);//调用子程序(低速)

else If (P1.2==0)SD(4000); //调用子程序(中速)

else If (P1.3==0)SD(16000);//调用子程序(高速)

else break;

}

}

Main()

{

if (P1.0==0)

{if (P1.1==0)SD(1000);//调用子程序(低速)

else If (P1.2==0)SD(4000); //调用子程序(中速)

else If (P1.3==0)SD(16000);//调用子程序(高速)

}

else if(P1.4==0) SD(65536); //电机停止

}

4结论

本文创新点在于提出应用单片机和L297、1298集成电路构成步进电机控制驱动器。使之具有元件少，可靠性高、占空间少、装配成本低等优点。通过软件开发，可以简化和减轻微型计算机的负担。另外，在上面提出的在加减速程序中定时器的装载值用式子计算不精确，这两条赋值要执行不少的时间，具体做的时候，可直接把初值计算出来或把除号用相加来计算，以达到精确的目的。

参考文献:

[1]刘宝廷.步进电动机及其驱动控制系统[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.

[2]何立民.MSC-51系列单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学,1990.

[3]用L287、L298组成步进电机驱动电路[J].仪器仪表学报，24，(4),2004:573-574.

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在PMM8713的内部电路中,时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。PMM8713有两种脉冲输入法:双脉冲输入法和单脉冲输入法。采用双脉冲输入法的连线方式如图2(a)所示,其中CP、CU两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲。当采用单脉冲输入法时,其连线方式如图2(b)所示,该图中的CK为时钟脉冲输入,步进电机的正反转方向由U/D的高、低电位决定。

片中的激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。激励方式判断电路用于输出检测;而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序信号。

2 SI-7300A的结构及功率驱动原理

SI-7300A是日本三肯公司生产的高性能步进电机集成功率放大器。该器件为单极性四相驱动,采用SIP18封装,其结构框图如图3所示。

步进电机功率驱动级电路可分为电压和电流两种驱动方式,电压驱动方式有串联电阻驱动和双电压驱动两种,其中串联电阻驱动在相绕组中串联了一定阻值和功率的电阻。为了维持步进电机的相电流,通常要提高驱动绕组的相电压,因此绕组串联电阻驱动方式效率较低,但方法简单,成本低,故在实际驱动电路中使用较多。双电压驱动在每相绕组导通时,首先施加高电压VH使电流快速上升,当电压上升到规定幅值时,将高电压VH切断,此时,回路以低电压VL维持,电路驱动效率可大大提高,但因采用高低两种驱动电源,且电源切换的控制电路比较复杂,因而较少采用。电流驱动方式最常用的是PWM恒流斩波驱动电路,也是专用集成电路中最常用的能获得高性能的驱动方式,其中一相的等效电路图如图4所示。步进电机使用较高电压的电源时,绕组电流几乎可以近似直线地上升到预定值,此时由流过RS的检测电流去控制一个斩波控制电路即可关断T1,从而使绕组电流在续流回路(L、D1、T2、RS、)中续流并下降。当电流下降到规定时间后(达到某一电流)由脉冲电路产生脉冲至斩波控制电路可使T1接通,如此反复(由T1的反复开关)对绕组电流进行斩波控制,就可使电流平均值趋于恒定。外接稳压二极管D2、D3可用作嵌位保护和内部集成续流回路(外接检测电阻RS),从而避免T1开关所引起的尖峰感应电动势所造成的尖峰电压T1的危害。

3 在步进电机中应用

步进电机是常用的执行机构,它用脉冲频率控制转动速度,而用脉冲的数目来决定转动的角度。由于拖动负载大小不同,因此,仅仅接上电源是无法工作的,而必须接上相应的驱动器才能工作。驱动器的输出可为电机各相提供相应通电顺序的励磁电流。实际上,步进电机的工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和参数。步进电机可分为PM型、VR型和HB型三种。其相数有两相,三相、四相、五相、六相等,常用的有两相或四相混合式步进电机。

由SI—7300A、PMM8713和80C51构成的步进电机驱动电路如图5所示,图中,PD端为SI—7300A输出电流IO的控制端,可以悬空或接高电平,当接高电平时可以适当提高SI—7300A的输出电流IO。步进电机的旋转方向和旋转速度可通过80C51的键盘输入,同时通过软件可编程控制并行I/O 口P1.0和P1.1,以输出相应频率的脉冲来控制步进电机。步进电机采用42BYG009型时,驱动电压为24V,此时该功率驱动电路的矩频特性如图6所示。

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一、五相混合式步进电机的控制原理

混合式步进电机只有在转子磁钢和定子磁势相互作用下，才能产生电磁转矩，步进电机才能运行。给一个特定逻辑脉冲，步进电机便运行一步，通电状态每循环一次，转子转过一个齿距，改变轮流通电的顺序可以改变步进电机的转向。对步进电机加一个连续不断的控制脉冲，它可以连续不断的转动，转子的平均速度正比于控制脉冲的频率。因此，对步进电机的控制实质上是对步进电机驱动电路的控制信号的控制，所以可从以下两方面对步进电机控制：

（一）转速控制

步进电机运行速度与输入控制脉冲的频率成正比。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整控制器发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。在一般情况下，步进电机在运行过程中都需有一个加速-恒速-减速-停止的过程，本文重点讨论步进电机的升降速控制。

（二）转向控制

本文所研究的五相混合式步进电机驱动电路采用五相星接半桥驱动，功放桥有十个输入端A，B，C，D，E和A，B，C，D，E分别表示上，下桥臂功率管的输入。当上桥臂的五个控制端中任意加控制脉冲使功率管导通时，相应的绕组便正向导通；下桥臂控制端加控制脉冲使功率管导通时，相应的绕组便反向导通。

步进电机的转向与输入给各相绕组脉冲的先后次序有关，考虑工程上要求获得最大的合成转矩，其五相十拍的各相通电顺序为ABCDE-BCDEA-CDEAB-DEABC-EABCD-ABCDE-BCDEA-CDEAB-DEABC-EABCD（其中A，B，C，D，E表示绕组通以正向电流，A，B，C，D，E则表示绕组中通以反向电流）。如果按给定工作方式正序换相通电，则步进电机正转；如果按反序换相通电，则电机就反转。

二、五相混合式步进电机的FPGA控制的实现

由FPGA控制实现的步进电机控制系统如图1所示。

如图1所示，控制系统的核心部件是FPGA，它由两大功能模块组成：

⑴转速控制模块。它在不同速度控制信号作用下，可将经分频器分频后的系统时钟改变为不同的PWM信号，将该信号作为转速控制模块的变频时钟，达到改变步进电机速度的目的。

⑵方向控制模块。在每个变频时钟周期内，脉冲分配器在不同的方向控制信号下产生不同方向的步进时序脉冲，从而控制步进电机的正转或反转。

（一）步进电机的升降速控制的实现及仿真

步进电机启动时，若直接将速度升到要求的运行速度，启动频率可能超过极限启动频率，造成电机失步或堵转。同样，如果电机到达终点时突然停下来，由于惯性，电机会发生过冲，影响位置控制精度。因此步进电机在启动时必须有加速过程；在停止时必须有减速过程。步进电机的速度控制是通过改变输入脉冲的频率来实现的。从而可驱动步进电机平滑启动和停止，以防止失步和过冲现象。

本文工程设计要求：设计一控制电路，使五相混合式步进电机加速阶段运行50步（n=50），50步后电机频率达到系统时钟频率，而后恒速运行400步（n=400），然后开始平滑减速50步（n=50）后停转，模型如下图2。其中fh为电机稳态运行时的系统频率；f0为电机启动频率。电机正是从启动频率开始平滑运行50步后达到系统频率，减速反之。

（1）步进电机的速度控制电路。由上述原理，步进电机的速度控制硬件原理如图3所示。

图3中 ，DVF为数控分频器，根据预置数据的不同，对输入时钟有不同的分频比。在设计中，利用FPGA的ROM存放不同分频比所需的预置数据，这样可以根据不同的分频要求灵活地改变存储数据的数量以及大小。

由于步进电机的减速过程是加速过程的逆过程，所以设计了一个可逆计数器作为预置数存储ROM的地址计数器，计数器的u_d端为高电平时，计数器进行加计数，对应步进电机升速过程，u_d端为低电平时，计数器进行减计数，电机进行降速过程。由于匀速过程介于升降速过程之间，当升速过程结束时，由单片机发出信号来控制en使能端，使可逆计数器处于保持状态，确保减速过程的正常运行。同时，步进电机进入匀速工作状态，变速、匀速过程的交替由MUX21选择器来实现，当S为高电平时，电机匀速转动，当S为低电平时，电机处于升速或降速过程。而计数器COUNT4是用来对DVF输出的PWM波形进行计数，每输出一个PWM波形，电机就走一步，计数器就计数一次，step就累加一次，进而达到对步进电机步数计数的要求。

（2）实验仿真。速度控制模块的仿真波形图如图4。

从图4可以看出，当s为高电平时，电机处于变速过程，此时u_d为高电平，电机处于均匀加速过程，当电机运行50步后，s为低电平，电机处于匀速运行状态，此时电机频率与系统时钟频率一致，电机匀速运行400步后，s再次为高电平，电机又处于变速过程，此时u_d为低电平，电机处于减速过程，减速运行50步后，电机停转。

（二）步进电机的转向控制的实现及仿真

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（四川信息职业技术学院，广元 628017）

（Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628017，China）

摘要： 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

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.

关键词： 单片机 步进电机 控制系统

Key words: SCM; stepping motor; control system

中图分类号：TP23 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）20-0150-01

0引言

本控制系统是采用单片机提供电脉冲信号通过驱动电路放大信号后，驱动步进电机转动。通过软硬件结合使得步进电机可实现匀速运转、加速运转、减速运转、正反转切换等功能。本系统硬件主要由最小应用系统、键盘控制电路和功能电路组成。其中单片机采用AT89C51驱动，通过由ULN2003芯片组成的放大电路，驱使三相六拍35BYJ46型步进电机。

1硬件系统设计

1.1硬件设计总体思路本系统采用单片机AT89C51为核心芯片的电路来实现，硬件电路由单片机(AT89C51)、复位电路、时钟电路、步进电机驱动电路等组成。通过按键开关来实现步进电机转动功能。其控制系统设计框图如图1所示。

以单片机为核心，设计步进电机控制系统，具有以下功能：①按下正转键，步进电机匀速正向旋转，然后重新获取按键情况；②按下停止键，步进电机停止转动，然后重新获取按键情况；③按下反转键，步进电机匀速反向旋转，然后重新获取按键情况；④按下加速键，步进电机以当前方向加速旋转，然后重新获取按键情况；⑤按下减速键，步进电机在加速前提下减速到匀速旋转，然后重新获取按键情况。具体的控制流程图，如图2所示。

1.2时钟电路MCS-51单片机的时钟信号通常用两种方式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。本系统设计采用内部振荡方式。MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式。

1.3复位电路复位是单片机的初始化操作，其目的是使CPU及各专用寄存器处于一个确定的初始状态。如：把PC的内容初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行，除了进入系统的正常初始化之外，当单片机系统在运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要复位以使其恢复正常工作状态。本设计采用上电复位电路，以满足复位的时间要求及设计质量。

1.4键盘控制电路独立式键盘是指各按键相互独立地接通一条输入数据线，当任何一个键按下时，与之相连的输入数据线即被清0（低电平），而平时该线为1（高电平），键盘电路接一个与门电路就组成了完整的键盘控制电路。

1.5步进电机驱动电路步进电机驱动电路是驱动电机工作的系统，它主要由电机转动部分和驱动电路部分组成。

1.5.1 步进电机转向控制步进电机按四相八拍方式来工作，在A、B、C、D四相绕组上依次输入脉冲的顺序如下所示。

步进电机正转：

■

步进电机反转：

■

由此可见：只要控制脉冲输出的顺序改变就可以对步进电机正/反转的控制。

1.5.2 驱动芯片AT89C51单片机通过ULN2003芯片组成的放大电路来驱动三相六拍步进电机。

2软件设计

一个应用系统，要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。该系统的软件设计流程图见图3。

3结语

该系统设计通过单片机AT89C51来控制步进电机的运转状况，实现了占用CPU时间少，效率高；易控制步进电机的转速和转向；提高了步进电机的步进精度等。再有，该设计过程考虑比较周全，系统中采用上电复位模式，可瞬间将单片机初始化。

参考文献

[1] 刘宝廷，程树康．步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.

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中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0019-02

1 前言

近年来，步进电机在多个领域得到了开发和应用，并取得了良好的使用效果。步进电机是一种常见的执行元件无论是结构还是操作方法，都比较简单，其性能也与工业生产控制要求相适应，在工业技术中对其进行应用，已是一种既定的趋势。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时挥着重大的用途。与此同时步进电机调控也发生了相应的升级和转变，本文对单片机和步进电机进行同步应用，以控制软、硬件，不断提高步进电机工作效率。

2 单片机的应用意义及原则

2.1 单片机的应用意义

单片机与步进电机进行同步应用，既能够满足工业生产要求，又是步进电机电路设计过程中的基本诉求。单片机的性质是集成电路芯片，以具体技术为依托，对中央处理器、随机存储器、只读存储器、中断系统和定时器等子系统功能进行实现。它能够对数据信息进行收集、分析和处理，在步进电机控制系统中极具应用优势，达到良好的应用效果。

首先，提高步进电机性能。依据实际情况，对反应式、永磁式和混合式等步进电机类型进行合理选择，充分发挥它的设计功能，适应社会需要。如果对该三种反应原理进行单一应用，步进机将丧失其整体性能，也会对步进电机的工作质量产生不同程度的影响，使它的应用效果大打折扣。单片机能够依据步进电机的工作环境、运动特性、控制性能和实际功用等，对它进行局部性的优化和升级，以补强步进电机控制系统整体，实现步进电机结构层面上的一体化，充分发挥它的使用性能，为工业生产提供物质及技术支持。

其次，降低步进电机维护及保养成本，节省资金。步进电机的材质一般比较昂贵。接收电信号脉冲之后，长期工作周期背景下，运动轨迹会发生明显变动。对步进电机的使用效果和结构产生直接性影响，产生裂纹或在记录过程中出现失误，使步进电机维护更加困难。在实际应用中需要在特定周期内，对步进电机进行维护和保养，确保其具备良好的应用效果及安全性。单片机能够从结构和功能上对步进电机进行协调，使电机不再受局部区域干扰，避免出现运动差错，对步进电机的维护和保养成本进行有效控制，实现资源节约。

2.2 单片机在步进电机电路中的实用性原则

设计单片机步进电机控制系统的时候，需要考虑资金要素，要依实际情况，对设计成本进行有效控制，减少不必要的资金浪费，使单片机在步进电机电路中得到充分应用。

3 步进电机概述

3.1 步进电机发展

步进电机别名阶跃电动机或脉冲电动机，它能够对脉冲信号进行转换，使其成为角位移或直线位移电机，也使它的分析过程更加便利。该种步进电机发展较早，无论是位移量与脉冲数，还是位移速度与脉冲频率都呈现正相关。

步进电机的最初研发时间是上世纪二十年代，距今已有很长年限。上世纪五十年代，人们开始在步进电机上对晶体管技术进行应用，实现了对步进电机的数字化控制，使其控制过程更加快捷便利。此后，研究人员再次对步进电机性能进行升级和改善，使其具备分解性、响应性、精度性和可依赖性等多方面优势。加之，微电子技术和计算机技术的发展，自动化控制系统中开始对步进电机进行频繁应用，使其逐渐成为机电一体化中的重要执行元素。步进电机的优势非常明显，它既能够提升工作效率，实现自动化，也能够使位置控制更加快捷、准确，不断提高生产效率，实现经济效益最大化[1]。

步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。

3.2 步进电机的工作原理

定子和转子是步进电机的主要元件。正常工作状态下，如果有电流经过，定子绕组会产生一个矢量磁场，继而对转子产生带动，使其在具体作用下旋转，转子和定子的磁极磁场方向会发生偏差，形成相应的角度。步进电机主要对通过定子绕组的电流进行支配，实现转子旋转角度控制。一旦输入脉冲信号，转子即发生偏转，即步距角。完成脉冲信号给出规律设定之后，电流的通过将会更具规律性，而转子也会有规律的进行持续转动，对电机进行带动，使步进电机实现工作。如图1所示，步进电机结构。

传统电动机的转动具有持续性特征，控制难度相对较大。当前的步进电动的驱动方式是数字信号，能够依据实际情况，对它的定位和运转等使用状态进行有效调节。我们对输入脉冲的电机绕组通电顺序、频率和数量等进行合理调整，对步进电机接受脉冲信号而旋转指定的角度进行科学合理的指挥，使其满足最初诉求。如今，步进电机的正常运行得益于脉冲信号。如果没有输入脉冲信号，步进电机将处于定位状态。单片机能够对步进电机这一特性进行有效控制。对单片机和步进电机进行同步应用，有助于提高其生产效率。传统电动机的主要功用是能量转换，而步进电机则作为电路控制元件存在，极具精确性，对人们日常生产和生活具有正向性影响。

4 基于单片机控制步进电机电路的设计

步进电机可以以硬件系统实现控制。但是，基于市场因素考虑，硬件系统不具备经济性，而它的各项功能也不具备适用性。一旦发生设计变更，则需要对硬件电路进行整体性修改，加大了工作负担，很难实现便利性。单片机具备可直接编程优势，能够对运算功能进行有效执行，在具体应用过程中，可对步进电机进行适应性控制，对具体的转向、步数和速度等进行合理调节。借助软件的更改，能够满足不同设计诉求。设计人员对显示电路和键盘电路进行有效结合，能够进行人机交换，最大程度降低外部干扰，使其更加可靠、高效。

4.1 系统硬件设计

4.1.1 单片机最小系统

电路设计中离不开单片机最小系统设计，它是步进电机电路的起始部分。主要功能是生成步进电机转动需要的脉冲，并对其加以控制。我们可以借助单片机的软件编程功能，对步进电机所需要的信号进行输出，使单片机输出脉冲数与步进电机旋转角度呈现正相关，单片机输出脉冲频率与步进电机转动速度也呈现正相关。同时，单片机也能够对电流值进行有效处理，并借助数码管明确显示电机的转速和方向。

单片机的主要模块有复位电路和晶体振荡电路。如图2所示，单片机最小系统线路图。

P0口主要对数码管显示情况进行控制，使其显示结果更加明确，且极具准确度；P1口着重控制步进电机中单片机的编程，使芯片处于良好的读写状态；P2口作为数码管位选，对公共端工作进行有效控制。同时，它也能够对扫描电路键盘工作情况进行合理控制。P3口着力于模数转化成芯片的工作控制[2]。

4.1.2 数码管显示电路

数码管显示模块的主要显示内容有步进电机选择速度、旋转方向、步进电机电流通过情况。该设计中，借助数码管对设计进行显示，直接点亮数码管，实现位选部分，对单片机控制端的地输出电压问题进行有效控制。因而，需要将辅助三极管添加到位选和单片机控制端。

4.1.3 串口通信模块

串口通信模块的应用原理是对计算机和单片机进行连接，实现二者之间的信息交互和流通。它的应用原理是借助计算机对程序进行编程，然后对程序进行复制，在单片机芯片中对其进行应用。

4.1.4 电机驱动模块

步进电机的信号功率比较小，很难对电机进行驱动，使其运行。因此要添加电机驱动模块，使步进电机信功率不断放大。集成的驱动芯片价格比较低，控制难度相对较小，可以将其作为核心元件应用到电机驱动电路设计中。

如图3所示，该电机驱动电路中，电机驱动核心由驱动芯片L298和其周围的电路组成，L298N的管脚IN1，IN2，IN3，IN4和ENA，ENB与单片机的I/O端口P1口的六个管脚依次连接相连，接收脉冲信号。L298N的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机的一相。其中IN1，IN2，IN3，IN4管脚接输入控制电平，控制电机的正反转。ENA，ENB控制使能端，控制电机的停转。而控制步进电机的运行速度只要控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期，即在升速过程中，使脉冲的输出频率逐渐增加；在减速过程中，使脉冲的输出频率逐渐减少。该种连接模式和驱动芯片与单片机和步进电机之间的串联模式相符合，使电路控制和操作更加简单和便利。

4.1.5 独立按键电路

内部电路中的按键是独立的，在单片机端口上对其进行连接。将其作为外部性按键，使内部各项模块具有较好的中断功能，以对步进电机旋转方向进行科学合理的选择，并对它的速度进行科学调控，使其电流呈现良好的现实状态，对步进电机进行合理控制。它属于步进电机电路设计中的辅装置，具有不可或缺的重要作用。

4.2 系统软件设计

软件系统主要为硬件系统电路设计提供依托和支持。依据单片机本身的性质和特点，对系统软件进行合理编程和读写，以充分体现出设计功能，并对其进行合理更改，实现电路控制。系统软件设计与硬件系统电路设计具有紧密相关性。软、硬件中的任一设计模块都直接关乎最终设计效果和步进电机电路的整体运行状态。因而，需对系统软件设计进行合理把控，以提升其整体性能。

4.2.1 红外线编码

遥控器编码形式是32位二进制码组，前16位是用户识别码，能够对不同的电器设备进行有效区分，避免不同机种遥控编码相互干扰。该芯片用户识别码固定高8位地址和低8位地址分别为OBFH和40H，后16位则是8位操作码和它的反码。单片机接收红外线之后，可按以下方式开展解码工作：中断信号产生-EA清零-延时短-等待高电平-延时不足4.5ms-再次等待高电平-延时0.84ms-P3.2脚电平值读取，对32位代码进行依次读取，前16位是识别码，后18位中，数据码和数据反码均为8位[3]。

4.2.2 步进电机程序

步进电机程序设计的基本诉求是对旋转方向进行判断，再依据正确的顺序，将其传送给控制脉冲，继而对所需控制步数进行判定，观察其具体传动情况，直至将要求控制步数传送完毕。分别将步进电机和单片机作为具体执行元件和控制器，并将检测元件定义为光敏电阻传感元件背景下的传感器。而手动输入信号则是手动按钮，以红外遥控装置开展遥控操作，对时钟控制和状态显示的步进电机控制系统进行综合限定辅助，使步进电机的手动、自动和遥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 程序设计思路

依据电路设计，单片机的输入和输出分别为P1口的前6个管脚和P1口的后2个管脚及P2口的前4个管脚。首先，主程序部分向驱动电路输出4路高电平，停转电机。继而对定时器T0的具体工作模式和允许中断位置高电平进行合理设置，将“停转”状态显示点亮，然后进行按键扫描，按下按键之后，实现程序段跳转。如果没有按下按键，即会回归到程序的初始部分。正转部分需对正转状态指示进行点亮，然后执行起始脉冲输出，继而对按键进行扫描，并对不同状态下的执行情况进行合理判断，调配到定时器T0赋初始值子程序，对累加器A中的数值进行累加。几经循环，使步进电机处于正转状态。反转部分的设计过程亦是如此。加速和减速中，对定时时间进行改变，即可实现定时器定时初始值更改。

5.2 设定定时器计数初始值

程序设计中对定时器T0的定时中断进行选用，以实现步进电机细部性时间控制。对T0的定时时间进行更改，即可改变步进电机转速。假定步进电机的步距角为7.5°，转一圈耗费的脉冲数量为48。将转速假设为N（r/min），而每一分钟脉冲数据输送数量为48N，每送一个脉冲信号需要花费的时间为s。

定时器T0的技术初值为。将步进电机最低转速假定为20r/min，最高转速为100r/min，速度级的界定为5r，共17级。

6 结语

步进电机在应用层面极具优越性，在工业设备中已经得到了广泛应用，有助于提高生产质量及效率。我们要结合具体操作背景，对单片机的优越性进行重点分析，在步进电机电路控制系统中对它进行全面应用，使步进电机工作性能得到充分提升。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

参考文献

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[2]令朝霞.基于单片机的遥控步进电机控制的设计[J].自动化技术与应用，2012，（04）：78-80+91.

篇（6）

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)24-6017-03

1 绪论

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置分别取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。

步进电机主要用于一些有定位要求的场合。例如：线切割的工作台拖动，植毛机工作台（毛孔定位），包装机（定长度）。基本上涉及到定位的场合都用得到。此外还广泛应用于喷涂设备、医疗仪、ATM机、喷绘机、刻字机、传真机、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。

由于步进电机在生活中有着广泛的应用，所以对步进电机的研究是非常有意义的。通过这次设计，在步进电机各项控制功能实现的基础上，希望能对步进电机控制的精度能有一定的提高。

2 步进电机控制系统的整体框架功能概述

本步进电机控制系统的设计方案框图如图1所示，该设计采用了STC89C52单片机作为控制系统的控制器。本设计要完成对步进电机启动停止的控制，设计中用矩阵键盘做控制信号，然后通过单片机发出频率不同的脉冲信号，实现对步进电机相关功能的控制。

ULN2003是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路。它是由7对NPN达林顿管组成的，它的高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。单个达林顿对的集电极电流是500mA。达林顿管并联可以承受更大的电流。此电路主要应用于继电器驱动器，字锤驱动器，灯驱动器，显示驱动器（LED气体放电），线路驱动器和逻辑缓冲器。

3 步进电机控制系统硬件设计

本系统是基于嵌入式单片机的步进电机控制系统。采用STC89C52作为本系统的处理器。采用外接的+5V直流电源供电。采用ULN2003作为步进电机的驱动芯片。步进电机运行状态采用4位共阳数码管进行实时显示。步进电机的控制命令是通过 矩阵键盘输入的。当步进电机的运行转速超过额定转速时将启动我们的报警电路进行声光报警。该系统还可以通过RS232串行通信接口与PC机进行通信。

本系统共包括5个功能模块，分别是键盘模块、显示模块、驱动电路模块、电源输入模块、串口通信模块。步进电机控制系统硬件结构图如图2所示。

由于本系统的功能模块比较多，不能一一介绍，下面以三个比较重要的功能模块为代表向大家作一个介绍。

3.1 键盘模块

如图3所示为矩阵键盘电路。步进电机的控制命令就是通过矩阵键盘输入的，对步进电机的控制命令有启动、停止、转速加、转速减、正反转切换。矩阵键盘的行线分别与单片机的RC4～RC7端口相连，列线分别与RC0～RC3端口相连。由于PIC单片机端口的特殊性，需要在矩阵键盘的行线和列线上分别接上5.1K的上拉电阻，以确保没有键按下时，单片机读入的是可靠的高电平。本系统键盘识别方法采用的是线反转法。线反转法分为两个操作步骤：①先让行线编程为输入线，列线编程为输出线并使输出线输出全为低电平，则行线中电平由高变低的所在行为按键所在行。②再把行线编程为输出线，列线编程为输入线，并使输出线输出为全低电平，则列线中电平由高变低的所在列为按键所在列。最后综合上述两步的结果，可确定按键所在的行和列，从而识别出所按的键。

3.2 驱动模块

步进电机驱动电路如图4所示。步进电机驱动脉冲从单片机输出后送入光电耦合器进行隔离，之后送入ULN2003进行放大，最后就可以驱动步进电机运行了。光电耦合器能有效的将控制电路与负载电路隔开，避免了负载电路对控制电路的干扰。增强了系统的稳定性和抗干扰能力。TLP521-4和ULN2003之间接了4个2K的电阻是限流作用，用于驱动ULN2003。后面的4个10K的上拉电阻，可以增强步进电机的抗干扰能力。

ULN2003介绍：

ULN2003是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路。它是由7对NPN达林顿管组成的，它的高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。单个达林顿管最大驱动电压为50V，集电极最大驱动电流是500mA。达林顿管并联可以承受更大的电流。此芯片主要应用于继电器驱动器，字锤驱动器，灯驱动器，显示驱动器（LED气体放电），线路驱动器和逻辑缓冲器等。

ULN2003内部单元结构示意图如图5所示。ULN2003的每对达林顿管都有一个2.7kΩ的串联电阻，可以直接和TTL或5V CMOS装置连接。ULN2003采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动步进电机或继电器，也可直接驱动低压灯泡。内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管（见内部单元结构示意图），通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时COM引脚应该悬空或接电源。

3.3 显示模块

这一部分由4位LED数码显示管组成，我们采用的是共阳的数码管。主要显示电机的转速和正反转。我们用P0.4―P0.7来控制 4位LED数码显示管的位选功能。由于单片机P0口的驱动能力不够。所以采用PNP型三极管9012来驱动。

位选的工作原理是：9012的发射极用+5V电源拉高，基极接单片机的P0.4―P0.7口，因为P0口加了上拉电阻所以此时单片机输出的是高电平，9012不导通。当程序控制P0.4―P0.7时，单片机输出低电平，基极为低电平，三极管导通，集电极为高电平，位选成功。

我们用P2口作为4位LED数码显示管的数据输出接口，采用定时来循环输出。

显示模块电路见图6。

4 步进电机控制系统软件设计

如图7所示为步进电机控制系统软件结构图。

5 系统指标参数计算公式

本系统采用的时钟为4MHz，那么时钟周期为1μS，由于本系统采用的控制器为PIC16F877A，所以系统的指令周期为4μS。

转速计算：我们采用8拍模式控制：每个脉冲转0.9°，每个周期只需8个脉冲的时间。设频率为f（HZ）转速为N（r/min），则：

（5-1）

单片机定时器定时时间的计算：

方式1工作： 机器周期：（11.095MHz晶振） （5-2）

设T0的初值为X：

（1ms定时） （5-3）

所以X=64536=0×FC18

6 结束语

本文是基于步进电机在生活中的广泛应用，采用STC89C52单片机作为步进电机控制器，ULN2003作为步进电机驱动器，实现了一种基于嵌入式单片机的步进电机控制系统。系统成功实现了对步进电机的启动、停止、正反转、加减速、超速报警等工作状态的有效监控。同时本系统扩展的串口通信电路接口和无线收发模块电路接口对步进电机在工业生产中的推广应用也有积极的意义。

参考文献：

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篇（7）

中图分类号：TP23 文献标识码：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

步进电机的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大范围内调节电机的转速，并能快速起动、制动和反转[1]。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，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的[2]。近年来，研究人员提出基于单片机的步进电机控制系统设计[3-6]，这种控制相比DSP控制来说

精度较低；基于DSP的步进电机控制系统

的研究[7-12]，使得步进电机达到细分控制的效果；但是目前四相步进电机的控制装置还

存在一些不足：首先，步进电机的控制策略

单一，调节范围较小，控制精度低，稳定性

不够，而且步进电机机械结构和空间的限制，步进分辨率低、缺乏灵活性，难以满足高精度开环控制的要求；其次，目前步进电机主要是通过按键输入来控制电机的启停、正反转等，而且在一些环境比较恶劣或对身体有伤害的地方，人们无法接近步进电机控制器部位，难以实现安全运行；最后，在步进电机运动的过程中，电机绕组可能发生过流，此时若没有相关人员及时处理可能引发

事故，传统的步进电机靠熔断器等传统手段来保证步进电机安全，但其成本高，没有得到广泛应用。

因此，本文基于以上问题提出基于TMS320F28335的四相步进电机的设计，使步进电机操作更加简便，运行更加安全可靠。

2 系统总体设计方案

本系统采用数字信号处理芯片TMS320F28335，通过脉冲分配电路、光电隔离电路和功率放大电路对输出的PWM进行处理来控制步进电机，无线控制模块PTR2000[13-14]工作频率为国际通用的数据传输频率段433 MHz，采用抗干扰能力较强的频移键控制，扩展能力强，特别适合工业控制场合。总体设计框图如图1所示。

3 系统硬件设计

本系统拟选用的主控制器为TMS320F28335，其具有150MHz的高速处理能力，12位16通道ADC，具备32位浮点处理单元，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出（HRPWM）[15]。电机控制电路包括脉冲分配电路、光电隔离电路和功率放大电路、电流采样电路和A/D转换器组成的反馈电路。

3.1 脉冲分配电路和光电隔离电路

在步进电机的驱动过程中，脉冲分配电路采用SN74LS194主控芯片，控制出PWM脉冲通过脉冲分配器控制步进电机励磁绕组按照一定顺序接通、断电，使步进电机绕组的通电按输入脉冲的控制而循环变化；光电隔离利用LED与光电探测设备实现隔离阻障，通过光来传输信号。光电探测设备接受LED发出的光信号，再将其转换成原始电信号。如图2所示。

3.2 功率放大电路

步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，其特点是没有积累误差，所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移。如图3所示。

3.3 电流采样电路

电流采样电路采集到输出电流信号时，经过A/D转换电路传输给DSP与设定电流信号作对比，然后调节输出PWM信号，进一步调节步进电机的运行。如图4所示。

3.4 过电流保护电路

^流保护电路的输入端与电流采样电路的输出端相接，当采样电流输出的电流偏大时，过电流保护电路立刻把此信号传输给DSP，从而确保步进电机运行安全可靠。如图5所示。

4 系统软件设计

本系统软件主要包括步进电机控制程序、过电流保护中断程序和PWM信号产生程序组成。

4.1 步进电机的控制

当上位机通电后，通过与先设置的A值进行比较，判断出电机的正反转并输出此时电机正反转电流信号，把此信号与ADC电流实际信号做差值，调用PWM子程序产生PWM信号，最后结合输出的DSP电机正反转的信号一起送到电机功率驱动电路，实现驱动电机运行。主程序如图6所示。

4.2 PWM脉冲序列的产生

PWM是利用DSP的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。这个子程序在DSP事件管理器EAV中完成，初始化程序采用的计数模式为递增计数模式。如图7所示。

4.3 过电流保护的设计

当四相步进电机电流过高时，DSP芯片的引脚将会接收到一个低电平信号，这一信号将触发电机驱动电路产生保护中断。如图8所示。

5 结 论

本文通过采用TMS320F28335控制四相步进电机的设计，具有以下优点：1.通过脉冲分配电路、光电隔离电路和功率放大电路驱动步进电机，使步进电机转动的稳定性和精度得到提高，电路简单，便于应用；2.设置电流采样电路实时检测步进电机绕组中的电流并将采集到的电流值转换为电压值，再经过流保护电路进行比较，当电流采

样电路采集的电流较大时，过流保护电路输出高电平，控制器TMS320F28335控制步进电机停止转动，可靠稳定；3.通过无线控制模块可远程控制步进电机，实现对步进电机转动方向和速度的控制，避免了手动操作或外部设置不方便，提高了步进电机控制的便捷性。

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发票抬头：

西安科技大学

作者简介：

党威望（1988.12―），男，陕西省渭南市人，西安科技大学，硕士。研究方向：电机与电器。

岳改丽（1967.5―），女，陕西省兴平市人，西安科技大学，副教授。研究方向：电力电子及电力传动、现代电源技术、电路与系统。

作者详细通讯地址：

地址：陕西省西安市碑林区雁塔中路58号西安科技大学研究生院 电气与控制工程学院 党威望

篇（8）

中图分类号 TM383.6 文献标识码 A文章编号 1674-6708(2010)17-0101-02

传统的步进电机控制方法是由触发器产生控制脉冲来进行控制的,难于实现人机交互,,而且传统的触发器构成的控制系统,控制电路复杂、控制精度低、生产成本高等。以微电子芯片为控制核心,以电力电子功率变换器为执行机构,在自动控制理论的框架下组成的控制系统,能通过控制电机转速或转矩进而控制生产机械或运动部件按照人们所希望的规律运动。克服了传统控制器的缺点,满足工业生产新的控制要求。如今各领域步进电机无处不在,应用领域涉及机器人,工业电子自动化设备、医疗器械、广告器材、计算机外部应用设备等。高精度,实时监控的步进电机控制系统具有重要意义和实用价值。

1 系统原理

步进电机控制系统主要由AT89S51单片机及单片机工作电路和放大电路组成。采用8155作为AT89S51单片机的扩展I/O口来连接键盘和LED显示器。单片机的P1.0、P1.1、P1.2分别连到步进电机的A、B、C三相绕组,单片机的控制信号经信号放大驱动电路输出到步进电机绕组就可以驱动步进电机运转。系统在LED显示器的提示下,由键盘设置步进电机运行的转速和步数;由各个功能键控制系统的运行,按启动键后,步进电机按照输入的参数运行。

2 系统的硬件构成

2.1 步进电机的驱动电路设计

系统的输出通道也就是控制步进电机的通道,由于AT89S51的P1口作为输出通道的控制端口,采用三相六拍的步进电机进行并行控制需要单片机P1口中的三位P1.0、P1.1、P1.2,分别接三相步进电机的A、B、C三相。步进电机的脉冲分配由单片机通过软件控制构成环行分配器,功率放大器选用单电压功率放大电路。当单片机I/O口输出为1时,经反相器74LS14后变成低电平,发光二极管不发光,光敏三极管截止,从而使三极管截止,电机绕组不通电,反之单片机I/O口输出为0时,经反相器后变成高电平,三极管导通,电机绕组通电。循环使三个绕组通电就可以驱动电机,只要按照一定的顺序改变三位I/O口的通电的顺序就可以控制步进电机按照一定的方向转动。单片机与电机驱动电路之间加入光电隔离,使驱动步进电机的电压和单片机控制系统的电压之间不会互相影响,具有更好的抗干扰能力,而且更好保护单片机。电阻起限流作用。续流二极管使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管而衰减掉,从而保护了步进电机,也保护了功率管不受损坏。外接电阻上并联一个200μF电容,可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿,提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200Ω电阻可减少回路的放电时间常数,使绕组中电流脉冲的后沿变陡,电流下降时间变小,也起到提高高频工作性能的作用。

2.2 键盘电路设计

键盘分为参数设定、正/反转和启动、停止等功能操作。在开始运行之前要求输入步进电机匀速的运行速度和运行的总步数,所以要进行按键输入数值以传入参数。为了实现系统的启动、停止和正、反转,要设置相应的按键和开关进行功能键处理。

2.3 显示电路设计

采用发光二极管 LED作为显示器件,通过单片机I/O扩展芯片8155来点亮LED数码管的。点亮LED数码管之前,需将数字码转换为笔划信息。系统选用动态显示方式。8155A的PB0～PB7作为段选码口,经驱动器与LED的段相连。8155的PA4～PA7和PC4作为位选码口,经驱动器与LED的位相连。在扫描过程中,在某一瞬间,只让某一位的字位线处于选通状态,其它各位的字位线处于断开状态。同时,字段线上输出相应位要显示字符的段选码。这样在每一瞬时,5位LED中只有选通的那一位LED显示出字符,而其它4位则是熄灭的。同样,在下一瞬时,只显示下一位LED。如此继续,等5位LED都依次显示完毕后,循环进行。

3 系统的软件设计

系统的软件设计包括:主程序、中断子程序、键盘子程序、显示子程序、报警子程序、步进电机控制子程度。在系统上电后,首先对系统进行初始化,然后扫描键盘,使最低位LED显示器显示“0”,以提示输入数据。如果按下输入参数键,可以输入参数,则显示该输入的数值并对连续的输入的数值进行处理,直到输入“确认”键确认后表明参数值设定完毕,在内存中保存该参数,进行其它的处理。通过键盘可以进行正、反转的设置,如按下一次正/反转键,则变量值改变一次,即每按下一次正/反转键,系统的设置在正、反转之间进行转换,相应的在显示器上显示设置的是正转还是反转。用户可以通过键盘查询参数的值,在待机状态下连续按两次参数键,则在LED显示器上显示出输入的参数值,以供用户查询输入的参数正确与否。

4 结论

基于单片机的步进电机控制系统实现了键盘进行输入运行参数、启动、停止等操作。显示器能够显示输入数据及运行状态。通过键盘的输入,控制电机带动负载进行预定的工作,实现对角位移或线位移的控制。系统采用单片机等能完成专门功能的控制器和控制电路,使得单片机对电机的控制更易实现,性能价格比更高。步进电机采用升降速控制,避免了以要求的速度直接启动时因该速度已超过极限启动频率不能正常启动,并且可能发生丢步或根本不运行以及停止时发生偏移的情况。本设计的步进电机单片机控制系统实现了步进电机速度控制,大大改善了步进电机的运行的平稳性,减小了驱动器的体积,增强了抗干扰性能,从而拓展了步进电机系统的应用范围,可以满足更多场合的需要。

参考文献

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中图分类号：TM383 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）021-080-02

步进电机可以将数字信息转化为角位移或者线性位移，其在开环工作方面具有出色性能，便于通过数字设备对其进行智能控制。同时，步进电机的控制系统结构相对简单，但是具有较高的定位精度，还可以通过不同方式的信号输入进行转动方向和移动速度调节。因此，步进电机在工业领域中得到了非常广泛的应用。

完整的步进电机系统分为三部分，分别为控制部分、驱动部分以及步进电机部分。本文设计分析了一种采用AT89C52型单片机为控制核心的步进电机控制系统。

1 步进电机工作原理及单片机控制实现分析

1.1 步进电机工作原理

步进电机由驱动电路进行驱动，通常驱动模块会采用双极性驱动的方式进行步进驱动。这种驱动方式的优势在于电机线圈中的电流可以改变流动方向，不同的流动方向会产生不同的驱动效果。利用双极性驱动模块进行步进电机驱动可以同时驱动四线或六线的多相混合步进电机。本文以两相步进电机为例。

当控制模块向驱动模块发送脉冲信号时，若步进电机需要进行正向转动，则根据其转动方式可以确定电机通电顺序为A+B+A-B+A-B-A+B-。若需要步进电机进行反向转动，则步进电机绕组的通电相序则进行相应的调整，变为A+B-A-B-A-B+A+B+。此外，步进电机旋转角频率是由通电频率确定的，因此，可以通过改变通电频率来改变步进电机的运行速度。

1.2 单片机控制实现

根据选定的步进电机的相数可以确定AT89C52单片机所需要产生的相位信息。选用AT89C52的一个好处是其在接口和控制性能上都要优于51单片机，故其扩展性能要更优一些。通常步进电机的额定电压为12 V左右，额定电流为8 A左右，其电流需求较大，但是电压需求较低。因此需要在单片机和步进电机之间增加隔离电路和放大电路，以满足系统需求。因此单片机控制系统可以通过图1框图实现：

2 硬件电路设计

由图1可知，硬件电路分为输入输出部分、单片机部分、步进电机部分、电源部分等。下面分别对每部分性能进行分析。

2.1 输入输出部分

为提高系统的灵活度，便于对步进电机的系统参数进行控制和调整，需要引入输入设备，本处选用键盘。输出设备要求可以显示当前的控制状态和电机运行状态，可以选用LCD设备进行显示。

通过键盘可以对系统输入参数指令和控制指令，进而控制单片机实现对系统的控制。而LCE设备的选用可以根据AT89C52的接口分布进行确定，通过LCD设备可以显示步进电机的运行状态和运行速度等信息。

此外，本文选用了一片8279作为键盘和显示器与单片机之间的接口芯片。通过该芯片可以更好的满足操作性能和控制性能的均衡需求。

2.2 单片机部分

单片机为该系统的核心模块，本文选用AT89C52单片机产生控制信号。AT89C52具有8 KB的RAM和ROM，式中信号为12 MHz，可以很好的满足系统需求。如果后续使用中需要进行系统扩展，C52单片机还提供有RAM和ROM外扩接口。

利用引脚P1.0-P1.7进行步进电机脉冲信号输出，将引脚P3.0、P3.1、P3.2、P3.3、P3.4等分配给键盘控制部分，可以通过键盘实现正反转、加减速、停止等功能操作。将引脚P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、等分配给LCD显示器，可以控制输出显示步进电机当前的运行状态和运行速度。

2.3 步进电机部分

根据上文分析可知，单片机无法与步进电机直接进行连接，需要通过该隔离、放大电路实现连接。实际应用中，对于强弱电的隔离通常可以采用光电隔离的方式，这种方式效果好，受干扰小。对于放大电路的选取，可以使用集成功放元件也可以根据实际需要配置独立模块。

2.4 电源部分

在系统框图中可以看到，该系统涉及两种不同的工作电压，因此需要分别设计强电和弱点部分的电源。为满足系统需求，可以使用集成稳压器和可变输出电压模块分别为单片机和步进电机进行供电。需要注意的是，两个电源不能共地。

3 软件程序设计

硬件平台设计完毕后，需要根据硬件电路对单片机进行系统编程，以满足操作和控制需求保证各部分电路可以根据控制信号正常进行工作。系统软件部分分为三部分，分别为键盘和显示模块、系统监控模块、控制信号生成模块等。

3.1 键盘和显示模块

该模块实现的功能是，对键盘按键进行确认，确认无误后对输入键值进行信号处理，如，若输入的是输入键则需要调用输入程序、若输入的是控制键则需要调用控制程序。而显示模块则是通过定时查询接口数据，实时显示步进电机的工作状态、键盘输入数据等。

3.2 系统监控模块

系统监控模块在系统启动后就开始运行，其主要功能是完成对键盘的扫描，根据扫描结果设置单片机控制帧内容等，以满足步进电机的操作要求。对于键盘的扫描通常采用中断的方式实现，原因在于，中断服务程序在单片机中地位较高，当系统产生中断时，单片机可以进行有限相应，可以更好的满足系统的实时性和灵活性要求。

3.3 控制信号生成模块

该模块的主要作用是根据键盘输入内容控制单片机的系统配置和步进电机的工作模式，如设置单片机输出控制几相电机、步进电机的转动方向、转动步数、系统运行频率等。该模块主要通过调整单片机的控制帧结构实现对步进电机系统的控制。

4 总结

本文设计了一种基于AT89C52单片机的步进电机控制系统，该系统可以通过键盘输入控制信息，继而油单片机根据输入信息发送相应的控制信号，控制步进电机的转动方向、转动速率、转动频率等。该系统功能丰富、控制灵活度高、有较强的实际编程性，可适用范围广，具有一定的实用价值。

参考文献

[1]何冲，王淑红，侯胜伟，牛慧文.基于AT89C52单片机的步进电机控制系统研究[J].电气技术，2012（4）.

篇（10）

中图分类号： TM383.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）11-0000-00

一种基于PLC和组态的步进电机调速系统，其控制方案由硬件与软件相结合的形式实现。其控制方式变得直观且容易操作，可以实现对步进电机的调速功能。

1 步进电机驱动电路设计

1.1 步进电机原理及其控制

步进电机因为其工作的方式与特点，又被称之为脉冲电机，是被广泛应用于数字控制系统中的电机。步进电机的作用是将接收到的脉冲转化为具体的角度偏移或线性移动。控制步进电机的方法，一般是通过控制输送到其驱动器的脉冲个数，从而实现控制角位移；通过控制输入驱动器的脉冲的周期来达到改变步进电机的转速，实现调速。被广泛应用于各种开环控制系统中。

1.2 步进电机的控制方式

步进电机的常用控制方式主要有3种，分别为基于电子电路的控制系统，基于单片机的控制系统以及基于PLC的控制系统。基于电子电路的步进电机控制系统，电路简单；基于单片机的步进电机控制系统是实现硬件与软件相结合的控制方法，通过编写程序的方式实现脉冲分配，电路设计简单，但却有着工作不稳定的缺陷。基于PLC步进电机控制系统，由PLC、环形脉冲分配器和功率放大电路构成。对PLC进行软件编程使其输出所需数目的电脉冲信号，通过改变步进电机的转动角度，来实现控制伺服机构的移动量。同时使用PLC程序编辑控制输出电脉冲信号的频率来实现调速，从而实现改变伺服机构的移速。

1.3 THB6064AH芯片

THB6064AH芯片为日本东芝半导体公司推出的两相混合式步进电机驱动芯片，拥有高细分、衰减方式连续可调、大功率、温度与电流过保护功能。步进电机的驱动电路功能主要有两个，分别为脉冲分配与功率放大。上位机输入的脉冲信号，经过环形脉冲分配器进行脉冲分配，经过功率放大电路对脉冲信号驱动能力进行放大，从而实现控制步进电机。

2硬件电路设计

通过脚3脚4的输入电压实现对衰减方式的控制，从而可以达到更好的驱动效果；脚5为电流输出设定端以及参考电压设置端，输入的电压以及电流大小进入恒流斩波电路的比较器中，实现对输出电流大小的控制；脚7、8、9为细分数选择端，通过输入不同的数值可以选择细分模式，实现对步进电机的细分控制，使步进电机运行更加平稳；脚18为使能端Enable，当使能端输入为0时无脉冲输出，输入为1时正常工作，由此实现对电机启停控制。

通过调节Vref端口的变阻器使调节输出电流的大小。OSC2端口控制电流的衰减管段时间，通过串联一个电阻来与内部电路形成RC振荡回路。参考电机工作时输入的脉冲频率，选择40KHz时衰减关断，所以对应接51KΩ的电阻串联。DY1、DY2位衰减方式控制端，通过控制输入DY1与DY2的电平来选择不同的衰减模式，以实现更好的驱动。经过测试后选择40%的快衰减模式可以使电机运行效果更为优秀，所以DY1输入高电平，DY2悬空。M1、M2、M3为细分数控制端，通过改变M1、M2、M3的输入电平来改变步进电机的细分数。细分越高，步进电机的运行更加平滑稳定，可以减小步进电机震荡。本次设计所采用的为32细分，所以M1、M3输入高电平，M2悬空。NFA、NFB分别为A、B绕组的检测电阻，选择0.22Ω/2W的大功率电阻串联。SGND、PGNDA、PGNDB接24V地线，VMA、VMB为电机驱动电源，与24V电源正极相连。VDD为芯片电源输入端，与5V电源正极相连。RESET为复位输入，通过PLC输出来使步进电机的转子在电机运行前复位，使其不会出现错步的现象；EN为使能端口，由PLC输出控制，实现电机的启停控制；CLK与CW端口分别为脉冲信号输入端口与方向信号输入口，PLC通过向这两个端口发送脉冲信号和方向信号，实现控制步进电机的调速与正反向控制。由于PLC输出为24V，THB6064AH芯片的工作电压为5V，所以PLC输出与芯片间需串联电阻，使电压合适THB6064AH的工作电压。

3 PLC程序设计

3.1 工艺对象组态

在PLC1200系列中，用户可通过添加工艺对象来控制电机，实现对给进机构的控制。通过定义工艺对象中的参数，即可实现对给进机构进行控制。在工艺对象中可以定义给进机构的导程，在运动控制模块中无需通过计算所需发出的脉冲数量与频率自动进行计算后再进行输出，所以使用起来十分方便，只需要直接输入给定的位置以及速度便可自动完成动作。

3.2 运动控制模块

PTO模块是集成在运动控制模块中。当用户需要使用高速脉冲输出时，通过组态工艺对象、调用运动控制模块即可实现高速脉冲输出功能，从而实现控制机械给进。通过控制MC_Power的使能状态即可控制运动控制模块的使能，实现对步进电机的起停控制。Axis为控制轴，输入轴编号接对对应的轴进行控制。

4 结语

通过测试可以正常运行。重新接线后通电，通过HMI控制PLC输出脉冲，脉冲经过自制THB6064H电路后驱动电机，可实现调速功能，步进电机调速系统正常。？