步进电机控制系统设计

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进电动相控制设计　

吉林大学珠海学院机电工程系　徐杭　

［摘要］本文介绍了基于可编程控制器的步进电机控制系统设计，阐述了硬件的配置，编程的流程并举例说明，方法简单易行，编程　

容易，可靠性高。　

［关键词］ＰＬＣ步进电机　

１．引言　随着科学技术的日新月异，可编程控制器有了突飞猛进的发展，其　

功能远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可　

进行模拟量控制，具有远程通讯功能等，有人将其称为现代工业控制的　

三大支柱（即ＰＬＣ，机器人，ＣＡＤ／ＣＡＭ）之一。目前ＰＬＣ已经应用于机　

械、矿业、轻工等多个领域，为工业自动化提供了有力的工具。　

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、绘图机和计算机外围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。　

２．步进电机的工作原理　

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　

的各项输入端，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。　

控　制　—－．．　驱动电路　电　

《装备制造技术￣２０１０年第５期　

步进电机运动控制系统硬件部分的设计　

张永华　

（天津工业大学，天津３００１６０）　

摘要：设计方案采用了ＡＴ８９Ｃ５１型单片机内部定时器改变ＣＰ脉冲的频率，从而实现对步进电机的转速控制，实现电机调速与正　

反转的功能。　关键词：步进电杌；硬件系统；单片机；调速系统　

中图分类号：ＴＰ３６８．１；ＴＭ３８３．６　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—５４５Ｘ（２０１０）０５－００７１．－０２　

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环　

控制元件。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。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，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制，变得非　

常的简单。步进电机的调速，一般是改变输入的脉冲频率来实　现的。因为步进电机每给一个脉冲，就转动一个固定的角度。　

这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时　

间间隔，来改变脉冲的频率，用延时长短具体控制步进角，来　改变转速，从而实现对步进电机的调速。　

１　单片机的选择　

本次设计选用８９Ｃ５１作为步进电机的控制芯片。８９Ｃ５１具　有结构简单、并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达数万　

次以上、使用方便等优点，而且完全兼容ＭＣＳ５Ｉ系列单片机的　

所有功能。ＡＴ８９Ｃ５１是一种带４ｋ字节的闪烁可编程可擦除只　读存储器（ＦＰＥＲＯＭ—ＦＡｌｓｈ　ＰｒｏｇｒＡｍｍＡＢｌｅ　Ａｎｄ　ＥｒＡｓＡＢｌｅ　ＲｅＡｄ　

Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）的低电压、高性能ＣＭＯＳ８位微处理器，俗称单片　机。该器件采用ＡＴＭＥＬ高密度非易失存储器制造技术制造，　

与工业标准的ＭＣＳ一５１指令集和输出管脚相兼容。由于将多　

功能８位ＣＰＵ和闪烁存储器组合在单个芯片中，ＡＴＭＥＬ的　ＡＴ８９Ｃ５１是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供　

基于步进电机控制系统设计

摘 要：文中给出了一种步进电机控制系统。系统利用AT89C51单片机对由键盘输入的时间和角度进行控制处理，实现对步进电机运转的精确定时定位。通过键盘输入给出步进电机需要运转的时间和角度，采用LCD1602液晶显示剩余的时间和角度。

关键词：AT89C51；步进电机

1 系统总体设计方案

系统由单片机，步进电机，键盘输入电路，按键电路，液晶显示电路，步进电机驱动电路，蜂鸣器电路等组成。系统框图如图1所示。

系统以AT89C51单片机作为主控单片机，接收由键盘输入的时间和角度信号，控制步进电机精确的运行和液晶显示剩余的时间和剩余的角度。电机正反转可以由按键模块确定；电机运行结束时候的提示音由蜂鸣器模块来完成。

2 系统硬件设计

2.1 步进电机模块

步进电机在本质上属于一种执行机构元件，其旋转是一步一步运行的。每当步进驱动器接收到单片机输出地一个脉冲信号时，它将驱动步进电机按设定的旋转方向转动一个固定的角度，通常这个角度叫做”步进角”。通常步进电机的齿数和运行拍数决定步进角。所需要的角位移量可以通过改变脉冲的个数而得到，从而可以准确定位；其次改变脉冲的频率可以控制电机转动的速度和加速度即可进行调速。本次设计采用四相六线步进电机，工作方式为八拍。步进电机的齿数是50，步进角为0.9度。一个周期内运转7.2度。

2.2 液晶显示模块设计

液晶显示模块[6]采用能显示各种字体的数字、汉字、图像和自定义显示内容LCD1602显示器。本次设计利用液晶显示步进电机运行剩余的时间和剩余的角度。LCD1602液晶显示模块与单片机的连接如图2所示。

2.3 矩阵键盘输入模块

键盘中根据按键连接方式的不同可以分为独立式键盘和行列式键盘两大类，每一类都有编码和非编码键盘之分。编码键盘主要是用硬件识别按键，典型的应用是PC中的键盘，非编码键盘主要是通过软件来实现键盘的定义与识别，非编码键盘的特点是结构简单，成本价格低，在单片机系统中得到了广泛的应用[7]，本次设计按键的识别采用的是较为常用的逐行（逐列）扫描查询法。矩阵键盘与

1 第1章 绪论 ............................................................................................................................ 2

1.1 引言 ........................................................................................................................... 2

1.2 步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 ........................................................... 4

1.2.1 常见的步进电机控制方案 ............................................................................ 4

1.2.2 步进电机驱动技术 ........................................................................................ 6

1.3 本文研究的内容 ....................................................................................................... 8

第2章 步进电机概述 ............................................................................................................ 9

2.1 步进电机的分类 ....................................................................................................... 9