步进电机调速系统的设计

刘会巧

摘要：步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移的电磁装置，是一种特殊的电动机。步进电动机具有精确性良好等性能，其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，故在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等领域有极广泛的应用。本文介绍以AT89C51单片机为控制核心所设计的步进电机的调速系统，并实现了电机启动、停止、正转、反转、加速、减速等的功能。

关键词：步进电机 AT89C51 控制

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

1研究背景及内容

步进电机是一种将电脉冲转为角位移的执行机构，广泛应用于各种自动化系统中。通俗讲：步进电机接收一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动固定的角度（即步距角）。可控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的；同时可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。随着微电子技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，制作步进电机控制系统具有十分重要的意义。本文通过AT89C51单片机实现对步进电机启停、正反转、加减速的控制。通过单片机、电机驱动芯片ULN2004及相应按键实现功能。

2硬件设计

本文使用的步进电机是步距角为1.8度的四相八拍永磁式步进电机。四相八拍步进电机的通电方式为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。它的工作原理是给一个脉冲信号，电机转动一个角度。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率（f）成正比。

根据步进电机工作原理可知，实现步进电机的启停即给电机通电则启动、不通电则停止，实现正反转控制即改变电机的通电顺序，实现加减速的控制即增加或减小电机的通电频率。步进电机不能直接接到电源上工作，必须使用步进电机驱动器，本文采用驱动芯片ULN2004。

步进电机调速系统如图1。其中由P1口连接发光二极管构成显示部分，实现当电机启动时，二极管依次点亮；当电机加速时，二极管加速点亮；当电机反转时，二极管反方向依次点亮。由P2.0-P2.3口连接的按键构成按键输入部分，实现按第一个按键启停电机，按第二个按键使电机加速，按第三个按键使电机减速，按第四个按键使电机反向转动。由P2.4-P2.7口连接的步进电机驱动器ULN2004构成驱动电路，实现对步进电机的通电控制。

3软件设计

本文用AT89C51单片机进行程序设计。系统分为电机启停、正反转、加减速部分组成。

按键程序用于判断P2.0-P2.3口的值，当P2.0口为0，即按下按键后，电机启动，再次按键，电机停止；当P2.1为0时，电机加速；P2.2口为0时，电机减速；P2.3口为0时，电机正转，再次按键，电机反转。

步进电机转动是由于电机驱动电路提供了一定相序的电源，首先定义电机驱动端口sbit R1=P2^4；sbit R2=P2^5；sbit R3=P2^6；sbit R4=P2^7；根据四相八拍步进电机的通电顺序为

A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，正转通电子程序为void motorPositive（）

{ if（dir<=0）// dir表示转动方向，1正转，-1反转，0停止

return；

R1=1；R2=0；R3=0；R4=0； delay（currentRestTime）； //A

R1=1；R2=1；R3=0；R4=0； delay（currentRestTime）； //AB

R1=0；R2=1；R3=0；R4=0； delay（currentRestTime）； //B

R1=0；R2=1；R3=1；R4=0； delay（currentRestTime）； //BC

R1=0；R2=0；R3=1；R4=0； delay（currentRestTime）； //C

R1=0；R2=0；R3=1；R4=1 ；delay（currentRestTime）； //CD

R1=0；R2=0；R3=0；R4=1； delay（currentRestTime）； //D

R1=1；R2=0；R3=0；R4=1； delay（currentRestTime）； //DA }

当接收到正转按键的信息后，调用电机正转子程序，可实现电机转动。当接收到反转按键 的信息后，可调用电机反转子程序，实现电机的反转。

4调试及总结

（1）电路板焊好后，检查电路设计及元器件焊接是否正确，结果正确。但发现步进电机不能正常转动，再次确认硬件及程序没问题，据步进电机工作原理，电机实现正反转，四个相序必须正确。经几次试验，确定电机的四个相序。把电路板重新布线，电机能够正常转动。实物图如图2所示。

（2）步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等，所以说步进电机调速系统有着广阔的市场和远大的发展前景。

（3）随着科技的进步，芯片也在高速发展，后续出现更高级的芯片，依据本文的设计思路也能实现高级芯片对步进电机的调速控制。

参考文献

[1] 吉文.单片机在电机控制中的应用分析[J].科技视界，2013，7-9.

[2] 蔡晶晶.基于单片机的步进电机伺服控制器的设计[D].内蒙古农业大学，2012.