一种步进电机运行控制器的设计

刘润泽　王宪磊

【摘 要】步进电机是一种将脉冲信号转换为角位移的元器件。本设计采用ST89C51单片机芯片作为步进电机运行控制器的核心，通过单片机的I/O口输出信号，再通过ULN2003芯片驱动电机运行，控制步进电机的正转、反转、复位、加速、减速，同时用液晶显示屏来显示步进电机的运行状态[1]。

【关键词】步进电机;运行;控制

中图分类号：G642 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）16-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.006

步进电机是一种将脉冲信号转换为角位移的元器件。是一种可靠性较高而且廉价的开环控制系统，在国民经济的各个领域都得到了非常广泛的应用[2]。

步进电机控制器主要是由控制器、功率放大器以及步进电机等元件组成。在现代社会的生产生活过程中，为了增强运行控制器的可靠性、简化运行控制器的结构并且降低生产成本，步进电机运行状态的控制可以采用单片机来完成，然后利用仿真软件进行仿真[3]，代替步进电机运行控制器来达到对步进电机运行状态的控制效果。

1 系统设计框架

本设计采用单片机，被控制对象选用四相步进电机。通过编写的程序，最终实现通过按钮控制电机的启停、正反转。根据步进电机的使用场合不同，设计十个不同转速的档位，并通过程序的编写实现步进电机的加减速的功能[3]。为了可以使所设计的步进电机运行控制器具有更好的使用效果并可以运用到生产生活中，电机的运行状态可以用LCD显示屏显示[4]。步进电机运行控制系统主要涵盖驱动电路、状态显示和按键三大部分[5]。总框图如图1所示。

2 步进电机及其主控芯片的选择

设计中，选用的主控芯片不仅需要考虑控制系统的大小和復杂程度，还要考虑功耗和抗干扰性能[6]。本设计中的受控对象只有步进电机和液晶显示屏两个部分，复杂程度较低，采用普通单片机芯片即可。同时，单片机的芯片运行速度、内部储存容量、输入/输出引脚的数量，及其所需要的工作电压等方面也符合设计要求。所以本设计的控制系统采用ST89C51单片机，

系统的整体设计电压采用的是+5V直流电压，因此本设计选用的是28BYJ-48型电机作为被控制对象。

3 硬件设计及运行原理

本设计运行控制器的硬件系统是以ST89C51单片机为运行控制核心构成的运行控制器，采用集成电路ULN2003驱动芯片作为电机驱动。五个分别控制电机运行状态的按键输入;同时采用LCD1602液晶显示屏显示步进电机的运行速度的档位以及电机的正反转。

通过按键来给单片机输入动作信号，单片机输出信号到驱动芯片，驱动芯片提供脉冲信号并驱动步进电机运行，实现对步进电机运行状态的控制[7]。当对所选用的步进电机施加一系列的连续并且不间断的控制脉冲的时候，电机可以做到连续不间断地转动。单片机发出的脉冲可以改变电机绕组的通电状态，转子转过一个步距角。当通电状态的改变完成整个循环时，转子转过一个齿距[8]。本设计的硬件原理图如图2所示。

4 控制系统软件分析与设计

为了使步进电机运行控制器正常运行并达到预期效果，在设计步进电机运行控制器时，必须使步进电机运行控制器的硬件部分与软件部分的程序相互匹配。对于步进电机运行状态的控制主要包括：控制步进电机的正反转和加减速。在对运行程序的编写之前，应首先绘制本部分的设计框图，本设计主程序的框图如图3所示：

在程序编辑过程中，单片机首先要对运行控制系统中的功能按键进行扫描;其次单片机根据功能按键所发出的信号进行处理，并向ULN2003步进电机驱动芯片发出驱动信号;与此同时，在设计的过程中还需要利用单片机所发出的信号，对LCD1602液晶显示屏进行控制，使得液晶显示屏可以正常显示步进电机的运行状态。

在本设计中，对于步进电机运行控制系统的基本设计思路为：第一步，先在运行控制的整体上规划出所需要的各个功能模块;第二步，对于各个功能模块的硬件设计以及软件程序的编辑同时进行，并依次逐步完善各个功能模块;第三步，将各个功能模块搭建成步进电机运行控制器。

设计过程就是将步进电机运行控制器的理论做成实物的过程[4]，其中包括：电子电路的设计、设计数据的分析与计算、电路原理图的绘制、电路板中电子器件的焊接、软件控制流程图的设计与分析、运行程序的编写与软件的调试、烧录程序到单片机、硬件与软件系统的检查与调试，直到最后步进电机运行控制系统设计完成。

【参考文献】

[1]孔祥煜.基于51单片机的步进电机控制系统[J].内燃机与配件，2019（05）：92-93.

[2]赵成龙，张春雷，陈龙.基于定时器的步进电机控制程序设计[J].精密制造与自动化，2018（04）：30-32.

[3]张宗猛，王正兰，杨德华，吴常铖，金振宇.基于步进电机的位移促动器设计与实测[J/OL].天文研究与技术

[4]张菁，赵鹏，郭红霞.基于组态王的步进电机控制系统设计[J].榆林学院学报，2018，28（06）：50-52.

[5]谢述双.一种基于脉冲控制器控制的步进电机实验教学电路的设计[J].实验技术与管理，2018，35（10）：136-139.

[6]何庆.一种面向步进电机控制的PID控制算法[J].电工技术，2018（18）：21-23+26.

[7]齐诗萌，闵华松，黄文晖.基于步进电机的机器人夹持器控制系统设计[J].仪表技术与传感器，2018（09）：61-65.

[8]孙祥明.浅议西门子PLC在步进电机控制中的应用[J].科技经济导刊，2018，26（24）：83.