步進電機智能控制系統的設計

王 娟

（貴陽學院，貴州貴陽 550005）

1 步進電機概述

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制組件，被廣泛應用于自動控制系統中[1]。步進電機細分驅動技術可減小步進電機步進角，提高電機運行平穩性，減小或消除步進電動機的低頻振蕩，降低噪聲，顯著改善其動態性能，增加控制的靈活性等，從而滿足某些高精密定位、精密加工等方面的要求[2-4]。傳統的步進電機具有控制方法單一、難于實現人機交互、電路復雜、控制精度低、生產成本高等缺點[5]。

步進電機最大的特點就是通過輸入脈沖信號來進行控制，輸入脈沖數決定了電機總轉動角度，而脈沖信號頻率決定了電機的轉速。因此適合于單片機控制，單片機通過向步進電機驅動電路發送控制信號就能實現步進電機的控制[6]。

1.1 步進電機的工作原理

非超載的情況下，給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角，而不受負載變化的影響。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得將步進電機用在速度、位置等控制領域非常簡單。單相步進電機是由單路電脈沖來驅動，輸出功率很小，多用于微小功率驅動。多相步進電機由多相方波脈沖驅動，在很多領域都能用到。使用多相步進電機時，脈沖分配器會將單路電脈沖信號轉換為多相脈沖信號，再經功率放大后分別送入步進電機各項繞組。脈沖分配器每接到一個脈沖，就會變化電機各相的通電狀態，轉子會轉過一定的角度，這個角度稱為步距角。倘若連續輸入一定頻率的脈沖，電機的轉速與輸入脈沖的頻率具有嚴格的對應關系，負載的變化和電壓波動不會對其產生任何影響。然而步進電機轉過的總角度又是由輸入的脈沖數所決定的，并且成正比關系。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，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。

圖1 PM型步進電機的原理圖（2相單極）

1.2 步進電機的種類

步進電機按轉子的材料可以分為三大類。

（1）PM型（永久磁鐵型）

PM型步進電機的原理構造如圖1所示，轉子是永久磁鐵所構成，更進一步地往這個周圍配置了復數個的固定子。

圖2 VR型步進電機的原理圖（2相單極）

PM 型的特征是因為轉子是永久磁鐵構成的，所以就算在無激磁（固定子的任何線圈不通電）時也在一定程度上保持了轉矩的發生。因而，利用這種性質的效果，可以構成省能積形的系統。

這種步進電機，它的步進角種類很多，釤鈷系磁鐵的轉子是用在45°或者90°上，而且這些也可以用氟萊鐵（ferrite）磁鐵作為多極的充磁，有3.75°、11.25°、15°、18°、22.5°等豐富的種類，其中以7.5°（轉48步進）最為普及。

（2）VR型（可變磁阻型）

VR型步進電機的構造如圖2所示。主要用在轉矩比較大的工作機械，或者特殊使用的小型起動機的上卷機械上。其它也有用在出力為1W 以下的超小型電機上，總之，VR型的數量是非常少的。步進角的種類有15°、7.5°、1.8°等，其中以1.5°步進最為普及。

圖3 混合型步進電機的構造圖（2相單極）

（3）HB混合型（復合型）

混合型步進電機的構造如圖3 所示。混合型因具有高精度、高轉矩、微小步進角和其他優異的特征，所以被大量的使用，特別是使用在盤片記憶關系的磁頭轉送上。在步進角上有0.9°、1.8°、3.6°，比起其它的電機而言，具有極小的步進角。

圖4 步進電機控制流程圖

1.3 步進電機的特點

（1）旋轉的角度和輸入的脈沖成正比，因此用開回路控制即可達成高精確角度及高精度定位的要求。

（2）啟動、停止、正反轉的應答性良好，控制容易。

（3）每一步級的角度誤差小，而且沒有累積誤差。

（4）在可控制的范圍內，轉速和脈沖的頻率成正比，所以變速范圍非常廣。

圖5 時序圖

（5）靜止時，步進電機有很高的保持轉矩（holding torque），可保持在停止的位置，不需使用煞車器也不會自由轉動。

（6）在超低速有很高的轉矩。

（7）可靠性高，不需保養，整個系統的價格低廉。

（8）高速運轉時容易失步。

（9）在某一頻率容易產生振動或共振現象。

2 控制系統設計

2.1 步進電機的控制

如圖4 所示，通常情況下對于步進電機的控制，由單片機和PLC進行控制產生脈沖信號。

這里重點討論對步進電機的控制和驅動，以受控電機為四相六線制的步進電機（內阻33 Ω，步進1.8°，額定電壓12V）為例。

2.2 步進電機驅動電路

選用電機驅動器（可選L298N）來構成步進電機的驅動電路。若選用L298N 電機驅動器搭配單片機SPCE061A，則可通SPCE061A 的IOB8～IOB13 引腳對L298N 的IN1～IN4 和ENA、ENB口來發送方波脈沖信號，時序圖如圖5所示。

2.3 鍵盤電路

控制系統中可以選用標準的4× 4 鍵盤，其電路圖如圖6 所示。SPCE061A 的A 口低8 位為鍵盤的接口。雖然實際只需要4個鍵對步進電機的狀態進行控制，但為給控制功能留有可擴展的空間，選用4×4鍵盤較佳。

2.4 數碼管顯示電路

數碼管的顯示驅動可選用串行移位寄存器74LS164，通過SPCE061A的IOB0和IOB1口對DATA和CLK 發送數據。如圖7所示。

2.5 軟件設計

在進行程序設計的過程中，主要分為五個部分：雙機通訊、數字顯示、步進電機驅動及鍵盤的設計。流程圖如圖8所示。

圖6 鍵盤電路

3 小結

圖7 數碼管顯示電路

圖8 雙擊通訊流程圖

該設計非常靈活，對于不同步進電機，可以適當修改其電路及程序即可通用。該方法性能良好，具有實用推廣價值，方便、高效、成本較低。結果表明，該步進電機控制系統能實現預期的走步和兩軸協調運行還能通過數碼管顯示數據，實用價值很高。

［1］榮盤祥，何志軍.步進電機數字控制系統設計［J］.電機與控制學報，2009，13（2）：272-275.

［2］袁帥，甘靖.基于FPGA 的步進電機細分驅動技術研究［J］.湖南理工學院學報：自然科學版，2010，23（1）：62-64.

［3］胡惟文，蔡劍華，王先春.基于FPGA 的步進電機均勻細分驅動器的實現［J］.微計算機信息，2008，24（5）：183-184.

［4］張勁.利用AT89S52 單片機控制步進電機［J］.常州工程職業技術學院學報，2008，56（2）：73-75.

［5］何帥，高曉蓉，王黎，等.基于ATm ega128的步進電機細分驅動技術［J］.微計算機信息，2010，26（14）：90-92.

［6］盧慧芬，陳慧，張國鵬，等.基于TMS320F2812 的光伏并網發電模擬裝置［J］.機電工程，2012（11）：1318-1322.

［7］史敬灼.步進電動機伺服控制技術［M］.北京：科學出版社，2006.