基于89C51的步進電機控制系統設計

徐遠哲

步進電機是機電數字控制系統中常用的執行元件，由于其精度高、體積小、控制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應用。隨著大規模集成電路的發展以及單片機技術的迅速普及，為設計功能強，價格低的步進電機控制驅動器提供了先進的技術和充足的資源。本文利用51單片機，達到控制步進電機的啟動、停止、正轉、反轉、兩檔速度和狀態顯示的目的，使步進電機控制更加靈活。

一、步進電機原理及控制技術

圖1是一種四相可變磁阻型的步進電機結構示意圖。這種電機定子上有八個凸齒，每一個齒上有一個線圈。線圈繞組的連接方式，是對稱齒上的兩個線圈進行反相連接，如圖中所示。八個齒構成四對，所以稱為四相步進電機。

（a） （b） （c）

圖1 步進電機結構示意圖

它的工作過程是這樣的：當有一相繞組被激勵時，磁通從正相齒，經過軟鐵芯的轉子，并以最短的路徑流向負相齒，而其他六個凸齒并無磁通。為使磁通路徑最短，在磁場力的作用下，轉子被強迫移動，使最近的一對齒與被激勵的一相對準。在圖1（a）中A相是被激勵，轉子上大箭頭所指向的那個齒，與正向的A齒對準。從這個位置再對B相進行激勵，如圖1中的（b），轉子向反時針轉過15°。若是D相被激勵，如圖1中的（c），則轉子為順時針轉過15°。下一步是C相被激勵。因為C相有兩種可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一種為反時針轉動；另一種為順時針轉動。但每步都使轉子轉動15°。

步進電機的控制主要包括：換相順序的控制、步進電機的換向控制、步進電機的速度控制、步進電機的起停控制、步進電機的加減速控制等控制

二、控制電路設計思想

步進電機和普通電動機不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。即步進電機是將電脈沖信號轉換為機械角位移的執行元件。步進電機的控制可以用硬件，也可以用軟件通過單片機實現。硬件方法是采用脈沖分配器芯片進行通用換相控制；而軟件方法是用單片機產生控制脈沖來控制步進電機的運行狀態，這種方法可簡化電路，降低成本。

由于單片機的驅動電流一般都比較小，不能直接驅動電機工作，所以單片機的I/O口輸出必須接驅動電路，即功率驅動，才得以控制電機正常工作。控制框圖如下圖所示：

圖2 總體設計方框圖

根據以上的方案比較與論證確定總體方案，確定硬件原理圖。原理圖如下：

圖3 總體電路圖 圖4 主程序流程圖

三、系統軟件設計

主程序流程圖如圖4所示。可以將程序分為以下幾個部份：

1.鍵盤輸入程序設計

本系統使用的鍵盤較少，因此采用獨立式鍵盤接口設計。獨立式鍵盤適用于按鍵數量較少的場合。獨立鍵盤工作原理：通過上拉電阻接到+5V上。無按鍵，處于高電平狀態，有鍵按下電平為低。在消除抖動影響上是可以采用了軟件消抖方法：在第一次檢測到有鍵按下時，執行一段延時子程序后（約5ms），再確認電平是否仍保持閉合狀態電平，如果保持閉合狀態電平，則確認真正有鍵按下，進行相應處理工作，消除了抖動的影響。

2.步進電機運行步數控制程序

此方案采用單相和雙相交差通電處理方式。此方法具有運行速度穩定，運行步數準確無誤等優點。

四、結束語

本設計遵循實用、簡單、可靠和低成本的原則，設計了一種既可用于精度要求不高，但控制需完備的場合。對本次設計，有以下結論：

1.采用單片機為控制核心，利用其強大的功能，把鍵盤和顯示電路有機的結合起來，組成一個操作方便、交互性強的控制系統。而且整個系統所包含的技術幾乎包括了現本科學校控制專業所要求的知識，有利于實踐教學取得最大效果。

2.鍵盤電路和顯示電路采用了動態掃描技術，節約了單片機資源。

3.系統軟件采用結構化設計，具有易維護性，根據用戶新的要求，對軟件系統進行少量的修改，使系統功能得到一定程度的提高。

參考文獻：

[1]羅飛等.電力拖動與運動控制系統[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天出版社，2002.