步進電機智能控制的設計與實現

徐建國

摘 要

步進電機是利用輸入數字信號轉換成機械能量的電氣設備，由于步進電機旋轉角度與輸入脈沖數目成正比，只要控制輸入的脈沖數目便可控制電機轉動角度。設計一個步進電機智能控制。要求能從鍵盤上輸入步進電機轉數，控制步進電機正、反轉及啟停，并顯示轉數。

【關鍵詞】步進電機 脈沖 控制

1 步進電機智能控制思路

我們知道步進電機必須加上驅動電路才能轉動，驅動電路的信號輸入端必須輸入脈沖信號，若無脈沖輸入時，轉子保持yd的位置，維持靜止狀態；反之，若加入適當的脈沖信號時，轉子則會以一定的角度轉動，如果加入連續脈沖時，則轉子旋轉的角度與脈沖頻率成正比。

為此，我們掌握了如何使用按鍵對步進電機進行方向和轉速控制。但是如何對步進電機進行精確定位和精確定速？

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。這樣，我們就可以通過以下兩個方面對步進電機進行智能控制，達到精確定位和精確定速的目的。

（1）通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；

（2）通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到精確定速和調速的目的。

作為一種數字伺服執行元件，步進電機具有結構簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優點，步進電機智能控制可以廣泛應用在數控機床、機器人、自動化儀表等領域。

2 步進電機智能控制組成

步進電機智能控制主要包括單片機、鍵盤輸入模塊、顯示模塊以及步進電機控制模塊等部分。步進電機智能控制的結構框圖如圖1所示。

鍵盤輸入模塊主要完成數據輸入及控制輸入；顯示模塊主要對步進電機的設置和運行狀態進行顯示（如顯示步進電機設置要旋轉的圈數以及正反轉指示等）；步進電機控制模塊主要是由單片機輸出控制碼到驅動電路來控制步進電機的運轉。

3 步進電機智能控制設計

設計一個步進電機智能控制。要求能從鍵盤上輸入步進電機轉數，控制步進電機正、反轉及啟停，并顯示轉數。

3.1 步進電機速度控制和方向控制的關鍵技術

3.1.1 速度控制關鍵技術

只要改變脈沖信號之間的延時時間，即改變每步之間的延時時間，便可控制步進電機的轉速。延時時間變短，轉速提高，延時時間變長，轉速降低。每走一步，必須延時一段時間。

3.1.2 方向控制關鍵技術

只要改變勵磁順序，就可以改變步進電機旋轉方向。例如：

正轉時，1相勵磁順序為：A→B→C→D→……

反轉時，1相勵磁順序為：D→C→B→A→……

3.2 鍵盤控制步進電機方向和速度

鍵盤控制步進電機的方向和速度由AT89S52單片機最小應用系統、步進電機驅動電路、鍵盤電路等模塊構成。反轉按鍵、加速按鍵、減速按鍵和正轉按鍵分別接到P2口的P2.0、P2.1、P2.2和P2.3引腳。驅動電路采用高電壓、大電流的ULN2003A，分別接到P3口的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3引腳。

3.3 鍵盤設計

鍵盤采用矩陣式鍵盤，鍵盤設計功能分配如下：

（1）0～9：為數字鍵。

（2）*：正逆轉轉數設定完成后，按“*”啟動步進馬達。

（3）#：清除設定為正轉及轉數為00.

（4）A：設定正逆轉。按A鍵則LED亮，表示反轉，再按則LED指示燈滅，表示正轉，再按LED亮。

3.4 數碼管顯示模塊設計

數碼管顯示模塊電路采用硬件譯碼輸出字型碼控制顯示內容，數碼管是陽極數碼管，7段字型譯碼器用的是74LS47，電路設計參考圖2。

3.5 步進電機控制模塊設計

步進電機控制模塊電路采用有施密特觸發器的六反方器74LS14和高低壓、大電流的達靈頓晶體管數組產品ULN2003A，電路設計參考圖2。

3.6 步進電機智能控制電路實現

步進電機控制模塊電路、鍵盤電路、數碼管顯示模塊電路分別接在AT89S52單片機的P0口、P1口、P2口，接在P3.0的LED是步進電機正反轉的引腳顯示的，步進電機智能控制電路設計如圖2所示。

3.7 步進電機智能控制工作過程

由鍵盤輸入轉數，設定正反轉后，按確認鍵。單片機根據設定由P0口送出控制碼經74LS14和ULN2003A達靈頓管驅動步進電機轉動。同時，LED數碼管顯示設定的轉數，步進電機每轉動一圈，數碼顯示的數字減1，當減至零時，步進電機停止轉動。LED指示燈亮，表示反轉，LED指示燈滅，表示正轉。步進電機智能控制采用C語言程序設計（略）。

作者單位

炎黃職業技術學院 江蘇省淮安市 223400