一種步進電機運行控制器的設計

劉潤澤　王憲磊

【摘 要】步進電機是一種將脈沖信號轉換為角位移的元器件。本設計采用ST89C51單片機芯片作為步進電機運行控制器的核心，通過單片機的I/O口輸出信號，再通過ULN2003芯片驅動電機運行，控制步進電機的正轉、反轉、復位、加速、減速，同時用液晶顯示屏來顯示步進電機的運行狀態[1]。

【關鍵詞】步進電機;運行;控制

中圖分類號：G642 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）16-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.006

步進電機是一種將脈沖信號轉換為角位移的元器件。是一種可靠性較高而且廉價的開環控制系統，在國民經濟的各個領域都得到了非常廣泛的應用[2]。

步進電機控制器主要是由控制器、功率放大器以及步進電機等元件組成。在現代社會的生產生活過程中，為了增強運行控制器的可靠性、簡化運行控制器的結構并且降低生產成本，步進電機運行狀態的控制可以采用單片機來完成，然后利用仿真軟件進行仿真[3]，代替步進電機運行控制器來達到對步進電機運行狀態的控制效果。

1 系統設計框架

本設計采用單片機，被控制對象選用四相步進電機。通過編寫的程序，最終實現通過按鈕控制電機的啟停、正反轉。根據步進電機的使用場合不同，設計十個不同轉速的檔位，并通過程序的編寫實現步進電機的加減速的功能[3]。為了可以使所設計的步進電機運行控制器具有更好的使用效果并可以運用到生產生活中，電機的運行狀態可以用LCD顯示屏顯示[4]。步進電機運行控制系統主要涵蓋驅動電路、狀態顯示和按鍵三大部分[5]?？偪驁D如圖1所示。

2 步進電機及其主控芯片的選擇

設計中，選用的主控芯片不僅需要考慮控制系統的大小和復雜程度，還要考慮功耗和抗干擾性能[6]。本設計中的受控對象只有步進電機和液晶顯示屏兩個部分，復雜程度較低，采用普通單片機芯片即可。同時，單片機的芯片運行速度、內部儲存容量、輸入/輸出引腳的數量，及其所需要的工作電壓等方面也符合設計要求。所以本設計的控制系統采用ST89C51單片機，

系統的整體設計電壓采用的是+5V直流電壓，因此本設計選用的是28BYJ-48型電機作為被控制對象。

3 硬件設計及運行原理

本設計運行控制器的硬件系統是以ST89C51單片機為運行控制核心構成的運行控制器，采用集成電路ULN2003驅動芯片作為電機驅動。五個分別控制電機運行狀態的按鍵輸入;同時采用LCD1602液晶顯示屏顯示步進電機的運行速度的檔位以及電機的正反轉。

通過按鍵來給單片機輸入動作信號，單片機輸出信號到驅動芯片，驅動芯片提供脈沖信號并驅動步進電機運行，實現對步進電機運行狀態的控制[7]。當對所選用的步進電機施加一系列的連續并且不間斷的控制脈沖的時候，電機可以做到連續不間斷地轉動。單片機發出的脈沖可以改變電機繞組的通電狀態，轉子轉過一個步距角。當通電狀態的改變完成整個循環時，轉子轉過一個齒距[8]。本設計的硬件原理圖如圖2所示。

4 控制系統軟件分析與設計

為了使步進電機運行控制器正常運行并達到預期效果，在設計步進電機運行控制器時，必須使步進電機運行控制器的硬件部分與軟件部分的程序相互匹配。對于步進電機運行狀態的控制主要包括：控制步進電機的正反轉和加減速。在對運行程序的編寫之前，應首先繪制本部分的設計框圖，本設計主程序的框圖如圖3所示：

在程序編輯過程中，單片機首先要對運行控制系統中的功能按鍵進行掃描;其次單片機根據功能按鍵所發出的信號進行處理，并向ULN2003步進電機驅動芯片發出驅動信號;與此同時，在設計的過程中還需要利用單片機所發出的信號，對LCD1602液晶顯示屏進行控制，使得液晶顯示屏可以正常顯示步進電機的運行狀態。

在本設計中，對于步進電機運行控制系統的基本設計思路為：第一步，先在運行控制的整體上規劃出所需要的各個功能模塊;第二步，對于各個功能模塊的硬件設計以及軟件程序的編輯同時進行，并依次逐步完善各個功能模塊;第三步，將各個功能模塊搭建成步進電機運行控制器。

設計過程就是將步進電機運行控制器的理論做成實物的過程[4]，其中包括：電子電路的設計、設計數據的分析與計算、電路原理圖的繪制、電路板中電子器件的焊接、軟件控制流程圖的設計與分析、運行程序的編寫與軟件的調試、燒錄程序到單片機、硬件與軟件系統的檢查與調試，直到最后步進電機運行控制系統設計完成。

【參考文獻】

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[2]趙成龍，張春雷，陳龍.基于定時器的步進電機控制程序設計[J].精密制造與自動化，2018（04）：30-32.

[3]張宗猛，王正蘭，楊德華，吳常鋮，金振宇.基于步進電機的位移促動器設計與實測[J/OL].天文研究與技術

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[8]孫祥明.淺議西門子PLC在步進電機控制中的應用[J].科技經濟導刊，2018，26（24）：83.