基于单片机的步进电机驱动控制

基于单片机的步进电机驱动控制

一、步进电机概述

1．步进电机的定义

步进电机指的是以数字脉冲信号作为电机线或教位移的控制信号，并以数字脉冲频率对电机的转速进行控制的动力控制系统。

在负载正常范围的情况下，步进电机的运行状态只和数字脉冲发生器提供的信号的频率和脉冲占空比有关，一般情况下，电机的状态不受负载的影响。电机的运行角度只和每次所给予的脉冲信号强度有关，而电机的运行速度也只和脉冲信号的频率有直接关

系。这种采用弱点控制强电的控制方式使得步进电机在速度、位移等控制领域有着普通电机不能比拟的优势。

2.驱动控制系统框图

步进电机控制系统有着精确控制、运行稳定的特性，这一其他电机不能比拟的优势使得步进电机得到了广泛的应用。而一般对步进电机控制系统的驱动必须要包含脉冲信

号发生部分，功放部分和驱动控制部分等几个模块电路，我们根据这些通过的模块电路，可将步进电机控制系统的通用框图绘制如下：

在上图的步进电机驱动控制系统方框图中，控制步进电机运行状态的脉冲信号一

般由集成芯片产生，可以是单片机、等智能芯片，也可以是一般的数字电路集成芯片。信号分配环节则要根据步进电机的型号来选择，如四相步进电机有四相四拍和四相

八拍种信号分配的方式；两相步进电机有两相四拍和八拍等脉冲加载形式。功放部分

在驱动环节上显得尤为重要。动态平均电流是步进电机转矩大小的决定因素，前提条件

是电机的速度。电机力矩与平均电流成正比，驱动系统对电机的反电势消弱越多，则平

均电流就越大。

我们一般可以用恒压和恒压串电阻的方法来驱动，或者在条件允许的情况下我们可以用高低压驱动、恒流和细分数等方法来驱动实际的应用过程种，多采用数字集成驱

动芯片作为步进电机的驱动手段。

二、现阶段国内外步进电机驱动的常用方式

1.变频器控制方式

使用变频器对步进电机进行驱动控制时，可以很好的解决步进电机在启动和停止时

容易失步的问题，提高了系统的控制精度。但是变频器的应用成本较高，结构和操作也

比较复杂，无形中提高步进电机的控制难度。

2.PLC控制方式

使用ABB、西门子、欧姆龙等国际知名生产制造商研发的系列产品可以

实现对步进电机的理想化控制，但是基于核心的步进电机控制系统成本高昂，且

难以实现精确控制，在本系统中不太适合。

3.单片机控制方式

随着嵌入式系统在工业控制领域中的广泛应用，以单片机特别是系列单片机

作为控制核心的步进电机控制电路在生产生活领域得到了普及，单片机有着大规模数字

集成电路和高成本控制芯片难以比拟的控制优势：体积小、价格便宜、通用性的接口以

及编程简易。这些优势使得单片机在各行各业的应用都达到了一个新的高度。

由于步进电机是典型的脉冲控制运转设备，而系列单片机以其口多，体积

小，成本低廉，外围电路连接方便，可编程控制等综合优势越来越多的被引入到步进电

机控制系统中使用，逐渐成为国内外控制步进电机的主流方式。

本文所设计的步进电机驱动控制系统也是以单片机为核心的嵌入式开发控制

系统。

三、系统硬件设计说明

首先，在系统核心控制芯片的选择上，我们目前釆用AT89C51单片机。

它是一种低功耗电压、高性能的位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都可以和MCS-51系统兼容，片内ROM允许在系统内改编程序或者用其他编程器件进行编程。内部包含256字节RAM，4个8位并行I/O口，多个中断源，2个中断优先级，2个定时计数器，因此，89C51单片机是一种功能强大，速度快速，灵活性高而且价格便宜的控制芯片，完全可以满足本系统的设计需求。管脚介绍略。

其次，由于单片机输出的脉冲信号非常微弱，不能直接用于驱动步进电机运行，因

此需要采用功率驱动芯片。根据上文所述的硬件典型电路模块的设计思路，我们在本系

统的设计中采用集成达林顿管ICULN2003N作为系统的功率驱动芯片，该芯片是目前步

进电机控制系统中驱动电机运行最常见的芯片。

再次，考虑到要对系统进行精确控制，因此需要采用人机对话的方式进行，具体来

来说，需要采用按键控制实现。在设计中采用个独立按键完成对系统步进电机运行的

控制。独立按键的设计可以很好的节约系统端子，同时在软件编程中也更易操作，

达到了设计的初衷。在实际编程时，我们采用按键扫描的方式进行按键程序的编写。

最后，通过液晶显示模块显示参数。系统设计需要解决实时监控的问题，同时需要

建立可操作的人机通讯液晶显示界面，具体来说，本系统的液晶显示模块采用了能够显

示中文字库的液晶显示器件。

由于该系统需要两个电源输入，于是我们需要稳压。

四、步进电机的定位控制

1．位移控制

绘图仪、打印机等的运动是利用步进电机进行直线位移控制，通常将步进电机与滚珠丝杆相结合，从而将角度转动转换为直线位移，以实现精确定位控制。设丝杆螺距l=2.4mm，若步进电机采用三相六拍方式，步距角A=1.5°，转动一周需240个步进脉冲，脉冲当量D=2.4/240=0.01，若需位移30mm，则需3000个步进脉冲。

2.定位换向

在往复运动的数控系统中，不仅需要位移控制，有时需根据定位要求控制步进

电机换向，实现定位换向通常有两种方法。

(1) 软件定位：对运动行程固定的定位换向，可通过准确地控制步进脉冲数，

当达到预定值时，用软件改变步进电机的通电顺序实现换向。

(2) 硬件跟踪：对定位位置不确定的数控系统，采用位移传感器（如行程开关、

霍尔接近开关等）根据检测到的位置信号确定换向。

3. 步进电机速度控制

对于步进电机的速度控制系统，从起点到终点的运行速度都有一定的要求。

对于步进电机的速度控制系为了解决这个问题，一般采取一个“加速—恒速—减速—停止”的过程。用单片机实现步进电机的变加速度控制，实际上就是控制发脉冲的频率，升速时使脉冲频率增高，减速时使脉冲频率降低。本系统中使用定时器中断来控制步进电机的频率，变加速度控制就是根据当时的情况，不断地改变定时器的初值。本系统在实际设计中有以下特点：速度转换时间比较短。为了缩短速度转换的时间，在软件编写时采取了建立数据表的方法，根据变频加速或减速的各个段间的阶梯频率建立一个连续的数据表，通过转换程序将其转换为定时器的初值表。通过不同情况下，系统计算出应使用的频率，调用相应的定时器初值，控制电机的运行。定时器初值的计算是在定时中断外实现的，不会占用中断时间，从而保证电机的高速运行。

五、程序设计

基于Keil编程软件利用C51语言进行编写。

参考文献：

1.单片机的步进电机驱动控制系统的设计与实现_汪姝，中国知网，2012

2. 步进电机定位控制技术的研究_周艳秋，中国知网，2009