步进电机正反转及调速设计

步进电机正反转及调速设计

陈超

渭南师范学院物理与电气工程系2008级电气（1）班

摘要：本系统用52系列单片机和LY-36电机驱动芯片并加入了按钮来控制步进电机实现转向、转速等。系统中使用的四相步进电机，相应的驱动和控制电路对于其整体性能起着非常重要的作用。经系统调试，能够很好的控制步进电机的正反转、加减速，从而达到预期目的。整个系统具有结构简单、可靠性高、成本低和实用性强等特点，具有较高的通用性和应用推广价值。

关键词：四相步进电机 52单片机控制 YL-36驱动电路正反转

1 绪论

1.1 概述

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化系统中，与其他类型的电机相比具有易于精确控制，无累积误差等优点。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机按设定的方向转一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有累积误差的特点，广泛应用于各种开环控制。

单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作[1]。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件。

本文设计一种用STC89C52作为核心部件进行逻辑控制及信号产生的步进电机控制系统。为使步进电机系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据系统的功能要求，通过单片机存储器、I/O口、中断、键盘、LED显示器的扩展来实现步进电机的启停、正反转、加减速等功能。

1.2 步进电机及单片机的发展趋势

步进电机的发展，将依赖于新型材料的应用、设计手段，以及与驱动技术的最佳匹配。随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的快速发展，以及进一步数字化、智能化，步进电机将会在更深入广泛的领域中得意应用。电

力电子技术、高性能永磁材料的应用、优化的设计方案，驱动技术的提高都对步进电机的设计与发展产生了巨大的影响。

计算计技术在其发展过程中形成两个重要分支：通用计算机领域，现在以PC机为代表，着重发展海量高速数值运算技术，而其控制能力是有限的；嵌入式计算机领域，现在以单片机为代表，着重发展计算机的控制技术，而其计算机速度是有限的。在目前的许多实时工业控制和数据采集系统中，常常采用PC机做上位机和多个单片机做下位机的主从式系统。在主从分布式控制系统中，单片机主要完成实时数据采集，被采集数据经初步处理后通过串行口传送给主机。主机将从机发送来的数据进行处理后随时向用户提供各种统计报表和整个控制过程的具体数据。主机同时根据从从机接受的过程参数进行判断处理并给从机（单片机）发送各种控制命令[2]。它既利用了单片机的价格低，功能强，抗干扰能力强，温限宽和面向控制等优点，又利用PC操作系统的高级用户界面，多任务自动内存管理等特点。

单片机集成越来越多资源，内部存储日益丰富，用户不需要扩充资源就可以完成项目开发，而且单片机抗干扰能力也越来越强，使它更加适合工业控制领域。

1.3 研究步进电机的意义

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

2 系统总体方案介绍

设计一个基于STC89C52系列单片机控制的步进电机[3]，操作不同的按钮使步进电机作出相应的动作。使用五个按键，分别用来实现正反转、加减速、停止功能。

2.1 系统组成框图

图1 单片机总体设计结构框图

2.2 设计方案与思路

对步进电动机的控制，接口采用软件控制步进电动机的旋转。步进电动机的驱动脉冲由STC89C52单片机的编程来实现，由STC89C52芯片的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3出发，驱动步进电动机的A、B、C、D相。由于步进电机的正常工作电压是5V，故需要用反相器驱动。同时考虑到步进电机各相驱动电流较大，驱动电流的通断会造成电磁干扰，从而影响单片机的正常工作，因而输出通道要加光电隔离器，以隔断步进电机与89C52芯片控制电路的联系。另外电动机各相串限流电阻，以防止过大的电流流过线圈，造成电动机被烧。通过89C52芯片的P0口来读取电动机的停止、正转、反转、加速、减速控制信号。通过89C52的P2口输出电动机工作状态（停止、正转、反转）显示。

3 硬件电路

3.1 STC89C52简介

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

3.2控制功能电路及工作原理

3.2.1系统复位电路

复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位。

在系统中，为了实现上述的两项功能，采用常用的按键电平复位电路，这样复位键有复位和停止两个功能，如图3-1所示。

图2 复位电路

从图中可以看出，当系统得到工作电压的时候，复位电路工作在上电自动复位状态，通过外部复位电路的电容充电来实现，只要Vcc的上升时间不超过1ms 就可以实现自动上电复位功能。在本系统中，采用10uF的电容和100kΩ的电阻来实现复位电路。当系统出错时，直接按开关实现模拟系统上电复位的功能，从而实现系统重新复位启动。

3.2.2系统的时钟电路

STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD 分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图3—2(a) 所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。

外部方式的时钟电路如图3—2（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz 的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。

示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。

RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。

（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路

图3 时钟电路

3.2.3电机驱动电路

由单片机直接输出的脉冲不足以驱动步进电机正常工作所以需要驱动电路给步进电机提供电源[5]，在本设计中采用型号为YL-36的芯片，使步进电机正常工作。驱动信号由P1口的P2.0~P2.3输出，分别与驱动芯片的IN1-LN4相连，电路如下图所示：