单片机步进电机控制系统设计

模块五　单片机步进电机控制系统设计

一、知识点

步进电机的结构与分类，步进电机的工作原理与控制方法，MCS-51单片机与步进电机接口方法与编程控制。

二、知识点分析

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），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，利用其没有积累误差（精度为100％）的特点，广泛应用于各种开环控制。

步进电机的定子绕组可以是任意相数，常用的有三相制、四相制、五相制和六相制4种。根据转子结构不同，步进电机分为3种：反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）和混合式步进电机（HB）。其中以反应式步进电机结构最为简单，应用最广泛。

步进电机的相绕组的通电方式通常有单拍方式、双拍方式和单双拍方式3种。其转动方向与相绕组的通电次序有关，改变相绕组的通电次序即可以改变其转向，表4.4给出了常见的三相（A相、B相、C相）反应式步进电机的转动方向与通电次序的关系。其他相步进电机的转动方向与通电次序的关系可以依此推出。

表4.4　常见三相反应式步进电机转动方向与通电次序关系

三、实践训练

1）设计要求

以单片机为核心，设计一个小型步进电机控制系统。利用74LS273输出脉冲序列，经驱动后控制步进电机。开关K1～K6控制步进电机的转速（6挡转速），开关K7、K8控制步进电机的转向。要求K1～K6中任一开关和K7、K8中某一开关同时为‘1’时步进电机启动，其他情况下步进电机不工作。

2）方案论证

考虑到步进电机的工作特点，用单片机控制步进电机最为合适。

通过软件编程，单片机可以非常方便地实现步进电机控制的脉冲分配；本设计中小型步进电机驱动电路选用集成芯片ULN2003，它是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适用于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力。为了防止单片机或控制信号等受到后级模拟电路的干扰，设计了光电隔离接口，以便把数字信号和模拟信号隔离开。步进电机选用三相，电流脉冲的施加采用双三拍方式。图4.13为步进电机控制系统设计方案的硬件电路设计框图。

图4.13　步进电机控制系统硬件电路设计框图

3）系统硬件电路设计

步进电机控制系统硬件电路原理图如图4.14所示。P1口接8个电平开关，用于步进电机转速及旋转方向的设定。对步进电机的控制有并行和串行两种方式，本系统采用并行控制，脉冲信号由单片机通过简单并行接口74LS273送出。小型步进电机的驱动选用典型集成芯片ULN2003。

图4.14　步进电机控制系统电路原理图

4）系统程序设计

（1）流程图

步进电机控制系统程序流程如图4.15所示。

图4.15　步进电机控制程序流程图

（2）参考程序

5）思考题

（1）如果上述三相步进电机的控制采用单双六拍方式，应如何修改软件？

（2）总结实践训练过程中所遇到的问题及解决的办法。