步進電機自動化控制系統

張玉勇

摘 要：在機電一體化產品中，步進電機作為運動執行元件，被廣泛地應用在生產加工領域中。然而，隨著工業生產強度的加大，傳統的步進電機在精度和可靠性方面已不能滿足使用需求，因而，需要對步進電機的控制機理加以改善，以提高其精度和運行的可靠性。以24BYJ48四相八步式電機為例，從步進電機的工作原理出發，對通過單片機與軟、硬件結合的方式，對其進行自動化控制系統的方法加以論述，以實現步進電機高精度、高可靠性的運行狀態。

關鍵詞：步進電機；脈沖驅動；自動化；控制系統

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）03-0029-02

在機電產品中，步進電機是實現將電脈沖信號轉換為直線位移或是角位移的電動機。步進電機是通過電脈沖信號觸發工作的數字式伺服執行器件，具有易開環控制、響應速度快、運動步數精準、抗外界干擾能力強等特點，且針對突發情況能迅速啟動或停止，運行可靠性強，因而，在自動化領域，例如數控機床和自動設施等方面，它被廣泛地應用其中。

1 步進電機控制系統方法

與傳統的普通電機相比，步進電機以脈沖信號為驅動控制其角位移位置和方向的變化。它通過環形分配器開關裝置，在功率放大器的作用下將勵磁繞組依次與直流電源相通，進而在空間中形成階躍性跳變的旋轉磁場，驅動轉子步進式轉動，轉子轉速大小受脈沖頻率控制。

由于步進電機工作是以脈沖驅動的形式，因而，可通過現代自動化的控制技術對步進電機的運動規律進行控制。控制方法主要包括模擬式和數字式控制方式：模擬式控制方式，如典型的PLC控制方式，其對電機的控制精度低，且易受外界干擾，因而，它在步進電機中的應用較受限；而數字式控制方式，主要常見于小規模數字電路、單片機電路和特殊用途邏輯控制電路等。小規模數字控制電路設計體積大，所占空間、資源利用率較多，而特殊用途步進電機的開發成本較高，且只限于專用電機的控制，因而，在通用型步進電機自動化控制設計上，一般選擇以單片機為核心處理器，配合使用軟、硬件電路對步進電機的轉子轉速和位移定位進行精確控制。

2 使用單片機實現對步進電機自動化控制

2.1 步進電機的單片機控制原理

日常普遍使用的步進電機分為二相、三相、四相等形式，電機的相數不同，其性能也會有差異，但不管怎樣，它們控制機理卻是互通的，即以脈沖勵磁信號驅動。以24BYJ48步進電機四相八拍驅動為例，其線圈由A，B，C，D四相組成，如圖1所示。通電順序按照A→AB→B→BC規律進行，即實行半步式工作，步距角為5.625°/64，即走64步為360°。在一個脈沖信號的作用下，電機根據通電方向旋轉5.625°，所以，24BYJ48電機的轉動角度取決于脈沖勵磁信號作用。而脈沖信號則是由幅值大小、電源接通和斷開時間（或占空比）組成的，幅值可根據電源電壓進行調整，其

接通和斷開時間可通過單片機延時

作用實現。延時時間的設定要根據

24BYJ48電機所需的工作頻率和所

需轉速共同判斷。其轉動方向與內

部繞組的通電順序密切相關，因而，

可以通過改變其繞組的通電順序實

現電機的正反轉。

2.2 單片機對步進電機的自動化控制

2.2.1 系統框圖

基于前文提到的步進電機的控制機理可知，利用單片機改變輸出的脈沖信號的頻率和電平的正負方向等可以控制24BYJ48步進電機的轉速和旋轉方向。其系統控制電路的主要組成包括單片機主控單元、系統驅動電路、步進電機等，單片機主控單元用以控制輸出脈沖信號的周期和方向，而驅動電路的存在則是因為24BYJ48步進電機驅動電流比較大，單片機輸出接口和步進電機間不能直接連接。步進電機的主要控制系統框架圖如圖2所示。

圖2 控制系統框圖

2.2.2 單片機對24BYJ48步進電機的轉速控制

針對24BYJ48四相八拍式步進電機，采用89C51芯片實現對脈沖信號的頻率和占空比的輸出控制。89C51芯片是帶有4 kB可編程存儲器的耗電低、性能強的8位CMOS微處理器，其可兼容工業標準的MCS—51Z指令集，并支持多種（例如C語言、匯編語言等）編程語言。此外，89C51芯片價格低廉，因而，在進行嵌入式控制系統設計時，它是最為常用的芯片之一。

89C51芯片對24BYJ48步進電機的運動控制可通過軟、硬件相互結合來實現。根據其控制原理，實現對步進電機的轉速控制，實際上是控制其勵磁脈沖信號的頻率或是換相通電的時間。其中，單片機和脈沖分配器（例如8713型號）需要配合使用，脈沖分配器具有單時鐘或雙時鐘輸入方式，且可實現步進電機的正反轉控制、脈沖狀態檢測等功能，其接口配置電路圖如圖3所示。

單片機對24BYJ48步進電機的轉速控制主要表現在以下幾個方面：①利用改變脈沖分配的方式，使24BYJ48步進電機以四相四拍和四相八拍的形式交替工作，從而實現步距角的擴大或縮小，實現不同場合下運動精度的調整。②通過89C51芯片的軟件編程延時來控制接口輸出高低電平的時間間隔，從而改變脈沖信號的頻率和占空比。因為編程人員可任意設定延時時間的長短，所以，利用該方式控制步進電機的運動速度范圍較大，可滿足多種場合的速度要求。③可以利用定時器的計數功能以中斷方式控制脈沖信號的輸出頻率。通過在程序中預設計數值，利用89C51芯片中的定時器對系統晶振脈沖或其他形式的脈沖加以計數處理。當計數值達到程序預設值后，觸發進入中斷程序，改變脈沖信號的高低電平和占空比變化，并將計時器清零，然后再重新計時。這樣一來，便可以實現對24BYJ48步進電機轉速和精度的控制。

2.2.3 步進電機的驅動

在步進電機驅動方式的設計上，一般常選擇全電壓驅動方式，即在步進電機移步或鎖步過程中以額定電壓值加壓。為避免步進電機出現過流現象，且能更好地發揮驅動性能，則需要增加限流電阻元件。在進行限流電阻的選擇時，需考慮到步進電機在進行鎖步動作時，限流電阻會消耗過多的電功率，因而應盡量選取功率容量大的電阻。另外，還可應用高低壓驅動方式，即在電機進行移步時，以額定電壓值為電機供電，以滿足其旋轉所需動力的要求；而在電機進行鎖步動作時，要降低其驅動電壓，從而降低流經電機的繞組線圈的電流，如此一來，也能減少限流電阻所消耗的功率，同時還可以實現電機轉速的提升。

3 結束語

在機電產品中，步進電機的運轉速度和運轉方向是由其驅動脈沖信號決定的，因而，在快速啟動或急停方面，它比普通的電機更穩定、高效，且受電壓和電流的影響較小。本文以24BYJ48步進電機為例，采用C51單片機并通過軟、硬件綜合使用的方式，再通過編程靈活調整輸出脈沖的頻率和占空比，進而可以實現對步進電機運動轉速和精度的控制，滿足不同場合的使用需求。隨著單片機芯片的深入開發，其內存的擴大和程序執行速度的提高等，將會使步進電機的控制朝著更精確、更可靠的方向發展。

參考文獻

[1]潘健，劉夢薇.步進電機控制策略研究[J].現代電子技術，2009（15）：29-31.

[2]王海波，吳曉光.基于AT89S52單片機步進電機控制系統設計[J].機電產品開發與創新，2009（06）：17-19.

[3]熊超美.步進電機的單片機控制硬件系統設計[J].湖南有色金屬，2011（02）：15-17.

[4]汪勇.嵌入式步進電機控制系統的設計與研究[J].煤礦機械，2011（01）：13-15.

〔編輯：曹月〕

摘 要：在機電一體化產品中，步進電機作為運動執行元件，被廣泛地應用在生產加工領域中。然而，隨著工業生產強度的加大，傳統的步進電機在精度和可靠性方面已不能滿足使用需求，因而，需要對步進電機的控制機理加以改善，以提高其精度和運行的可靠性。以24BYJ48四相八步式電機為例，從步進電機的工作原理出發，對通過單片機與軟、硬件結合的方式，對其進行自動化控制系統的方法加以論述，以實現步進電機高精度、高可靠性的運行狀態。

關鍵詞：步進電機；脈沖驅動；自動化；控制系統

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）03-0029-02

在機電產品中，步進電機是實現將電脈沖信號轉換為直線位移或是角位移的電動機。步進電機是通過電脈沖信號觸發工作的數字式伺服執行器件，具有易開環控制、響應速度快、運動步數精準、抗外界干擾能力強等特點，且針對突發情況能迅速啟動或停止，運行可靠性強，因而，在自動化領域，例如數控機床和自動設施等方面，它被廣泛地應用其中。

1 步進電機控制系統方法

與傳統的普通電機相比，步進電機以脈沖信號為驅動控制其角位移位置和方向的變化。它通過環形分配器開關裝置，在功率放大器的作用下將勵磁繞組依次與直流電源相通，進而在空間中形成階躍性跳變的旋轉磁場，驅動轉子步進式轉動，轉子轉速大小受脈沖頻率控制。

由于步進電機工作是以脈沖驅動的形式，因而，可通過現代自動化的控制技術對步進電機的運動規律進行控制?？刂品椒ㄖ饕M式和數字式控制方式：模擬式控制方式，如典型的PLC控制方式，其對電機的控制精度低，且易受外界干擾，因而，它在步進電機中的應用較受限；而數字式控制方式，主要常見于小規模數字電路、單片機電路和特殊用途邏輯控制電路等。小規模數字控制電路設計體積大，所占空間、資源利用率較多，而特殊用途步進電機的開發成本較高，且只限于專用電機的控制，因而，在通用型步進電機自動化控制設計上，一般選擇以單片機為核心處理器，配合使用軟、硬件電路對步進電機的轉子轉速和位移定位進行精確控制。

2 使用單片機實現對步進電機自動化控制

2.1 步進電機的單片機控制原理

日常普遍使用的步進電機分為二相、三相、四相等形式，電機的相數不同，其性能也會有差異，但不管怎樣，它們控制機理卻是互通的，即以脈沖勵磁信號驅動。以24BYJ48步進電機四相八拍驅動為例，其線圈由A，B，C，D四相組成，如圖1所示。通電順序按照A→AB→B→BC規律進行，即實行半步式工作，步距角為5.625°/64，即走64步為360°。在一個脈沖信號的作用下，電機根據通電方向旋轉5.625°，所以，24BYJ48電機的轉動角度取決于脈沖勵磁信號作用。而脈沖信號則是由幅值大小、電源接通和斷開時間（或占空比）組成的，幅值可根據電源電壓進行調整，其

接通和斷開時間可通過單片機延時

作用實現。延時時間的設定要根據

24BYJ48電機所需的工作頻率和所

需轉速共同判斷。其轉動方向與內

部繞組的通電順序密切相關，因而，

可以通過改變其繞組的通電順序實

現電機的正反轉。

2.2 單片機對步進電機的自動化控制

2.2.1 系統框圖

基于前文提到的步進電機的控制機理可知，利用單片機改變輸出的脈沖信號的頻率和電平的正負方向等可以控制24BYJ48步進電機的轉速和旋轉方向。其系統控制電路的主要組成包括單片機主控單元、系統驅動電路、步進電機等，單片機主控單元用以控制輸出脈沖信號的周期和方向，而驅動電路的存在則是因為24BYJ48步進電機驅動電流比較大，單片機輸出接口和步進電機間不能直接連接。步進電機的主要控制系統框架圖如圖2所示。

圖2 控制系統框圖

2.2.2 單片機對24BYJ48步進電機的轉速控制

針對24BYJ48四相八拍式步進電機，采用89C51芯片實現對脈沖信號的頻率和占空比的輸出控制。89C51芯片是帶有4 kB可編程存儲器的耗電低、性能強的8位CMOS微處理器，其可兼容工業標準的MCS—51Z指令集，并支持多種（例如C語言、匯編語言等）編程語言。此外，89C51芯片價格低廉，因而，在進行嵌入式控制系統設計時，它是最為常用的芯片之一。

89C51芯片對24BYJ48步進電機的運動控制可通過軟、硬件相互結合來實現。根據其控制原理，實現對步進電機的轉速控制，實際上是控制其勵磁脈沖信號的頻率或是換相通電的時間。其中，單片機和脈沖分配器（例如8713型號）需要配合使用，脈沖分配器具有單時鐘或雙時鐘輸入方式，且可實現步進電機的正反轉控制、脈沖狀態檢測等功能，其接口配置電路圖如圖3所示。

單片機對24BYJ48步進電機的轉速控制主要表現在以下幾個方面：①利用改變脈沖分配的方式，使24BYJ48步進電機以四相四拍和四相八拍的形式交替工作，從而實現步距角的擴大或縮小，實現不同場合下運動精度的調整。②通過89C51芯片的軟件編程延時來控制接口輸出高低電平的時間間隔，從而改變脈沖信號的頻率和占空比。因為編程人員可任意設定延時時間的長短，所以，利用該方式控制步進電機的運動速度范圍較大，可滿足多種場合的速度要求。③可以利用定時器的計數功能以中斷方式控制脈沖信號的輸出頻率。通過在程序中預設計數值，利用89C51芯片中的定時器對系統晶振脈沖或其他形式的脈沖加以計數處理。當計數值達到程序預設值后，觸發進入中斷程序，改變脈沖信號的高低電平和占空比變化，并將計時器清零，然后再重新計時。這樣一來，便可以實現對24BYJ48步進電機轉速和精度的控制。

2.2.3 步進電機的驅動

在步進電機驅動方式的設計上，一般常選擇全電壓驅動方式，即在步進電機移步或鎖步過程中以額定電壓值加壓。為避免步進電機出現過流現象，且能更好地發揮驅動性能，則需要增加限流電阻元件。在進行限流電阻的選擇時，需考慮到步進電機在進行鎖步動作時，限流電阻會消耗過多的電功率，因而應盡量選取功率容量大的電阻。另外，還可應用高低壓驅動方式，即在電機進行移步時，以額定電壓值為電機供電，以滿足其旋轉所需動力的要求；而在電機進行鎖步動作時，要降低其驅動電壓，從而降低流經電機的繞組線圈的電流，如此一來，也能減少限流電阻所消耗的功率，同時還可以實現電機轉速的提升。

3 結束語

在機電產品中，步進電機的運轉速度和運轉方向是由其驅動脈沖信號決定的，因而，在快速啟動或急停方面，它比普通的電機更穩定、高效，且受電壓和電流的影響較小。本文以24BYJ48步進電機為例，采用C51單片機并通過軟、硬件綜合使用的方式，再通過編程靈活調整輸出脈沖的頻率和占空比，進而可以實現對步進電機運動轉速和精度的控制，滿足不同場合的使用需求。隨著單片機芯片的深入開發，其內存的擴大和程序執行速度的提高等，將會使步進電機的控制朝著更精確、更可靠的方向發展。

參考文獻

[1]潘健，劉夢薇.步進電機控制策略研究[J].現代電子技術，2009（15）：29-31.

[2]王海波，吳曉光.基于AT89S52單片機步進電機控制系統設計[J].機電產品開發與創新，2009（06）：17-19.

[3]熊超美.步進電機的單片機控制硬件系統設計[J].湖南有色金屬，2011（02）：15-17.

[4]汪勇.嵌入式步進電機控制系統的設計與研究[J].煤礦機械，2011（01）：13-15.

〔編輯：曹月〕

摘 要：在機電一體化產品中，步進電機作為運動執行元件，被廣泛地應用在生產加工領域中。然而，隨著工業生產強度的加大，傳統的步進電機在精度和可靠性方面已不能滿足使用需求，因而，需要對步進電機的控制機理加以改善，以提高其精度和運行的可靠性。以24BYJ48四相八步式電機為例，從步進電機的工作原理出發，對通過單片機與軟、硬件結合的方式，對其進行自動化控制系統的方法加以論述，以實現步進電機高精度、高可靠性的運行狀態。

關鍵詞：步進電機；脈沖驅動；自動化；控制系統

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）03-0029-02

在機電產品中，步進電機是實現將電脈沖信號轉換為直線位移或是角位移的電動機。步進電機是通過電脈沖信號觸發工作的數字式伺服執行器件，具有易開環控制、響應速度快、運動步數精準、抗外界干擾能力強等特點，且針對突發情況能迅速啟動或停止，運行可靠性強，因而，在自動化領域，例如數控機床和自動設施等方面，它被廣泛地應用其中。

1 步進電機控制系統方法

與傳統的普通電機相比，步進電機以脈沖信號為驅動控制其角位移位置和方向的變化。它通過環形分配器開關裝置，在功率放大器的作用下將勵磁繞組依次與直流電源相通，進而在空間中形成階躍性跳變的旋轉磁場，驅動轉子步進式轉動，轉子轉速大小受脈沖頻率控制。

由于步進電機工作是以脈沖驅動的形式，因而，可通過現代自動化的控制技術對步進電機的運動規律進行控制?？刂品椒ㄖ饕M式和數字式控制方式：模擬式控制方式，如典型的PLC控制方式，其對電機的控制精度低，且易受外界干擾，因而，它在步進電機中的應用較受限；而數字式控制方式，主要常見于小規模數字電路、單片機電路和特殊用途邏輯控制電路等。小規模數字控制電路設計體積大，所占空間、資源利用率較多，而特殊用途步進電機的開發成本較高，且只限于專用電機的控制，因而，在通用型步進電機自動化控制設計上，一般選擇以單片機為核心處理器，配合使用軟、硬件電路對步進電機的轉子轉速和位移定位進行精確控制。

2 使用單片機實現對步進電機自動化控制

2.1 步進電機的單片機控制原理

日常普遍使用的步進電機分為二相、三相、四相等形式，電機的相數不同，其性能也會有差異，但不管怎樣，它們控制機理卻是互通的，即以脈沖勵磁信號驅動。以24BYJ48步進電機四相八拍驅動為例，其線圈由A，B，C，D四相組成，如圖1所示。通電順序按照A→AB→B→BC規律進行，即實行半步式工作，步距角為5.625°/64，即走64步為360°。在一個脈沖信號的作用下，電機根據通電方向旋轉5.625°，所以，24BYJ48電機的轉動角度取決于脈沖勵磁信號作用。而脈沖信號則是由幅值大小、電源接通和斷開時間（或占空比）組成的，幅值可根據電源電壓進行調整，其

接通和斷開時間可通過單片機延時

作用實現。延時時間的設定要根據

24BYJ48電機所需的工作頻率和所

需轉速共同判斷。其轉動方向與內

部繞組的通電順序密切相關，因而，

可以通過改變其繞組的通電順序實

現電機的正反轉。

2.2 單片機對步進電機的自動化控制

2.2.1 系統框圖

基于前文提到的步進電機的控制機理可知，利用單片機改變輸出的脈沖信號的頻率和電平的正負方向等可以控制24BYJ48步進電機的轉速和旋轉方向。其系統控制電路的主要組成包括單片機主控單元、系統驅動電路、步進電機等，單片機主控單元用以控制輸出脈沖信號的周期和方向，而驅動電路的存在則是因為24BYJ48步進電機驅動電流比較大，單片機輸出接口和步進電機間不能直接連接。步進電機的主要控制系統框架圖如圖2所示。

圖2 控制系統框圖

2.2.2 單片機對24BYJ48步進電機的轉速控制

針對24BYJ48四相八拍式步進電機，采用89C51芯片實現對脈沖信號的頻率和占空比的輸出控制。89C51芯片是帶有4 kB可編程存儲器的耗電低、性能強的8位CMOS微處理器，其可兼容工業標準的MCS—51Z指令集，并支持多種（例如C語言、匯編語言等）編程語言。此外，89C51芯片價格低廉，因而，在進行嵌入式控制系統設計時，它是最為常用的芯片之一。

89C51芯片對24BYJ48步進電機的運動控制可通過軟、硬件相互結合來實現。根據其控制原理，實現對步進電機的轉速控制，實際上是控制其勵磁脈沖信號的頻率或是換相通電的時間。其中，單片機和脈沖分配器（例如8713型號）需要配合使用，脈沖分配器具有單時鐘或雙時鐘輸入方式，且可實現步進電機的正反轉控制、脈沖狀態檢測等功能，其接口配置電路圖如圖3所示。

單片機對24BYJ48步進電機的轉速控制主要表現在以下幾個方面：①利用改變脈沖分配的方式，使24BYJ48步進電機以四相四拍和四相八拍的形式交替工作，從而實現步距角的擴大或縮小，實現不同場合下運動精度的調整。②通過89C51芯片的軟件編程延時來控制接口輸出高低電平的時間間隔，從而改變脈沖信號的頻率和占空比。因為編程人員可任意設定延時時間的長短，所以，利用該方式控制步進電機的運動速度范圍較大，可滿足多種場合的速度要求。③可以利用定時器的計數功能以中斷方式控制脈沖信號的輸出頻率。通過在程序中預設計數值，利用89C51芯片中的定時器對系統晶振脈沖或其他形式的脈沖加以計數處理。當計數值達到程序預設值后，觸發進入中斷程序，改變脈沖信號的高低電平和占空比變化，并將計時器清零，然后再重新計時。這樣一來，便可以實現對24BYJ48步進電機轉速和精度的控制。

2.2.3 步進電機的驅動

在步進電機驅動方式的設計上，一般常選擇全電壓驅動方式，即在步進電機移步或鎖步過程中以額定電壓值加壓。為避免步進電機出現過流現象，且能更好地發揮驅動性能，則需要增加限流電阻元件。在進行限流電阻的選擇時，需考慮到步進電機在進行鎖步動作時，限流電阻會消耗過多的電功率，因而應盡量選取功率容量大的電阻。另外，還可應用高低壓驅動方式，即在電機進行移步時，以額定電壓值為電機供電，以滿足其旋轉所需動力的要求；而在電機進行鎖步動作時，要降低其驅動電壓，從而降低流經電機的繞組線圈的電流，如此一來，也能減少限流電阻所消耗的功率，同時還可以實現電機轉速的提升。

3 結束語

在機電產品中，步進電機的運轉速度和運轉方向是由其驅動脈沖信號決定的，因而，在快速啟動或急停方面，它比普通的電機更穩定、高效，且受電壓和電流的影響較小。本文以24BYJ48步進電機為例，采用C51單片機并通過軟、硬件綜合使用的方式，再通過編程靈活調整輸出脈沖的頻率和占空比，進而可以實現對步進電機運動轉速和精度的控制，滿足不同場合的使用需求。隨著單片機芯片的深入開發，其內存的擴大和程序執行速度的提高等，將會使步進電機的控制朝著更精確、更可靠的方向發展。

參考文獻

[1]潘健，劉夢薇.步進電機控制策略研究[J].現代電子技術，2009（15）：29-31.

[2]王海波，吳曉光.基于AT89S52單片機步進電機控制系統設計[J].機電產品開發與創新，2009（06）：17-19.

[3]熊超美.步進電機的單片機控制硬件系統設計[J].湖南有色金屬，2011（02）：15-17.

[4]汪勇.嵌入式步進電機控制系統的設計與研究[J].煤礦機械，2011（01）：13-15.

〔編輯：曹月〕