基于單片機的步進電機控制系統研究

郭昊坤

（江陰職業技術學院 電子信息工程系，江蘇 江陰 214405）

0 引 言

步進電機又稱脈沖電動機，憑借其定位精度高、使用方便、性價比高、容易控制等優點，在辦公自動化、工廠自動化和計算機外部設備等領域中受到廣泛應用[1,2]，故對其控制系統的研究頗為重要。

本文采用C52單片機[3,4]設計步進電機的控制系統，并使用Protues繪制仿真圖，同時與編程軟件（Keil4）進行聯合調試仿真，仿真結果表明，所設計的步進電機控制系統使用便捷、有效。

1 步進電機簡介

步進電機是一種感應電動機，根據電子電路的原理將直流電變為分時供電、多相時序控制的電流，用分時電流為步進電機供電，使步進電機正常工作，而驅動器就是一種能為其分時供電，多相時序的控制器[5,6]。

步進電機在不超過負載的情況下，其轉速、停止的位置只由脈沖頻率以及脈沖數決定，而負載以外的變化對其無影響，當驅動器接收到一個脈沖信號時，便會驅動步進電機按設定好的方向轉動一個固定的角度（“步距角”），其旋轉按設定方向一步步運行。步進電機通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到精準定位。同時也可通過控制脈沖頻率來控制其速度與加速度，從而達到調速的目的。

2 硬件設計

本文以STC89C52單片機為核心處理器，將按鍵作為輸入模塊，以控制步進電機的正轉、反轉、步進，并實現正反轉。步進電機選用28BYJ-48型四相八拍式步進電機，系統構成如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

由于單片機直接輸出的脈沖信號不大，無法讓步進電機正常工作，因此不能將其直接連接到步進電機上，需要在它們之間加上一個驅動電路。對于直流電流小于0.5 A的步進電機來說，可通過型號為ULN2003A的達林頓芯片來驅動步進電機，從而使其正常工作。ULN2003A系列驅動器的引腳與步進電機連線示意圖如圖2所示。左邊1～7為輸入端，接單片機P2口的輸出端，驅動信號由P2口的P2.0至P2.3輸出，左側10～16為輸出端引腳，接步進電機，引腳9接5 V電源，該驅動器提供的電流最高為0.5 A。

圖2 驅動電路接線圖

鍵盤是由若干按鍵組成的按鍵矩陣，是一種最簡單的單片機輸入設備，通過鍵盤輸入相應數據和指令來實現人對機器的控制，鍵盤電路如圖3所示。

圖3 鍵盤電路圖

本文采用外部中斷的方式。信號輸入部分為P3口，P1口為發光二極管顯示部分，P2口作為電機的驅動部分，整體仿真電路如圖4所示。

圖4 系統整體仿真圖

3 程序設計

系統主程序流程如圖5所示。系統上電復位，對參數進行初始化，然后檢測串口是否發送數據，當確定串口數據發送后程序便調用相應的子程序；如果串口沒有發送數據則程序重新初始化。系統上電復位后，鍵盤初始化并復位，然后進入按鍵查詢，等待操作。當有按鍵按下后，系統開始調用相應的子程序。按鍵程序流程如圖6所示，步進電機工作流程如圖7所示。

圖5 主程序流程圖

圖7 步進電機工作流程圖

圖6 按鍵程序流程圖

4 仿真調試

使用Protues繪制仿真圖，與編程軟件（Keil4）進行聯合調試仿真。當步進電機接收到連續不斷的脈沖信號時，則持續運轉。步進電機的繞組通電狀態每改變一次就會產生一個脈沖信號，轉子也相應轉過一個步距角。當通電狀態結束一個循環時，轉子會轉過一個齒距。四相八拍方式的通電順序為：A相線圈最先通電；然后轉換變為A，B兩相線圈同時通電；接著B相線圈通電；再之后B，C兩相線圈同時通電……（即按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…的順序進行）。當步進電機定子繞組按順序周期性通電時，轉子沿設定方向一步步轉動。步進電機工作波形如圖8所示。

圖8 步進電機工作波形圖

5 結 語

本文采用C52單片機來設計步進電機的控制系統，介紹了其總體方案、主控制模塊、驅動電路、鍵盤、晶振電路模塊等，并使用Protues繪制仿真圖，與編程軟件進行聯合調試仿真，仿真結果表明，所設計的步進電機控制系統正確有效。

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