基于单片机的步进电机控制电路设计研究

（渤海船舶职业学院 辽宁・葫芦岛 125105）

摘 要 步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和成本。本文在选择了合理的电流波形的基础上，提出了基于TSC87C51单片机控制的恒流细分驱动方案，其运行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很强的实用性。

关键词 步进电机控制系统 插补算法 变频调速 软硬件协同仿真

中图分类号：TM383.6 文献标识码：A

1引言

步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。在非超载的情况下，电机的转速、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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。

2硬件设计要求及原理

2.1 设计要求

（1）供电电源：10V～40VDC容量0.03KVA。（2）输出电流：共分0.9A、1.2A、1.5A、1.8A、2.1A、2.4A、2.7A、3.0A8档可选，以配合不同电机使用。（3）驱动方式：恒相流PWM控制。（4）细分选择：整步、半步、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分的七种细分模式可选。（5）自动半电流：若上位机在半秒中内没有发出步进脉冲，驱动器自动进入节电的半电流运行模式。

2.2 电气接口要求

2.2.1 输入信号

脉冲信号输入：脉冲信号，5mA～12mA，高电平+5V电平，脉冲信号，最高频率为70KHz。方向信号输入：高、低电平，5mA～12mA，高电平+5V。脱机信号输入：高、低电平，5mA～12mA，高电平+5V。公共端输入：+5V电源。

2.2.2 输出信号

两相步进电机绕组接口：绕组A接：A+，A-;绕组B接：B+，B-。

2.3 硬件设计原理

系统采用TSC87C51单片机接收命令，并将输入命令进行综合处理，控制二相步进电机正反转、运行速度、单次运行线位移、以及启停等的控制;既可由键盘输入，也可通过与上位机的串行通信口由上位机设置。单片机主要功能是输出EEPROM中存储的细分电流控制信号进行D/A转换。根据转换精度的要求，本控制系统选用的是8位双通道的TCL7528转换器。

单片机接收的信号有上位机的命令信号、手动输入细分模式编码信号。输出信号有电流细分控制信号，步进电机运行控制信号。细分模式编码由拨码开关S1的1，2，3开关人工设定，共有8种细分模式可选，单片机P1口为细分模式编码输入I/O口。上位机的命令信号由单片机的中断INT0、INT1和P3.4接收。其中INT0与脉冲信号对应，INT1与方向信号对应，P3.4与脱机信号对应。单片机P0口输出8位数据是与细分电流相对应的。P0口8位数据输出给D/A转换器TLC7528数据输入端，对工作电流进行分割，以控制每级细分电流大小。

3软件设计

3.1 控制脉冲的设计

根据PX243四拍驱动时序图，得P0.0～P0.3引脚输出控制脉冲时序图。任一连续四个脉冲组成一个周期时间为T，其中一个脉冲的时间为ts，步进电机转过1.8度。改变脉冲输出顺序即可改变电机的转向，改变ts即可改变其转速。

本次设计是利用AT89C51内部的定时器0来对ts实现精确控制，并且采用中断方式提高了单片机的工作效率。该设计为循环中断过程，每进入一次中断：

P0赋值一次，即可改变脉冲一次;TH0，TL0赋值，即可改变ts值，从而精确控制电机转速;这边引入变量i，可看成是脉冲数。200个脉冲为一圈，给i赋值即可控制电机转的圈数;判断dir的值，给P0赋不同的值，可控制电机转向。

3.2 定时中断子程序编写

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

4结语

本文提出并实现的步进电机均匀细分驱动器，最高细分达到64，能适应大多数中小微型步进电机的可变细分控制、较高细分步距角精度、及平滑运行等要求。细分驱动器的系统功能完善，大量新型元器件的采用，使所设计的驱动器具有体积小、细分精度高、运行功耗低、可靠性高、可维护性强等特点。系统软件功能丰富，通用性强，从而使控制系统更加灵活，具有很高的推广价值和广阔的应用前景。

参考文献

[1] 刘宝志. 步进电机的精确控制方法研究[D].山东大学，2010.

[2] 高军礼，卢卓权. 步进电机一体化控制系统的设计[J]. 微计算机信息，2007，10：69-70，73.