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AT89C52单片机控制的步进电机驱动设计

2024-07-08 36 上传者：管理员

摘要：为实现步进电机在生产应用中的精确控制、防止控制“失步”，并能够根据需求对电机工作状态灵活变动以提升生产效率和质量，本文设计四相步进电机的控制系统。该系统利用电路设计及单片机程序控制，以模拟试验的形式，先对控制电路进行线路设计，然后利用AT89C52单片机进行电机驱动控制的程序编写，具有良好的实用性和便捷性。

关键词：
信息化
单片机
四相步进电机
工业智能化
驱动控制
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1、引言

随着工业智能化发展的进步，利用信息化手段控制步进电机使其满足工业生产的要求已逐渐成为各大企业在技术革新、效益增长方面的共同目标。由于步进电机不同于一般传统意义上的直流电机与交流电机，无法直接使用直流或交流电进行带动，需要使用专用的步进电机驱动器，通过直流电流经电路，转换为双环脉冲信号后，才能带动电机转动。因此，在逻辑控制和电路设计上有着非常严格的设计要求，但目前很多的步进电机产品存在生产精度误差大、控制“失步”、电路设计不合理等问题，这也在一定程度上影响了企业的产品质量和生产水平[1]。

为实现电机的精准控制、防止“失步”，实现电机的灵活工作状态，本文根据步进电机所具有的专项特性，以常见的电机控制需求出发，对步进电机的驱动及控制线路进行设计，并利用AT89C52单片机对电路和电机实施精准控制，在提高工作系统可靠性的同时，还能够降低电路结构的设计成本，从而提高生产效率和生产价值，具有十分广阔的应用前景。

2、步进电机工作原理

对于步进电机的转动，可将步进电机所旋转一圈的角度平均分为多个单相步进动作。每进行一次动作，就转动一定的角度，进而形成连贯动作，完成电机一圈的转动，之后通过连续的循环输出，进而形成电机的连续工作状态[2]。目前，市面上所有步进电机的工作原理基本都是相同的，因此，本文以四相步进电机为例进行说明。

四相步进电机的内部结构示意如图1所示，内部设置有4组定子绕组，分别为A、B、C、D，每组绕组的一端（A1、B1、C1、D1）分别独立连接正极端子，绕组的另一端（A2、B2、C2、D2）则并联接地。而电机中心的转子则使用永磁材料制作而成，并与定子绕组呈一定的角度差[3]。

图1四相步进电机内部结构

当步进电机开始进行工作时，电机内部的定子绕组会根据旋转方向交替通电导通，产生磁场，从而带动转子旋转。以转子逆时针旋转为例，具体工作流程如下：（1）电流流经A绕组，从A1端流入，从A2端流出，此时，A1和A2两端的线圈导通，产生电磁场，从而对离自身最近的转子极（1和4）产生很强的吸引力。在磁力不断的吸引下，转子的1和4极分别转向A1和A2，并最终与A绕组的两个端子对齐。在转子1、4位置到位后，其余的定子绕组和转子并不工作，且相互之间的相对位置为错开状态，均呈一定的相对角度结构。（2）当A绕组将转子的1和4极吸引到位后，定子绕组A处的电流被断开，开始向定子绕组B输送电流。同样在电磁感应的作用下，定子绕组B上的两个端子也产生相对的磁场力，并不断吸引转子2和5向绕组B的两端对齐，并最终达到对齐状态。（3）当B绕组将转子的2和5极吸引到位后，又将断开定子绕组B的电流，再向定子绕组C的电流接通。此时，在C绕组两端磁力的作用下，转子的3和6极向其对齐。（4）当C绕组将转子的3和6极吸引到位后，再断开绕组C的电流，再向定子绕组D通电，绕组D两端产生磁力，又不断吸引转子1、4向其对齐。（5）之后，重新开始对绕组A通电。因此，只需按照A→B→C→D→A→⋯的顺序不间断地为电机供电，就能对步进电机进行逆时针旋转控制。如果需要进行顺时针控制，则只需把通电顺序改为A→D→C→B→A→⋯即可实现。

将这种单项交替变化的控制形式称为四相单拍控制。但由于这种单相交替变化的控制形式，很容易在绕组交替导通的瞬间出现转子失控的问题，因此，目前主流都采取了四相双拍的控制策略，如AB→BC→CD→DA→AB→⋯。这种形式的控制能够确保不会出现两相交替时的转子失控问题。具体控制顺序如表1所示。

表1四相双拍控制逻辑表

虽然上述有很多种关于步进电机的控制方式，但是所有的控制策略都有一个共同点，即所有的控制策略在完成一个循环的定子绕组通电过程后，转子所转过的角度均为一个齿距角[4]。根据公式（1）可知：°

其中，θ为齿距角，n为定子绕组数乘2。

对于四相步进电机，其一个电流绕组循环后，定子所旋转过的角度即为45°，因此，步进电机的转速，可以直接通过电频变化速率来表示，同时只要改变步进电机控制器的角频率，就可以实现改变电机的转动速率的目的。

3、步进电机控制系统

由于双环脉冲信号的响应速度快，信号精准，容易控制，因此步进电机具有快速启动和快速停止的优点[5]。在指令发送的同时，几乎可以看到电机的动作，基本不存在太多的延时。同理，在指令停止后，电机也会几乎同时静止，因此能够通过程序设计对电机运动进行精确的动作控制，并降低电机运动的误差值。此外，由于脉冲信号可以通过电子电路轻松实现正向和反向两种数字信号，因此可以通过程序指令，在直流电流条件下轻松实现步进电机的正反转变化，并且不会对电机造成过大的负荷损坏[6]。另外，电机由数字信号指令脉冲进行工作，步进电机脉冲电源控制器的电压信号变化或者波动并不会对电机工作造成太大影响，依然可以按照既有转速和步距进行工作[7]。

此外，相对于传统的步进电机控制形式，当前流行使用单片机对步进电机进行策略控制。其主要原因在于，使用单片机控制的成本相对更低，且非常灵活多变，通过步进电机这种转动控制方式，能够接收由电流转换成的数字信号，并经过步进电机内部数字信号的处理和输出，实现对电机运动速度、角度和位移的精准控制[8]。因此这是一种高效、低廉的控制方法，进而受到广泛使用。

现以单片机作为脉冲发生信号的核心，以四相步进电机为例，进行简单的控制设计。这种控制的优势在于使用单片机所设计的控制策略可进行多次的擦除再利用，进而达到不断更新和生产需求的目的。另一方面，使用单片机控制，后期的修改参数手段也十分便捷，并不需要花费过多的资金成本，具有一定的实际生产意义。

由单片机为核心所设计成的步进电机脉冲控制系统主要分为硬件和软件两大部分。

3.1硬件设计

硬件设计电路具体如图2所示。以单片机作为电路设计的核心，同时选用Atmel公司出厂的AT89C52单片机作为脉冲控制器。该单片机具有能耗低、具有8K的可编程Flash存储器，和8位CPU，满足一般程序存储要求、并且具有价格低廉，结构简单的特点[9]。

这款单片机具有4组8位通讯接口，且有一组为双通道进出通讯接口，因此能够满足电机当下的控制要求以及后续的扩展需求。在单片机结构上，其控制核心CPU由运算计算器及控制器组成。运算计算器主要用于算术、逻辑判断以及不同的位转换操作；而控制器则用于进出的数字信号的识别判断，并根据信号内容对单片机的各个执行部件进行指令控制，以实现控制要求。

对于本型号单片机，其电源能量仅需+5V的电压即可，但对于步进电机的功率需求却远大于单片机的功率要求，因此，仅仅依靠单片机的脉冲信号，并不能直接驱动步进电机运动[10]。因此，需要外设步进电机驱动电路，以控制电机工作。选用L298芯片作为驱动芯片。相对于传统的驱动芯片，L298能够承载最高35V电压，有助于为电机提供更强的驱动电流，同时输入与输出信号的延迟小，能保持几乎通频率工作。具体电路如图2所示。

图2电机驱动电路

在按键控制方面，设计电路如图3所示。此设计有启动、终止、顺时针转、逆时针转、加速、减速的功能。同时，为了防止信号干扰导致的误触发，在每个开关键都并联一个上拉电阻，从而实现电机的精确控制。

图3按键控制电路

3.2软件设计

软件部分主要分为输入信号的确定和电机控制过程两部分。在通过按键进行信号输入的过程中，还需通过程序进行降噪和去干扰，以确认正反转控制信号的判断，并防止干扰信号导致的误操作故障。

图4主函数流程图

对于输入信号的降噪和去干扰手段，主要是通过程序对信号进行一定的延时操作，拉长信号宽度，以确定是否为干扰信号，防止接收错误信号。当确定为控制信号时，则需要接收信号并对信号进行再处理，进而分析控制信号是正转指令信号还是反转指令信号，并根据信号指令进行下一步的电机控制工作。具体主函数流程如图4所示。

具体程序代码实现如下：

(1）定义变量：

Flag：位类型，表示是否开始运行。

A：无符号字符类型，表示电机的转动方向。

T：无符号字符类型，表示延时时间。

tab1：无符号字符类型的常量数组，表示正转时的控制信号。

tab2：无符号字符类型的常量数组，表示反转时的控制信号。

(2）定义函数：

delay(ms)：延时函数，参数为延时时间（毫秒）。

keyscan()：按键扫描函数，用于检测按键输入并根据输入进行相应操作。

time0＿init()：定时器T0初始化函数，用于设置定时器T0的工作方式和初值。

time0()中断函数：定时器T0中断服务函数，用于定时调用keyscan()函数。

(3）主函数main()：

3.3系统调试

通过对程序进行调试，单片机对于步进电机的速度控制结果如表2所示。

表2速度等级对应的电机控制脉冲频率

将表2中的数值进行散点标记。从表2可以看出，电机的转速控制几乎成线性变化，因此具有良好的线性变化。此外，只需要改变程序中加速和减速控制中的常数值，则可扩大电机的转速控制范围，并进一步细化电机控制等级，提升电机控制精度，因此在电机改造和调整方面也十分便捷。

图5电机控制散点图

4、总结

本文所设计的步进电机控制系统结构简单，程序简洁，易于维护和调整。此外，可直接连接外部控制器进行多样的电路功能组合，以实现步进电机的多种工作需求，具有显著的实用性和便捷性。

参考文献:

[1]蔡娜,秦刚,张和铭,张河斌.步进电机速度控制技术研究.电子测量技术,2021, 44(15):84-88

[2]陈虹丽,马国豪,李强.基于单片机的步进电机升降速并行控制.实验技术与管理,2018,35(07):83-85

[3]杨鉴.基于AT89C52单片机的两坐标步进电机控制系统设计.湖南工业职业技术学院学报, 2021,21(04):17-19,39

[4]吕颖利,赵会娟.基于单片机的步进电机控制系统研究.南方农机,2022,53(08):132-134

[5]彭震,毕超.驱动模式对步进电机转矩和噪音的分析.微电机,2019,52(04):27-31

[6]马清艳.两相式混合步进电机速度和位移控制案例设计.机械工程与自动化, 2024(01):8-10

[7]张曼玲,汪钊旭,穆旭阳,蒋政.基于单片机的步进电机控制系统探究.机电产品开发与创新, 2023,36(03):133-135,145

[8]罗志远,张尤隆,李耀鑫.简单的步进电机控制系统.机电工程技术,2019,48(4):163-165

[9]李瑾,杨昌永.基于51单片机的步进电机调速控制风扇系统设计.机械工程与自动化, 2023(02):173-175,178

[10]杜冬梅.51单片机下的步进电机控制系统研究.电子世界,2021(11):15-16

文章来源:肖丽佳.AT89C52单片机控制的步进电机驱动设计[J].福建电脑,2024,40(07):96-99.

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国际刊号：1673-2782

国内刊号：35-1115/TP

创刊时间：1985年

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