步进电机自动化控制系统

张玉勇

摘 要：在机电一体化产品中，步进电机作为运动执行元件，被广泛地应用在生产加工领域中。然而，随着工业生产强度的加大，传统的步进电机在精度和可靠性方面已不能满足使用需求，因而，需要对步进电机的控制机理加以改善，以提高其精度和运行的可靠性。以24BYJ48四相八步式电机为例，从步进电机的工作原理出发，对通过单片机与软、硬件结合的方式，对其进行自动化控制系统的方法加以论述，以实现步进电机高精度、高可靠性的运行状态。

关键词：步进电机；脉冲驱动；自动化；控制系统

中图分类号：TM383.6 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）03-0029-02

在机电产品中，步进电机是实现将电脉冲信号转换为直线位移或是角位移的电动机。步进电机是通过电脉冲信号触发工作的数字式伺服执行器件，具有易开环控制、响应速度快、运动步数精准、抗外界干扰能力强等特点，且针对突发情况能迅速启动或停止，运行可靠性强，因而，在自动化领域，例如数控机床和自动设施等方面，它被广泛地应用其中。

1 步进电机控制系统方法

与传统的普通电机相比，步进电机以脉冲信号为驱动控制其角位移位置和方向的变化。它通过环形分配器开关装置，在功率放大器的作用下将励磁绕组依次与直流电源相通，进而在空间中形成阶跃性跳变的旋转磁场，驱动转子步进式转动，转子转速大小受脉冲频率控制。

由于步进电机工作是以脉冲驱动的形式，因而，可通过现代自动化的控制技术对步进电机的运动规律进行控制。控制方法主要包括模拟式和数字式控制方式：模拟式控制方式，如典型的PLC控制方式，其对电机的控制精度低，且易受外界干扰，因而，它在步进电机中的应用较受限；而数字式控制方式，主要常见于小规模数字电路、单片机电路和特殊用途逻辑控制电路等。小规模数字控制电路设计体积大，所占空间、资源利用率较多，而特殊用途步进电机的开发成本较高，且只限于专用电机的控制，因而，在通用型步进电机自动化控制设计上，一般选择以单片机为核心处理器，配合使用软、硬件电路对步进电机的转子转速和位移定位进行精确控制。

2 使用单片机实现对步进电机自动化控制

2.1 步进电机的单片机控制原理

日常普遍使用的步进电机分为二相、三相、四相等形式，电机的相数不同，其性能也会有差异，但不管怎样，它们控制机理却是互通的，即以脉冲励磁信号驱动。以24BYJ48步进电机四相八拍驱动为例，其线圈由A，B，C，D四相组成，如图1所示。通电顺序按照A→AB→B→BC规律进行，即实行半步式工作，步距角为5.625°/64，即走64步为360°。在一个脉冲信号的作用下，电机根据通电方向旋转5.625°，所以，24BYJ48电机的转动角度取决于脉冲励磁信号作用。而脉冲信号则是由幅值大小、电源接通和断开时间（或占空比）组成的，幅值可根据电源电压进行调整，其

接通和断开时间可通过单片机延时

作用实现。延时时间的设定要根据

24BYJ48电机所需的工作频率和所

需转速共同判断。其转动方向与内

部绕组的通电顺序密切相关，因而，

可以通过改变其绕组的通电顺序实

现电机的正反转。

2.2 单片机对步进电机的自动化控制

2.2.1 系统框图

基于前文提到的步进电机的控制机理可知，利用单片机改变输出的脉冲信号的频率和电平的正负方向等可以控制24BYJ48步进电机的转速和旋转方向。其系统控制电路的主要组成包括单片机主控单元、系统驱动电路、步进电机等，单片机主控单元用以控制输出脉冲信号的周期和方向，而驱动电路的存在则是因为24BYJ48步进电机驱动电流比较大，单片机输出接口和步进电机间不能直接连接。步进电机的主要控制系统框架图如图2所示。

图2 控制系统框图

2.2.2 单片机对24BYJ48步进电机的转速控制

针对24BYJ48四相八拍式步进电机，采用89C51芯片实现对脉冲信号的频率和占空比的输出控制。89C51芯片是带有4 kB可编程存储器的耗电低、性能强的8位CMOS微处理器，其可兼容工业标准的MCS—51Z指令集，并支持多种（例如C语言、汇编语言等）编程语言。此外，89C51芯片价格低廉，因而，在进行嵌入式控制系统设计时，它是最为常用的芯片之一。

89C51芯片对24BYJ48步进电机的运动控制可通过软、硬件相互结合来实现。根据其控制原理，实现对步进电机的转速控制，实际上是控制其励磁脉冲信号的频率或是换相通电的时间。其中，单片机和脉冲分配器（例如8713型号）需要配合使用，脉冲分配器具有单时钟或双时钟输入方式，且可实现步进电机的正反转控制、脉冲状态检测等功能，其接口配置电路图如图3所示。

单片机对24BYJ48步进电机的转速控制主要表现在以下几个方面：①利用改变脉冲分配的方式，使24BYJ48步进电机以四相四拍和四相八拍的形式交替工作，从而实现步距角的扩大或缩小，实现不同场合下运动精度的调整。②通过89C51芯片的软件编程延时来控制接口输出高低电平的时间间隔，从而改变脉冲信号的频率和占空比。因为编程人员可任意设定延时时间的长短，所以，利用该方式控制步进电机的运动速度范围较大，可满足多种场合的速度要求。③可以利用定时器的计数功能以中断方式控制脉冲信号的输出频率。通过在程序中预设计数值，利用89C51芯片中的定时器对系统晶振脉冲或其他形式的脉冲加以计数处理。当计数值达到程序预设值后，触发进入中断程序，改变脉冲信号的高低电平和占空比变化，并将计时器清零，然后再重新计时。这样一来，便可以实现对24BYJ48步进电机转速和精度的控制。

2.2.3 步进电机的驱动

在步进电机驱动方式的设计上，一般常选择全电压驱动方式，即在步进电机移步或锁步过程中以额定电压值加压。为避免步进电机出现过流现象，且能更好地发挥驱动性能，则需要增加限流电阻元件。在进行限流电阻的选择时，需考虑到步进电机在进行锁步动作时，限流电阻会消耗过多的电功率，因而应尽量选取功率容量大的电阻。另外，还可应用高低压驱动方式，即在电机进行移步时，以额定电压值为电机供电，以满足其旋转所需动力的要求；而在电机进行锁步动作时，要降低其驱动电压，从而降低流经电机的绕组线圈的电流，如此一来，也能减少限流电阻所消耗的功率，同时还可以实现电机转速的提升。

3 结束语

在机电产品中，步进电机的运转速度和运转方向是由其驱动脉冲信号决定的，因而，在快速启动或急停方面，它比普通的电机更稳定、高效，且受电压和电流的影响较小。本文以24BYJ48步进电机为例，采用C51单片机并通过软、硬件综合使用的方式，再通过编程灵活调整输出脉冲的频率和占空比，进而可以实现对步进电机运动转速和精度的控制，满足不同场合的使用需求。随着单片机芯片的深入开发，其内存的扩大和程序执行速度的提高等，将会使步进电机的控制朝着更精确、更可靠的方向发展。

参考文献

[1]潘健，刘梦薇.步进电机控制策略研究[J].现代电子技术，2009（15）：29-31.

[2]王海波，吴晓光.基于AT89S52单片机步进电机控制系统设计[J].机电产品开发与创新，2009（06）：17-19.

[3]熊超美.步进电机的单片机控制硬件系统设计[J].湖南有色金属，2011（02）：15-17.

[4]汪勇.嵌入式步进电机控制系统的设计与研究[J].煤矿机械，2011（01）：13-15.

〔编辑：曹月〕

摘 要：在机电一体化产品中，步进电机作为运动执行元件，被广泛地应用在生产加工领域中。然而，随着工业生产强度的加大，传统的步进电机在精度和可靠性方面已不能满足使用需求，因而，需要对步进电机的控制机理加以改善，以提高其精度和运行的可靠性。以24BYJ48四相八步式电机为例，从步进电机的工作原理出发，对通过单片机与软、硬件结合的方式，对其进行自动化控制系统的方法加以论述，以实现步进电机高精度、高可靠性的运行状态。

关键词：步进电机；脉冲驱动；自动化；控制系统

中图分类号：TM383.6 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）03-0029-02

在机电产品中，步进电机是实现将电脉冲信号转换为直线位移或是角位移的电动机。步进电机是通过电脉冲信号触发工作的数字式伺服执行器件，具有易开环控制、响应速度快、运动步数精准、抗外界干扰能力强等特点，且针对突发情况能迅速启动或停止，运行可靠性强，因而，在自动化领域，例如数控机床和自动设施等方面，它被广泛地应用其中。

1 步进电机控制系统方法

与传统的普通电机相比，步进电机以脉冲信号为驱动控制其角位移位置和方向的变化。它通过环形分配器开关装置，在功率放大器的作用下将励磁绕组依次与直流电源相通，进而在空间中形成阶跃性跳变的旋转磁场，驱动转子步进式转动，转子转速大小受脉冲频率控制。

由于步进电机工作是以脉冲驱动的形式，因而，可通过现代自动化的控制技术对步进电机的运动规律进行控制。控制方法主要包括模拟式和数字式控制方式：模拟式控制方式，如典型的PLC控制方式，其对电机的控制精度低，且易受外界干扰，因而，它在步进电机中的应用较受限；而数字式控制方式，主要常见于小规模数字电路、单片机电路和特殊用途逻辑控制电路等。小规模数字控制电路设计体积大，所占空间、资源利用率较多，而特殊用途步进电机的开发成本较高，且只限于专用电机的控制，因而，在通用型步进电机自动化控制设计上，一般选择以单片机为核心处理器，配合使用软、硬件电路对步进电机的转子转速和位移定位进行精确控制。

2 使用单片机实现对步进电机自动化控制

2.1 步进电机的单片机控制原理

日常普遍使用的步进电机分为二相、三相、四相等形式，电机的相数不同，其性能也会有差异，但不管怎样，它们控制机理却是互通的，即以脉冲励磁信号驱动。以24BYJ48步进电机四相八拍驱动为例，其线圈由A，B，C，D四相组成，如图1所示。通电顺序按照A→AB→B→BC规律进行，即实行半步式工作，步距角为5.625°/64，即走64步为360°。在一个脉冲信号的作用下，电机根据通电方向旋转5.625°，所以，24BYJ48电机的转动角度取决于脉冲励磁信号作用。而脉冲信号则是由幅值大小、电源接通和断开时间（或占空比）组成的，幅值可根据电源电压进行调整，其

接通和断开时间可通过单片机延时

作用实现。延时时间的设定要根据

24BYJ48电机所需的工作频率和所

需转速共同判断。其转动方向与内

部绕组的通电顺序密切相关，因而，

可以通过改变其绕组的通电顺序实

现电机的正反转。

2.2 单片机对步进电机的自动化控制

2.2.1 系统框图

基于前文提到的步进电机的控制机理可知，利用单片机改变输出的脉冲信号的频率和电平的正负方向等可以控制24BYJ48步进电机的转速和旋转方向。其系统控制电路的主要组成包括单片机主控单元、系统驱动电路、步进电机等，单片机主控单元用以控制输出脉冲信号的周期和方向，而驱动电路的存在则是因为24BYJ48步进电机驱动电流比较大，单片机输出接口和步进电机间不能直接连接。步进电机的主要控制系统框架图如图2所示。

图2 控制系统框图

2.2.2 单片机对24BYJ48步进电机的转速控制

针对24BYJ48四相八拍式步进电机，采用89C51芯片实现对脉冲信号的频率和占空比的输出控制。89C51芯片是带有4 kB可编程存储器的耗电低、性能强的8位CMOS微处理器，其可兼容工业标准的MCS—51Z指令集，并支持多种（例如C语言、汇编语言等）编程语言。此外，89C51芯片价格低廉，因而，在进行嵌入式控制系统设计时，它是最为常用的芯片之一。

89C51芯片对24BYJ48步进电机的运动控制可通过软、硬件相互结合来实现。根据其控制原理，实现对步进电机的转速控制，实际上是控制其励磁脉冲信号的频率或是换相通电的时间。其中，单片机和脉冲分配器（例如8713型号）需要配合使用，脉冲分配器具有单时钟或双时钟输入方式，且可实现步进电机的正反转控制、脉冲状态检测等功能，其接口配置电路图如图3所示。

单片机对24BYJ48步进电机的转速控制主要表现在以下几个方面：①利用改变脉冲分配的方式，使24BYJ48步进电机以四相四拍和四相八拍的形式交替工作，从而实现步距角的扩大或缩小，实现不同场合下运动精度的调整。②通过89C51芯片的软件编程延时来控制接口输出高低电平的时间间隔，从而改变脉冲信号的频率和占空比。因为编程人员可任意设定延时时间的长短，所以，利用该方式控制步进电机的运动速度范围较大，可满足多种场合的速度要求。③可以利用定时器的计数功能以中断方式控制脉冲信号的输出频率。通过在程序中预设计数值，利用89C51芯片中的定时器对系统晶振脉冲或其他形式的脉冲加以计数处理。当计数值达到程序预设值后，触发进入中断程序，改变脉冲信号的高低电平和占空比变化，并将计时器清零，然后再重新计时。这样一来，便可以实现对24BYJ48步进电机转速和精度的控制。

2.2.3 步进电机的驱动

在步进电机驱动方式的设计上，一般常选择全电压驱动方式，即在步进电机移步或锁步过程中以额定电压值加压。为避免步进电机出现过流现象，且能更好地发挥驱动性能，则需要增加限流电阻元件。在进行限流电阻的选择时，需考虑到步进电机在进行锁步动作时，限流电阻会消耗过多的电功率，因而应尽量选取功率容量大的电阻。另外，还可应用高低压驱动方式，即在电机进行移步时，以额定电压值为电机供电，以满足其旋转所需动力的要求；而在电机进行锁步动作时，要降低其驱动电压，从而降低流经电机的绕组线圈的电流，如此一来，也能减少限流电阻所消耗的功率，同时还可以实现电机转速的提升。

3 结束语

在机电产品中，步进电机的运转速度和运转方向是由其驱动脉冲信号决定的，因而，在快速启动或急停方面，它比普通的电机更稳定、高效，且受电压和电流的影响较小。本文以24BYJ48步进电机为例，采用C51单片机并通过软、硬件综合使用的方式，再通过编程灵活调整输出脉冲的频率和占空比，进而可以实现对步进电机运动转速和精度的控制，满足不同场合的使用需求。随着单片机芯片的深入开发，其内存的扩大和程序执行速度的提高等，将会使步进电机的控制朝着更精确、更可靠的方向发展。

参考文献

[1]潘健，刘梦薇.步进电机控制策略研究[J].现代电子技术，2009（15）：29-31.

[2]王海波，吴晓光.基于AT89S52单片机步进电机控制系统设计[J].机电产品开发与创新，2009（06）：17-19.

[3]熊超美.步进电机的单片机控制硬件系统设计[J].湖南有色金属，2011（02）：15-17.

[4]汪勇.嵌入式步进电机控制系统的设计与研究[J].煤矿机械，2011（01）：13-15.

〔编辑：曹月〕

摘 要：在机电一体化产品中，步进电机作为运动执行元件，被广泛地应用在生产加工领域中。然而，随着工业生产强度的加大，传统的步进电机在精度和可靠性方面已不能满足使用需求，因而，需要对步进电机的控制机理加以改善，以提高其精度和运行的可靠性。以24BYJ48四相八步式电机为例，从步进电机的工作原理出发，对通过单片机与软、硬件结合的方式，对其进行自动化控制系统的方法加以论述，以实现步进电机高精度、高可靠性的运行状态。

关键词：步进电机；脉冲驱动；自动化；控制系统

中图分类号：TM383.6 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）03-0029-02

在机电产品中，步进电机是实现将电脉冲信号转换为直线位移或是角位移的电动机。步进电机是通过电脉冲信号触发工作的数字式伺服执行器件，具有易开环控制、响应速度快、运动步数精准、抗外界干扰能力强等特点，且针对突发情况能迅速启动或停止，运行可靠性强，因而，在自动化领域，例如数控机床和自动设施等方面，它被广泛地应用其中。

1 步进电机控制系统方法

与传统的普通电机相比，步进电机以脉冲信号为驱动控制其角位移位置和方向的变化。它通过环形分配器开关装置，在功率放大器的作用下将励磁绕组依次与直流电源相通，进而在空间中形成阶跃性跳变的旋转磁场，驱动转子步进式转动，转子转速大小受脉冲频率控制。

由于步进电机工作是以脉冲驱动的形式，因而，可通过现代自动化的控制技术对步进电机的运动规律进行控制。控制方法主要包括模拟式和数字式控制方式：模拟式控制方式，如典型的PLC控制方式，其对电机的控制精度低，且易受外界干扰，因而，它在步进电机中的应用较受限；而数字式控制方式，主要常见于小规模数字电路、单片机电路和特殊用途逻辑控制电路等。小规模数字控制电路设计体积大，所占空间、资源利用率较多，而特殊用途步进电机的开发成本较高，且只限于专用电机的控制，因而，在通用型步进电机自动化控制设计上，一般选择以单片机为核心处理器，配合使用软、硬件电路对步进电机的转子转速和位移定位进行精确控制。

2 使用单片机实现对步进电机自动化控制

2.1 步进电机的单片机控制原理

日常普遍使用的步进电机分为二相、三相、四相等形式，电机的相数不同，其性能也会有差异，但不管怎样，它们控制机理却是互通的，即以脉冲励磁信号驱动。以24BYJ48步进电机四相八拍驱动为例，其线圈由A，B，C，D四相组成，如图1所示。通电顺序按照A→AB→B→BC规律进行，即实行半步式工作，步距角为5.625°/64，即走64步为360°。在一个脉冲信号的作用下，电机根据通电方向旋转5.625°，所以，24BYJ48电机的转动角度取决于脉冲励磁信号作用。而脉冲信号则是由幅值大小、电源接通和断开时间（或占空比）组成的，幅值可根据电源电压进行调整，其

接通和断开时间可通过单片机延时

作用实现。延时时间的设定要根据

24BYJ48电机所需的工作频率和所

需转速共同判断。其转动方向与内

部绕组的通电顺序密切相关，因而，

可以通过改变其绕组的通电顺序实

现电机的正反转。

2.2 单片机对步进电机的自动化控制

2.2.1 系统框图

基于前文提到的步进电机的控制机理可知，利用单片机改变输出的脉冲信号的频率和电平的正负方向等可以控制24BYJ48步进电机的转速和旋转方向。其系统控制电路的主要组成包括单片机主控单元、系统驱动电路、步进电机等，单片机主控单元用以控制输出脉冲信号的周期和方向，而驱动电路的存在则是因为24BYJ48步进电机驱动电流比较大，单片机输出接口和步进电机间不能直接连接。步进电机的主要控制系统框架图如图2所示。

图2 控制系统框图

2.2.2 单片机对24BYJ48步进电机的转速控制

针对24BYJ48四相八拍式步进电机，采用89C51芯片实现对脉冲信号的频率和占空比的输出控制。89C51芯片是带有4 kB可编程存储器的耗电低、性能强的8位CMOS微处理器，其可兼容工业标准的MCS—51Z指令集，并支持多种（例如C语言、汇编语言等）编程语言。此外，89C51芯片价格低廉，因而，在进行嵌入式控制系统设计时，它是最为常用的芯片之一。

89C51芯片对24BYJ48步进电机的运动控制可通过软、硬件相互结合来实现。根据其控制原理，实现对步进电机的转速控制，实际上是控制其励磁脉冲信号的频率或是换相通电的时间。其中，单片机和脉冲分配器（例如8713型号）需要配合使用，脉冲分配器具有单时钟或双时钟输入方式，且可实现步进电机的正反转控制、脉冲状态检测等功能，其接口配置电路图如图3所示。

单片机对24BYJ48步进电机的转速控制主要表现在以下几个方面：①利用改变脉冲分配的方式，使24BYJ48步进电机以四相四拍和四相八拍的形式交替工作，从而实现步距角的扩大或缩小，实现不同场合下运动精度的调整。②通过89C51芯片的软件编程延时来控制接口输出高低电平的时间间隔，从而改变脉冲信号的频率和占空比。因为编程人员可任意设定延时时间的长短，所以，利用该方式控制步进电机的运动速度范围较大，可满足多种场合的速度要求。③可以利用定时器的计数功能以中断方式控制脉冲信号的输出频率。通过在程序中预设计数值，利用89C51芯片中的定时器对系统晶振脉冲或其他形式的脉冲加以计数处理。当计数值达到程序预设值后，触发进入中断程序，改变脉冲信号的高低电平和占空比变化，并将计时器清零，然后再重新计时。这样一来，便可以实现对24BYJ48步进电机转速和精度的控制。

2.2.3 步进电机的驱动

在步进电机驱动方式的设计上，一般常选择全电压驱动方式，即在步进电机移步或锁步过程中以额定电压值加压。为避免步进电机出现过流现象，且能更好地发挥驱动性能，则需要增加限流电阻元件。在进行限流电阻的选择时，需考虑到步进电机在进行锁步动作时，限流电阻会消耗过多的电功率，因而应尽量选取功率容量大的电阻。另外，还可应用高低压驱动方式，即在电机进行移步时，以额定电压值为电机供电，以满足其旋转所需动力的要求；而在电机进行锁步动作时，要降低其驱动电压，从而降低流经电机的绕组线圈的电流，如此一来，也能减少限流电阻所消耗的功率，同时还可以实现电机转速的提升。

3 结束语

在机电产品中，步进电机的运转速度和运转方向是由其驱动脉冲信号决定的，因而，在快速启动或急停方面，它比普通的电机更稳定、高效，且受电压和电流的影响较小。本文以24BYJ48步进电机为例，采用C51单片机并通过软、硬件综合使用的方式，再通过编程灵活调整输出脉冲的频率和占空比，进而可以实现对步进电机运动转速和精度的控制，满足不同场合的使用需求。随着单片机芯片的深入开发，其内存的扩大和程序执行速度的提高等，将会使步进电机的控制朝着更精确、更可靠的方向发展。

参考文献

[1]潘健，刘梦薇.步进电机控制策略研究[J].现代电子技术，2009（15）：29-31.

[2]王海波，吴晓光.基于AT89S52单片机步进电机控制系统设计[J].机电产品开发与创新，2009（06）：17-19.

[3]熊超美.步进电机的单片机控制硬件系统设计[J].湖南有色金属，2011（02）：15-17.

[4]汪勇.嵌入式步进电机控制系统的设计与研究[J].煤矿机械，2011（01）：13-15.

〔编辑：曹月〕