步进电机智能控制的设计与实现

徐建国

摘 要

步进电机是利用输入数字信号转换成机械能量的电气设备，由于步进电机旋转角度与输入脉冲数目成正比，只要控制输入的脉冲数目便可控制电机转动角度。设计一个步进电机智能控制。要求能从键盘上输入步进电机转数，控制步进电机正、反转及启停，并显示转数。

【关键词】步进电机 脉冲 控制

1 步进电机智能控制思路

我们知道步进电机必须加上驱动电路才能转动，驱动电路的信号输入端必须输入脉冲信号，若无脉冲输入时，转子保持yd的位置，维持静止状态；反之，若加入适当的脉冲信号时，转子则会以一定的角度转动，如果加入连续脉冲时，则转子旋转的角度与脉冲频率成正比。

为此，我们掌握了如何使用按键对步进电机进行方向和转速控制。但是如何对步进电机进行精确定位和精确定速？

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。这样，我们就可以通过以下两个方面对步进电机进行智能控制，达到精确定位和精确定速的目的。

（1）通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；

（2）通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到精确定速和调速的目的。

作为一种数字伺服执行元件，步进电机具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，步进电机智能控制可以广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。

2 步进电机智能控制组成

步进电机智能控制主要包括单片机、键盘输入模块、显示模块以及步进电机控制模块等部分。步进电机智能控制的结构框图如图1所示。

键盘输入模块主要完成数据输入及控制输入；显示模块主要对步进电机的设置和运行状态进行显示（如显示步进电机设置要旋转的圈数以及正反转指示等）；步进电机控制模块主要是由单片机输出控制码到驱动电路来控制步进电机的运转。

3 步进电机智能控制设计

设计一个步进电机智能控制。要求能从键盘上输入步进电机转数，控制步进电机正、反转及启停，并显示转数。

3.1 步进电机速度控制和方向控制的关键技术

3.1.1 速度控制关键技术

只要改变脉冲信号之间的延时时间，即改变每步之间的延时时间，便可控制步进电机的转速。延时时间变短，转速提高，延时时间变长，转速降低。每走一步，必须延时一段时间。

3.1.2 方向控制关键技术

只要改变励磁顺序，就可以改变步进电机旋转方向。例如：

正转时，1相励磁顺序为：A→B→C→D→……

反转时，1相励磁顺序为：D→C→B→A→……

3.2 键盘控制步进电机方向和速度

键盘控制步进电机的方向和速度由AT89S52单片机最小应用系统、步进电机驱动电路、键盘电路等模块构成。反转按键、加速按键、减速按键和正转按键分别接到P2口的P2.0、P2.1、P2.2和P2.3引脚。驱动电路采用高电压、大电流的ULN2003A，分别接到P3口的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3引脚。

3.3 键盘设计

键盘采用矩阵式键盘，键盘设计功能分配如下：

（1）0～9：为数字键。

（2）*：正逆转转数设定完成后，按“*”启动步进马达。

（3）#：清除设定为正转及转数为00.

（4）A：设定正逆转。按A键则LED亮，表示反转，再按则LED指示灯灭，表示正转，再按LED亮。

3.4 数码管显示模块设计

数码管显示模块电路采用硬件译码输出字型码控制显示内容，数码管是阳极数码管，7段字型译码器用的是74LS47，电路设计参考图2。

3.5 步进电机控制模块设计

步进电机控制模块电路采用有施密特触发器的六反方器74LS14和高低压、大电流的达灵顿晶体管数组产品ULN2003A，电路设计参考图2。

3.6 步进电机智能控制电路实现

步进电机控制模块电路、键盘电路、数码管显示模块电路分别接在AT89S52单片机的P0口、P1口、P2口，接在P3.0的LED是步进电机正反转的引脚显示的，步进电机智能控制电路设计如图2所示。

3.7 步进电机智能控制工作过程

由键盘输入转数，设定正反转后，按确认键。单片机根据设定由P0口送出控制码经74LS14和ULN2003A达灵顿管驱动步进电机转动。同时，LED数码管显示设定的转数，步进电机每转动一圈，数码显示的数字减1，当减至零时，步进电机停止转动。LED指示灯亮，表示反转，LED指示灯灭，表示正转。步进电机智能控制采用C语言程序设计（略）。

作者单位

炎黄职业技术学院 江苏省淮安市 223400