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单片机控制步进电机的原理
10:27:56来源: 互联网
&&& 本资料详细介绍邓步进电机的工作原理以及的特点。步进电机是数字控制电机，它将转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于控制。
&&& 步进电机可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。它具有高精度的定位、位置及速度控制、具定位保持力、动作灵敏、开回路控制不必依赖定位、中低速时具备高转矩、高信赖性、小型、高功率等特征，使其具有广泛的应用。
&&& 一、步进电机的工作原理
&&& 步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。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，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。控制步进电机的速度，即给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
&&& 二、设计方案
&&& 本设计采用AT89C51（晶振频率为12MHZ）对四相六线制步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V）进行控制。通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。通过ULN2003构成步进电机的驱动电路，电路图如图1所示。51的25-28口接ULN输入端。另外，用键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为2位单个数码管的显示驱动。74LS164带锁存，使用串行接法可以节约I/O口资源。其电路图如图2所示。通过51的TXD和RXD口对CLK和DATA发送数据。
图1 51单片机控制步进电机线路图
图2 显示电路图
&&& 三、预期目标
&&& 将图1图2连接起来，使之实现：按下启动键，电机旋转，按下加1键，速度增加，按下减1键，速度降低，最高速度为100转/分，最低速度为25转/分，按下停止键，电机停转。速度值在数码管上显示出来。
&&& 综合以上选取的方案，总的流程如图3所示。
图3 系统电路流程图
&&& 结束语
&&& 设计的步进电机基本能实现预期目标，经过调试和修改，但还是存在问题，比如按开关的时候会出现不稳定情况，转速有时比较乱，显示有时也有些不理想，后面的工作就是在软件和硬件等方面进行修改，以完全达到预期目标。
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北京航空航天大学教授，20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。基于51单片机步进电机的设计-博泰典藏网
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基于51单片机步进电机的设计
导读：状态显示电路89C51单片机复位电路键盘控制电路电源及时钟电路ULN2803启动，模块设计，通过K1、K2状态变化来实现电机的换向功能，发现系统的电机的正反转控制，该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动，错齿是促使电机旋转的原因，对步进电机的转动方向控制主要是通过调节脉冲相序来实现的，本设计利用单片机进行控制，四相状态显示电路
89C51 单片机 复位电路 键盘控制电路 电源及时钟电路 ULN2803 启动电路 步进 电机 图1
总体设计方框图
模块设计 控制电路
根据系统的控制要求，控制输入部分设置反向控制，正向控制，加速控制和减速控制按钮，分别是K1、K2、S2、S3，控制电路如图2所示。通过K1、K2状态变化来实现电机的换向功能。当K1、K2的状态变化时，内部程序检测P1.0和P1.1的状态来调用相应的换向程序，发现系统的电机的正反转控制。该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。
目前，对步进电机的转动方向控制主要是通过调节脉冲相序来实现的。有硬件控制和软件控制两种方式。硬件控制利用分散器件组成的环形脉冲分配器和专用集成芯片环形脉冲分配器实现功能。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。这样使得电路简单和经济。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。 根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加减速主要是通过S2、S3的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。 最小系统
单片机最小系统或者称为最小应用系统，素质用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对C51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。 复位电路：使用了独立式键盘，单片机的P1口键盘的接口。该设计要求只需4个键对步进电机的状态进行控制。复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用330PF的电容和一12M晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。 晶振电路：C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。在引脚XTAL1和XTAL2外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。其电容值一般在5~30pf,晶振频率的典型值为12MHz,采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。 驱动电路 通过L297和L298构成驱动电路，电路图如图4所示。通过单片机的P0.0~P0.1输出脉冲到L297的17，18脚，经信号放大后从L298的out1,out2,out3和out4分别输出到电机的A、B、C、D相。
显示电路 在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。在显示电路中，主要是利用了单片机的P1口和P2口。采用两个共阳数码管作显示。第一个数码管接的a、b、c、d、e、f、g、h分别接P1.0~P1.7口，用于显示电机正反转状态，正转时显示“1”，反转时显示“一”，不转时显示“0”。第二个数码管的a、b、c、d、e、f、g、h分别接P2.0~P2.7口，用于显示电机的转速级别，共七级，即从1~7转速依次递增，“0”表示转速为零。 软件设计
从设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要2根口线，再加上两根正反方向线共需要4根输入线。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。这里选四相步进电机，该电机共有四个绕组，工作电压为+5V，可以和单片机共用一个电源。步进电机的四相绕组用P1口的P0.0~P0.1控制，由于P0口驱动能力不够，因而用一组L297和L298增加驱动能力。用P1口控制液晶芯片LCD1602。 通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、加速信号和方向信号，因而采用中断方式效率最高，这样总共要完成4个部分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断0和外部中断1部分。其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置。定时器部分控制脉冲频率，它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。
主程序设计 主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对P1口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。若初始化P1=11H、速度和方向初始值均设为0，就意味着步进电机按四相单四拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“0”，速度值显示“0”，主程序流程图如图7所示。 开
始 初 始 化 显 示 N 启动开关为0？ Y 停止计时器 N 速度值为0？ Y 停止计时器 启动计时器 延 时 图7主程序流程图
定时中断设计 步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。程序流程图如图8所示。 包含总结汇报、农林牧渔、计划方案、求职职场、行业论文、教学研究、经管营销、党团工作以及基于51单片机步进电机的设计等内容。本文共3页
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