用AT89C52单片机作为控制器，设计简单实用的步进电机控制系统

作者介绍了基于AT89C52单片机的两相混合式步进电机控制系统的设计方案，增加了步进电机控制系统设计的灵活性。控制系统采用AT89C52单片机作为控制器，由达林顿功率管BUW49组成的双H桥式电路作为驱动器，加入按键控制及LCD1602显示。控制系统的电路结构简单、设计思路清晰。实验表明，控制系统操作简单、运行可靠，具有较强的实用性。

1 引言

作为工业领域广泛应用的控制电机，步进电机具有出色的开环性能，易于实现数字化、智能化控制。步进电机组成的控制系统具有结构简单、性能稳定、造价便宜等特点，在工业控制领域中得到了广泛的应用。单片机对步进电机的控制成本低、操作灵活，在步进电机的控制中得到了广泛的应用。本文以AT89C52单片机作为控制器设计一种新型的两相混合式步进电机的控制系统。

2 系统结构设计

控制系统主要由单片机、键盘、显示、驱动、PC上位机等5个模块组成，其中PC上位机用于编写及烧录程序。控制器通过相应的IO接口，将控制指令发送至驱动电路，可以控制步进电机的运行，完成系统的伺服控制。

控制系统可实现以下功能：（1）控制步进电机的启动和停止、运行方向、运行速度。（2）显示步进电机的运行状态、方向、转速。（3）通过软件实现细分控制。图1为控制系统总体结构图。

图1 控制系统总体结构图

3 系统硬件设计

3.1 单片机模块

单片机模块主要由AT89C52单片机及外围滤波、电源管理、晶振和复位电路组成。AT89C52单片机具有8KB内存的可编程可擦除只读存储器，便于反复的进行程序的编写。电源管理电路提供的3.5V和5V电压分别给单片机、晶振、LED和控制电路供电。12MHZ的晶振给单片机提供时钟信号。单片机的串口用于和PC上位机的通信以及烧录软件程序。P1口控制驱动电路开关管的通断。P0和P2口控制LCD1602和LED组成的显示模块。P3口检测键盘信号及外部中断信号。

3.2 键盘及显示模块

控制系统设置了5位独立按键组成的键盘模块以及由LCD1602和5位LED组成的显示模块。通过键盘可以对步进电机进行正转、反转、加速、减速、停止功能的操作。步进电机运行时的状态信息可以通过显示模块直观的显示出来。图2为键盘及显示模块硬件原理图。

键盘模块的特点在于用单片机的两个外部中断来控制步进电机进行加、减速，即每引入一次外部中断，步进电机加/减速一次。正转、反转、停止按键分别由单片机的P3.0、P3.1、P3.4口引入。加速、减速按键分别由单片机的P3.2和P3.3口引入。

LCD1602的数据/命令选择端、读写选择端、使能信号分别接在单片机的P2.0、P2.1、P2.2口上，数据口接在单片机的P0口上。LCD1602可以显示步进电机的5种运行状态以及运行速度。5位LED通过74LS138接在单片机的P2.3—P2.5口上，5位LD分别用于表示步进电机的正转、反转、加速、减速、停止5种运行状态。

图2 键盘及显示模块硬件原理图

3.3 驱动模块

控制系统的电机驱动模块采用双极性驱动的方式。双极性驱动是指步进电机线圈中电流的流动方向不是单向的，即绕组中的电流有时沿某一方向流动，有时沿相反的方向流动。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式的两相混合式步进电机。

控制系统所选用的二相混合式步进电机工作时的额定电压为12V，绕组的阻值为1.5Ω，额定电流为8A。由于该步进电机工作时的电流较大，因此需要选择额定电流较大的功率开关管，否则步进电机工作时较大的工作电流产生的热效应极易烧毁开关管。功率开关管BUW49工作时的额定电压为80V，额定电流为30A，属于高电流型功率开关管，因此完全能够满足需要。

根据步进电机的工作原理，当控制电路给驱动电路发出相应的脉冲信号时，电机绕组的通电顺序为A+B+→A-B+→A-B-→A+B-，其4个状态按顺序进行循环，电机则正向转动。若相序变为A+B-→A-B-→A-B+→A+B+，电机则逆向转动。

因此，当单片机AT89C52的引脚P1.0至P1.7输出的脉冲时序依次为10011001→01101001→01100110→10010110时，控制各个开关管依次导通，产生相应的正向通电时序，从而驱动步进电机正向旋转。同样，当单片机的引脚输出的脉冲时序相反时，电机则反向旋转。图3为驱动电路硬件原理图。

图3 驱动电路硬件原理图

控制系统的硬件原理图由电子技术虚拟仿真软件Proteus 7.5进行仿真，仿真时两相混合式步进电机的参数按照控制系统所选用的步进电机实际参数设置。经过仿真得出该系统能够实现对步进电机的正/反转、停止、加/减速的控制，并且控制非常灵敏、工作可靠、不会出现误操作。

步进电机在运行时的运行状态、速度参数以及按键的操作状态能够以英文的形式非常直观的显示在LCD1602和5位LED上。通过分析仿真时虚拟示波器测出的A、B两相的绕组电压波形得知，步进电机在系统仿真运行的过程中具有良好的动态响应。图4为控制系统整体硬件原理图。

图4 控制系统整体硬件原理图

4 系统软件设计

4.1 步进电机工作方式

由于按双四拍方式工作时步进电机不容易失步，并且控制精度较高，因此步进电机采用双四拍的工作方式。这种工作方式每次都有两相绕组导通，两相绕组处在相同的电压之下，以A+B+→A-B+→A-B-→A+B-（或反向）方式导通。当A、B绕组完成一次通电循环以后，磁场旋转一周，转子则前进一个步距角。

4.2 运行方向控制

步进电机的运行方向由其内部绕组的通电顺序及通电方式决定。由于两相双四拍步进电机不容易失步，控制精度比较高，所以本文采用两相双四拍的工作方式对步进电机进行控制。

对于两相双四拍工作方式：

两相双四拍控制模型如表3.1所示。

表3.1 两相双四拍控制模型

4.3 运行速度控制

控制步进电机的运行速度，实际上是控制驱动脉冲的发出频率或换相周期。即在加速的过程中，使驱动脉冲的发出频率升高；在减速的过程中，使驱动脉冲的发出频率降低。对驱动脉冲频率的控制可以通过软件延时和硬件中断的方式来实现。

软件延时是指根据所需的延时时间常数编写一个延时子程序，当CPU执行延时子程序时，系统达到延时的目的。采用软件延时方式，CPU一直被占用，使得CPU的利用率降低。

可编程的硬件定时器可以对系统的时钟脉冲进行计数，计数值可以通过编程的方式设定。当计数到预定的脉冲数时，定时器产生中断信号，系统得到所需的延时时间。定时器延时可以提高CPU的利用率。

4.4 系统程序设计

系统程序设计的思想是：

图5 系统程序结构图

5 实验验证

在实验中本系统选57HS56DF101TK-01混合式步进电机作为控制对象。该步进电机为两相四线步进电机，步距角为1.8°，额定电流为8A，静转矩为10Kg·cm。图6为控制系统实物图。

图6 控制系统实物图

实验时，测得电机绕组阻值Rs为1.5Ω，系统选择12V直流电源供电，符合步进电机的要求。图7为步进电机运行时A相的电压波形图。图8为步进电机的静态矩角特性曲线图。

图7 步进电机A相电压图

图8 步进电机矩角特性曲线图

实验结果说明，本控制系统在步进电机的运行过程中可以实现对步进电机的运行控制，改变步进电机的工作状态，控制精确，能够较好的满足工作要求。

6 结语

本文基于AT89C52单片机设计的两相混合式步进电机控制系统具有体积小、可靠性高、功能丰富、造价便宜等特点，适用范围广，具有很强的实用价值和经济价值。

（编自《电气技术》，原文标题为“基于AT89C52单片机的步进电机控制系统研究”，作者为何冲、王淑红 等。）

步进电机分类、工作原理、主要参数、控制时序及电路图分析（三）

二、步进电机的控制

控制以两相步进电机（两个线圈，四条线）为例，（A+）-（B+）-（A-）-（B-）。

驱动细分

步进电机细分:步进电机细分驱动技术是七十年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。它是通过控制各相绕组中的电流，使它们按一定的规律上升或下降 ，即在零电流到最大电流之间形成多个稳定的中间电流状态，相应的合成磁场矢量的方向也将存在多个稳定的中间状态，且按细分步距旋转。其中合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，合成磁场矢量的方向决定了细分后步距角的大小 。细分驱动技术进一步提高了步进电机转角精度和运行平稳性 。

步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动 ，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。细分后电机运行时的实际步距角是基本步距角的几分之一。

直接用高低电平的方式驱动两相四线电机有4拍，八拍的方式，对应的细分为full-step、half-step。而步进电机驱动芯片可以实现更加细致的控制，1/4-step、1/8-step、1/16-step。

两相步进电机的基本步距角是1.8°，即一个脉冲走1.8°，如果没有细分，则是200个脉冲走一圈360°，细分是通过驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关，如果是10细分，则发一个脉冲电机走0.18°，即2000个脉冲走一圈360°，电机的精度能否达到或接近0.18°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度 等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很，细分数越大精度越难控制 。

在电机实际使用时，如果对转速要求较高，且对精度和平稳性要求不高的场合，不必选高细分 。如果转速很低情况下，应该选大细分，确保平滑，减少振动和噪音 。根据应用场景选择合适的细分模式能提高电机运行的稳定度和减小噪音 。

单4拍（整步）方式驱动时序

单4拍线圈上电时序表如下：

电极 1 2 3 4

A+ 1 0 0 0

A- 0 1 0 0

B+ 0 0 1 0

B- 0 0 0 1

双4拍（整步）方式驱动时序

双4拍线圈上电时序表如下：

电极 1 2 3 4

A+ 1 1 0 0

A- 0 0 1 1

B+ 1 0 0 1

B- 0 1 1 0

电机转动方向如下所示，(A+)---(B+)---(A-)---(B-)，以此循环,

8拍（半步）方式驱动时序

8拍线圈上电时序表如下：

电极 1 2 3 4 5 6 7 8

A+ 1 1 0 0 0 0 0 1

A- 0 0 0 1 1 1 0 0

B+ 0 1 1 1 0 0 0 0

B- 0 0 0 0 0 1 1 1

电机转动方向如下所示，再次从头循环

(A+)---(A+B+)---(B+)--(B+A-)---(A-)---(A-B-)---(B-)---(B-A+)

反转时，控制时序倒过来控制就可实现反向转动。

三、电路图

简易电路

简易电路指通过单片机控制导通顺序，然后通过功率器件放大电流驱动步进电机。如下图所示，51单片机控制四线导通状态，然后通过ULN2003放大电流实现控制步进电机的功能。

电路主要特点是电路简单，成本低 ，缺点是开环控制精度差，无法判定是否丢步与越步 。

如要判定是否动作需加传感器辅助，以实现简单闭环控制。

驱动芯片电路

以TI的DRV8899-Q1车规级步进电机驱动芯片为例，可 支持高达 1A 的满量程电流，配备内部微步进索引器、智能调谐衰减技术、先进的失速检测算法和集成电流感 应功能。DRV8899-Q1 具有一个简单的步进/方向控制 接口来管理方向和步进速率，支持多达 1/256 级微步 进，以实现平滑的运动轨迹。 其内部带VM 欠压锁定 、 过流保护 、 开路负载检测 、 过热警告和关断 、 欠温警告 等功能模块。 简化版原理图如下。

功能框图如下图所示：

电路主要特点是电路控制简单，成本较高，控制精度较高 ，缺点是成本较高，通过算法实现步进判定，有误判的可能 。

本文主要介绍理论基础，后续会增加电路设计章节及其控制程序。

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