1、步进电机的加减速控制摘 要本文详细分析了步进电机及其工作原理，并基于 MCS-51系列单片机设计步进电机的数字控制系统。在设计中加入了步进电机的细分技术和恒频脉宽调制技术。结合脉冲分配器的使用，开发了简单的细分驱动控制电路。 关键词步进电机；单片机；细分控制 中图分类号：F140 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0038-01 一、引言 随着科学技术的发展和微电子控制技术的应用，步进电机作为一种可以精确控制的电机，广泛应用在高精密加工机床，微型机器人控制，航天卫星等高科技领域。 二、 步进电机的原理 步进电机是一种控制用的特种电机，它无法像传统电机那样直接通过输入
2、交流或直流电流使其运行，而是需要输入脉冲电流来控制电机的转动，所以步进电机又称为脉冲电机。其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电机就转动一个角度或前进一步。按励磁方式可以分为反应式、永磁式和混合式三种类型，本设计中选用的是反应式步进电机，其结构如图 1所示。 这是一台四相反应式步进电机的典型结构。共有 4套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相，也就是说定子上两个相对的大齿就是一个相，电机按照 ABCDA的顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步一步的连续转动。其转速取决与各控制绕组通电和断电的频率，即输入的脉冲频率。旋转的方向则取决与各控制绕
3、组轮流通电的顺序。 三、步进电机的驱动控制 步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专门的步进电机驱动控制器。步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电机驱动系统的性能，不仅取决于步进电机自身的性能，也取决于步进电机驱动器的优劣。 步进电机的驱动方式有很多种，包括单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分驱动、集成电路驱动和双极性驱动。本设计选用的是恒频脉宽调制细分驱动控制方式，这是在斩波恒流驱动的基础上的进一步改进，既可以使细分后的步距角均匀一致，又可以避免复杂的计算。 四、恒频脉宽调制细分电路的设计 1、脉冲分配的实现 在步进电机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。它的通
4、电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。本设计中选用 8713脉冲分配器芯片来进行通电换相控制。 2、系统控制电路设计 步进电机控制系统主电路设计如图 2所示。 从上图可以看出，8713 脉冲分配器的 5、6、7 引脚均接高电平，所以这是一个控制四相步进电机按四相八拍运行的控制电路。8751 单片机的 P1.0和 P1.1端口分别与 8713脉冲分配器的 3引脚和 4引脚相连。由8751单片机的 P1.0端提供步进脉冲，P1.1 端则控制步进电机的转向，输出高电平，步进电机正传；输出低电平，步进电机反转。单片机依然是控制的主体，它通过定时器 T0输出
5、20kHz的方波，送 D触发器，作为恒频信号。同时，由 8713脉冲分配器的脉冲输出端输出的方波脉冲信号作为控制信号，它的方波电压的每一次变化，都使转子转动一步。 当 8713脉冲分配器的脉冲输出端输出的方波脉冲信号 Ua不变时，恒频信号 CLK的上升沿使 D触发器输出 Ub高电平，使开关管 T1、T2 导通，绕组中的电流上升，采样电阻上 R2上压降增加。当这个压降大于 Ua时，比较器输出低电平，使 D触发器输出 Ub低电平，T1、T2 截止，绕组的电流下降。这使得 R2上的压降小于 Ua，比较器输出高电平，使 D触发器输出高电平，T1、T2 导通，绕组中的电流重新上升。这样的过程反复进行，使
6、绕组电流的波顶呈锯齿形。因为 CLK的频率较高，锯齿形波纹会很小。 当 Ua上升突变时，采样电阻上的压降小于 Ua，电流有较长的上升时间，电流幅值大幅增长，上升了一个阶段，但由于这里输出的是方波信号而不是阶梯信号，所以只有一个上升阶段，也就是说这个“阶梯信号”只包含了一个阶，并没有把每一步细分成许多步，而是令输出脉冲信号上升和下降的坡度变大，使原本的方波输出变的圆滑，实现了控制信号类似梯形的平滑处理，如图 3所示。 同样，当 Ua下降突变时，采样电阻上的压降有较长时间大于 Ua，比较器输出低电平，CLK 的上升沿即使会让 D触发器输出 1也马上清零。电源始终被切断，使电流幅值大幅下降，降到新的
7、阶段为止。 以上过程重复进行。Ua 每一次变化，就会使转子转过一个细分步。 在这个电路中有一个最突出的特点，那就是用 8713脉冲分配器所输出的脉冲信号取代了典型恒频脉宽细分电路中 D/A转换器所提供的阶梯控制信号。这样的设计极大的简化了电路，并且降低了脉冲分配的控制难度。虽然用方波信号取代了阶梯波信号，使得单一相运行时的细分程度有所降低，但是由于步进电机的四相绕组是同进进行工作的，所以也可以达到了步进电机细分驱动控制的目的。 六、结束语 当前，步进电机的应用正不断深入到日常生活和工业制造的各个方面，并且国内外对步进电机及其控制技术的研究也在不断的进步。这些知识的掌握在今后的工作和生活之中将会起到非常积极的影响。 参考文献 1 吴守箴，臧英杰等.电气传动的脉宽调制控制技术M.北京： 机械工业出版社，2002. 2 王晓明.电机的单片机控制M.北京航空航天大学出版社，2002. 3 李建忠主编.单片机原理及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2008. 4 李仁定主编.电机的微机控制M.北京：机械工业出版社，2004. 5 黄勇，廖宇，高林.基于单片机的步进电机运动控制系统设计J.电子测量技术，2008，31（5）：150-154.
