基于单片机的步进电机控制系统设计

前言

步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字

控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及
步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于 8051 单片
机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O 接口、中断、键盘 、
LED 显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及
复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实
现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步
进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片
机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来 ，
步进电机的应用得到很大的提高。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、
绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为
执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统
中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有
应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便
灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单
片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术
和充足的资源。

1.步进电机原理及硬件和软件设计
1.1 步进电机原理及控制技术
由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接

到交直流电源上，而必须使用专业设备一步进电机控制驱动器，典型步进电机控制系统
如图 1 所示:控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它
为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一
定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动
步进电机的转动，环形分配器主要有两大类:一类是用计算机软件设计的方法实现环形分
配器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环
形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机
的目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。从结构上看，步进电机
分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍 3 种，其基本原理如下:

（1） 换相顺序的控制

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式
下，其各相通电顺序为 A→B→C→A，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序
分别控制 A, B, C 相的通断。三相双三拍的通电顺序为 AB→BC→CA→AB，
三相六拍的通电顺序为 A→AB→B→BC→C→CA→A 。

  (2)步进电机的换向控制
    如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相

六 拍 ， 即 A→AB→B→BC→C→CA→A 。 如 果 按 反 序 通 电 换 相 ， 即
A→AC→C→CB→B→BA→A，则电机就反转。其他方式情况类似。

  (3)步进电机的速度控制
    如果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。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步

状态显示电路

89C51

单片机

复位电路

键盘控制电路

ULN2803

启动电路

步进电机

电源及时钟电路