步进电机运动控制系统设计

　　摘要:步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的
情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的
影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步
进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机
来控制变的非常的简单。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步
进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控
制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体
控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。在本设计方案中采用 AT89C51
型单片机内部的定时器改变 CP 脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行控制，实现电
机调速与正反转的功能。
　　设计时考虑到 CPU 在执行指令时可能受到干扰的冲击,

”

”

”

导致程序 跑飞 或者进入 死

”

循环 ,因此,设计了看门狗电路,使用的是 MAXIM 公司生产的微处理系统监控集成芯片
MAXI813。

 

　　前 言
　　步进电机最早是在 1920 年由英国人所开发。1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在
步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机
已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统
中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，
尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得
最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 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，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经
济领域都有应用。
　　步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用
数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运
转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，
它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与
输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得
所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转
子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精
确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应
用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为
机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机可
以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于
各种开环控制。
　　现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混
合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较
小，步进角一般为 7.5

 

度 或 15 度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步

进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，