第３１卷第０５期

基于单片机的步进电机控制系统设计与研究——余世超。等

Ｖ０１．３１Ｎｏ．０５

步进电机结构上转子加有永磁体．以提供软磁材料

的工作点．而定子激磁只需提供变化的磁场而不必

提供磁材料工作点的耗能．因此该电机效率高，电

流小。发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的

反电势．其自身阻尼作用比较好，使它在运转过程

中比较平稳、噪音低、低频振动小。当在Ａ、Ｂ两相绕

组中通以对称的正旋交流电时．将产生圆形旋转磁

场：而如果按照Ａ＿Ｂ一，Ａ一，Ｂ＿Ａ一…的顺序依次

对绕组通以确定幅值的直流电．将产生４步一循环

的步进旋转定子磁场。步进角度为９００．在这一过程

中．Ａ、Ｂ相的电压变化关系曲线如图２中的（ａ）、

（ｂ）。由于电动机定子和转子上都有一定数目的小

齿，同时转子和定子上的小齿数目互素，使其存在

一定的角度差。当定子通电时．转子就会沿着磁场

方向向最近的定子上的小齿对齐．这样就前进一

步：当沿着Ａ＿Ｂ＿／Ａ＿／Ｂ＿Ａ一…顺序循环通电

时．转子也将一步一步地转动起来．从而形成连续

的步进功能。

Ｏ

１

２

３

４

５

０

ｌ

２

３

４

５

ｔ

Ｉ

（ａ）Ａ相绕组

（ｂ）Ｂ相绕组

图２

Ａ、Ｂ绕组关系统曲线圈

上述４步一循环的过程称为二相步进电动机

“整步运行”：而Ａ＿ＡＢ—Ｂ—Ｂ／Ａ叫Ａ—吖刖Ｂ一／Ｂ一／

ＢＡ＿＋Ａ这样８步一循环的过程．则称为“半步运

行”。为了充分利用电动机容量，增大输出力距，二

相步进电动机整步运行通常采用ＡＢ＿Ｂ，Ａ一，刖Ｂ一

／ＢＡ—ＡＢ的通电顺序．

步进电动机转子每进一步的步距角．可以按下

式计算

０ｂ＝３６００／ＮＥ，

（１）

式中Ｅ——转子齿数；

忙运行拍数．Ｎ：后ｍ，ｍ为步进电动机的

绕组相数．ｋ＝ｌ或２。

由上可知．步进电动机驱动电路除了一系列元

件构成的主电路以外．还应有存储定子通电顺序的

逻辑单元，这个单元特称为“环形分配器”。所以步

进电动机的驱动电路如图３所示。

雕

圈３驱动电路基本框图

２硬件设计

本系统的硬件控制电路如图４所示．由图知该

控制系统主要由键盘、微处理器、四位ｔ段数码管和

功率放大器４部分组成。

图４硬件控制电路圈

键盘主要负责发布指令和输人数据．采用的是

带中断行列式键盘：单片机负责将指令转化成控制

信号发送到步进电动机驱动器：功率放大器主要起

将信号放大的作用。系统采用恒压恒流桥式驱动芯

片Ｌ２９８Ｎ作为二相步进电动机驱动器。该芯片可实

现步进电动机的启动、刹停、正转、反转等功能。

Ｌ２９８Ｎ信号端可接受标准７ｒｒＬ逻辑电平信号４￣６

Ｖ，控制端可输出５～３６ Ｖ的电压；同时该芯片中的

长延时电路可以把电机过载时的电流急增和电机

启动时的电流急增区分开来．起到电动机的过载保

护作用。通过７４ＨＣ３０向单片机发送键盘中断请求

信号．实现步进电动机的各种控制功能。

３软件设计

在控制系统需要通过键盘向单片机输入步进

电动机运行的参数以及使能信号。单片机将键盘输

入的参数值显示在数码管上．并且向步进电动机发

送控制信号使步进电动机按照键盘输人的使能信

号运行。因该系统包括：键盘扫描、数据显示、控制

信号产生三大部分。

３．１

软件程序的功能

程序流程如图５。该控制系统要求实现步进电

动机的正转、反转以及位置等的控制。其中最为主

要的是位置的控制．所以采用键盘输入步进步数。

实现步进电动机位置的精确控制和可视化管理。同

时．可以实现步进电动机运行状态的在线控制，当

步进电动机在运行过程中．可在暂停状态下控制电

动机执行另一种功能来走完剩下的步数．也可将剩

余的步数清零．输入新的步进步数。

３．２键盘扫描及显示部分

由于采用的是带中断行列式键盘．所以程序需

要实现键的正确判断、键值确定和去除抖动等功

能。对于键的正确判断．程序先使某一行的值为

“０”，再读取各列的值，如果有一列的值为“０”，则为

万方数据