【步进电机相序怎么区分】以AT89C52单片机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单片机的两相混合步进电机控制系统的设计，提高了步进电机控制系统设计的灵活性。控制系统使用AT89C52单控制器作为控制器，使用由达林顿电力管道BUW49组成的双H桥电路作为驱动器，并增加了密钥控制和LCD1602显示器。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，运行稳定，实用性较强。

1引言

作为工业领域广泛使用的控制电机，步进电机具有卓越的开环性能，可以数字化、智能控制。由步进电机组成的控制系统具有结构简单、性能稳定、价格低廉等特点，在工业控制领域得到了广泛的应用。单片机的步进电机控制成本低，操作灵活，已广泛应用于步进电机控制。本文以AT89C52单片机为控制器，设计了一种新型两相混合式步进电机控制系统。

2系统结构设计

控制系统主要由单片机、键盘、显示屏、驱动、PC上位机等5个模块组成，其中PC上位机用于编写和刻录程序。控制器通过适当的IO接口将控制命令发送到驱动电路，以控制步进电机的运行，完成系统的伺服控制。

控制系统控制：(1)步进电动机的启动和停止、工作方向和工作速度。(2)显示步进电机的运行状态、方向和转速。(3)通过软件进行细分控制。图1是控制系统的总体结构图。

图1控制系统总体结构示意图

3系统硬件设计

3.1单片机模块

单片机模块主要由AT89C52单片机和外围滤波器、电源管理、晶振和复位电路组成。配备AT89C52单片机8KB内存的可编程可擦除只读内存，便于编写重复程序。电源管理电路提供的3.5V和5V电压分别为单片机、晶振、LED和控制电路供电。12MHZ的晶振为单一芯片提供时钟信号。单片机串行端口用于与PC上位机的通信和刻录软件程序。P1端口控制驱动器电路开关管开/关。P0和P2端口控制由LCD1602和LED组成的显示模块。P3端口检测键盘信号和外部中断信号。

3.2键盘和显示模块

控制系统设置了由5位独立密钥组成的键盘模块和由LCD1602和5位LED组成的显示模块。键盘允许对步进电机执行正向、反转、加速、减速和停止功能。步进电机运行时的状态信息可以通过显示模块直观地显示出来。图2是键盘和显示模块硬件结构图。

键盘模块的特点是单片机的两个外部中断，控制步进电机，降低速度。也就是说，每当引入外部中断时，步进电机都会添加/减速一次。正向、反转、停止键分别由单片机P3.0、P3.1、P3.4端口引入。加速和减速密钥分别由单片机P3.2和P3.3端口引入。

允许LCD1602上的数据/命令选择、读写选择、单片机P2.0、P2.1、P2.2端口和单片机P0端口各连接一个信号。LCD1602可以显示步进电动机的五种操作状态和操作速度。5位LED通过74LS138连接到单片机上的P2.3—P2.5端口，5位LD分别表示步进电动机的正向、反向、加速、减速和停止5种操作状态。

图2键盘和显示模块硬件结构

3.3驱动程序模块

控制系统中的电机驱动模块采用双极驱动方式。双极驱动意味着电流在步进电机线圈中的流动方向不是单向的。也就是说，绕组的电流在特定方向流动，或者在相反方向流动。双极驱动电路可以同时驱动4线或6线两相混合步进电机。

在控制系统中选择的两相混合步进电动机的额定电压为12V，绕组的电阻为1.5，额定电流为8A。这个步进电机在运行时电流很大，所以必须选择额定电流大的电源开关管道。否则，步进电机工作时，工作电流大的热效应会使开关管道容易燃烧。电源开关管BUW49运行时额定电压为80V，额定电流为30A，属于大电流电源开关管，完全可以满足要求。

根据步进电机的工作原理，当控制电路向驱动电路发送相应的脉冲信号时，电机绕组的电源顺序为A BA-BA-B-A B-A B-A B-4个状态依次循环，电机正向旋转。相位顺序更改为a B-a-ba-ba ba b时，电动机将反向旋转。

因此，如果单片机AT89C52的针脚P1.0至P1.7输出的脉冲定时为100110010110100101100110100101101001011010010110，则依次控制每个开关管道，产生适当量的通电定时，以驱动步进电机的正向旋转。同样地，当单片机针脚输出的脉冲定时相反时，马达会朝相反的方向旋转。图3是驱动电路硬件结构图。

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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：

• 正向旋转：A+B+→A-B+→A-B-→A+B-
• 反向旋转：A+B-→A-B-→A-B+→A+B+

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：

• （1）对单片机进行初始化：首先应该关中断，然后对用到的一些寄存器和功能模块进行初始化，最后再开中断，并且给定步进电机的速度初值和每次加速/减速时速度变化的幅值。
• （2）调入子程序：分块调入方向、速度、键盘、显示的子程序。速度控制程序写入外部中断程序中，这样可以在不改变运动方向的前提下改变速度的参数。
• （3）等待功能按键按下：采用查询方式编写按键程序，通过按键程序扫描等待功能按键的按下。
• （4）执行按键功能：当程序检测到有按键被按下后，执行相应的功能，并且显示步进电机对应的运行状态信息。图5为系统程序结构图。

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。）