張玉勇

摘 要：在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，步進(jìn)電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件，被廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)加工領(lǐng)域中。然而，隨著工業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度的加大，傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)在精度和可靠性方面已不能滿足使用需求，因而，需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制機(jī)理加以改善，以提高其精度和運(yùn)行的可靠性。以24BYJ48四相八步式電機(jī)為例，從步進(jìn)電機(jī)的工作原理出發(fā)，對(duì)通過單片機(jī)與軟、硬件結(jié)合的方式，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)的方法加以論述，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)高精度、高可靠性的運(yùn)行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；脈沖驅(qū)動(dòng)；自動(dòng)化；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）03-0029-02

在機(jī)電產(chǎn)品中，步進(jìn)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為直線位移或是角位移的電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是通過電脈沖信號(hào)觸發(fā)工作的數(shù)字式伺服執(zhí)行器件，具有易開環(huán)控制、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)步數(shù)精準(zhǔn)、抗外界干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且針對(duì)突發(fā)情況能迅速啟動(dòng)或停止，運(yùn)行可靠性強(qiáng)，因而，在自動(dòng)化領(lǐng)域，例如數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)設(shè)施等方面，它被廣泛地應(yīng)用其中。

1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)方法

與傳統(tǒng)的普通電機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)以脈沖信號(hào)為驅(qū)動(dòng)控制其角位移位置和方向的變化。它通過環(huán)形分配器開關(guān)裝置，在功率放大器的作用下將勵(lì)磁繞組依次與直流電源相通，進(jìn)而在空間中形成階躍性跳變的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大小受脈沖頻率控制。

由于步進(jìn)電機(jī)工作是以脈沖驅(qū)動(dòng)的形式，因而，可通過現(xiàn)代自動(dòng)化的控制技術(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行控制?？刂品椒ㄖ饕M式和數(shù)字式控制方式：模擬式控制方式，如典型的PLC控制方式，其對(duì)電機(jī)的控制精度低，且易受外界干擾，因而，它在步進(jìn)電機(jī)中的應(yīng)用較受限；而數(shù)字式控制方式，主要常見于小規(guī)模數(shù)字電路、單片機(jī)電路和特殊用途邏輯控制電路等。小規(guī)模數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)體積大，所占空間、資源利用率較多，而特殊用途步進(jìn)電機(jī)的開發(fā)成本較高，且只限于專用電機(jī)的控制，因而，在通用型步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)上，一般選擇以單片機(jī)為核心處理器，配合使用軟、硬件電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位移定位進(jìn)行精確控制。

2 使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)化控制

2.1 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制原理

日常普遍使用的步進(jìn)電機(jī)分為二相、三相、四相等形式，電機(jī)的相數(shù)不同，其性能也會(huì)有差異，但不管怎樣，它們控制機(jī)理卻是互通的，即以脈沖勵(lì)磁信號(hào)驅(qū)動(dòng)。以24BYJ48步進(jìn)電機(jī)四相八拍驅(qū)動(dòng)為例，其線圈由A，B，C，D四相組成，如圖1所示。通電順序按照A→AB→B→BC規(guī)律進(jìn)行，即實(shí)行半步式工作，步距角為5.625°/64，即走64步為360°。在一個(gè)脈沖信號(hào)的作用下，電機(jī)根據(jù)通電方向旋轉(zhuǎn)5.625°，所以，24BYJ48電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度取決于脈沖勵(lì)磁信號(hào)作用。而脈沖信號(hào)則是由幅值大小、電源接通和斷開時(shí)間（或占空比）組成的，幅值可根據(jù)電源電壓進(jìn)行調(diào)整，其

接通和斷開時(shí)間可通過單片機(jī)延時(shí)

作用實(shí)現(xiàn)。延時(shí)時(shí)間的設(shè)定要根據(jù)

24BYJ48電機(jī)所需的工作頻率和所

需轉(zhuǎn)速共同判斷。其轉(zhuǎn)動(dòng)方向與內(nèi)

部繞組的通電順序密切相關(guān)，因而，

可以通過改變其繞組的通電順序?qū)?/p>

現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2.2 單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化控制

2.2.1 系統(tǒng)框圖

基于前文提到的步進(jìn)電機(jī)的控制機(jī)理可知，利用單片機(jī)改變輸出的脈沖信號(hào)的頻率和電平的正負(fù)方向等可以控制24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。其系統(tǒng)控制電路的主要組成包括單片機(jī)主控單元、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)等，單片機(jī)主控單元用以控制輸出脈沖信號(hào)的周期和方向，而驅(qū)動(dòng)電路的存在則是因?yàn)?4BYJ48步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流比較大，單片機(jī)輸出接口和步進(jìn)電機(jī)間不能直接連接。步進(jìn)電機(jī)的主要控制系統(tǒng)框架圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2.2.2 單片機(jī)對(duì)24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制

針對(duì)24BYJ48四相八拍式步進(jìn)電機(jī)，采用89C51芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的頻率和占空比的輸出控制。89C51芯片是帶有4 kB可編程存儲(chǔ)器的耗電低、性能強(qiáng)的8位CMOS微處理器，其可兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS—51Z指令集，并支持多種（例如C語言、匯編語言等）編程語言。此外，89C51芯片價(jià)格低廉，因而，在進(jìn)行嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，它是最為常用的芯片之一。

89C51芯片對(duì)24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制可通過軟、硬件相互結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)其控制原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)際上是控制其勵(lì)磁脈沖信號(hào)的頻率或是換相通電的時(shí)間。其中，單片機(jī)和脈沖分配器（例如8713型號(hào)）需要配合使用，脈沖分配器具有單時(shí)鐘或雙時(shí)鐘輸入方式，且可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、脈沖狀態(tài)檢測(cè)等功能，其接口配置電路圖如圖3所示。

單片機(jī)對(duì)24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①利用改變脈沖分配的方式，使24BYJ48步進(jìn)電機(jī)以四相四拍和四相八拍的形式交替工作，從而實(shí)現(xiàn)步距角的擴(kuò)大或縮小，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)合下運(yùn)動(dòng)精度的調(diào)整。②通過89C51芯片的軟件編程延時(shí)來控制接口輸出高低電平的時(shí)間間隔，從而改變脈沖信號(hào)的頻率和占空比。因?yàn)榫幊倘藛T可任意設(shè)定延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短，所以，利用該方式控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度范圍較大，可滿足多種場(chǎng)合的速度要求。③可以利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能以中斷方式控制脈沖信號(hào)的輸出頻率。通過在程序中預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值，利用89C51芯片中的定時(shí)器對(duì)系統(tǒng)晶振脈沖或其他形式的脈沖加以計(jì)數(shù)處理。當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到程序預(yù)設(shè)值后，觸發(fā)進(jìn)入中斷程序，改變脈沖信號(hào)的高低電平和占空比變化，并將計(jì)時(shí)器清零，然后再重新計(jì)時(shí)。這樣一來，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)24BYJ48步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和精度的控制。

2.2.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)上，一般常選擇全電壓驅(qū)動(dòng)方式，即在步進(jìn)電機(jī)移步或鎖步過程中以額定電壓值加壓。為避免步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)過流現(xiàn)象，且能更好地發(fā)揮驅(qū)動(dòng)性能，則需要增加限流電阻元件。在進(jìn)行限流電阻的選擇時(shí)，需考慮到步進(jìn)電機(jī)在進(jìn)行鎖步動(dòng)作時(shí)，限流電阻會(huì)消耗過多的電功率，因而應(yīng)盡量選取功率容量大的電阻。另外，還可應(yīng)用高低壓驅(qū)動(dòng)方式，即在電機(jī)進(jìn)行移步時(shí)，以額定電壓值為電機(jī)供電，以滿足其旋轉(zhuǎn)所需動(dòng)力的要求；而在電機(jī)進(jìn)行鎖步動(dòng)作時(shí)，要降低其驅(qū)動(dòng)電壓，從而降低流經(jīng)電機(jī)的繞組線圈的電流，如此一來，也能減少限流電阻所消耗的功率，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的提升。

3 結(jié)束語

在機(jī)電產(chǎn)品中，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和運(yùn)轉(zhuǎn)方向是由其驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)決定的，因而，在快速啟動(dòng)或急停方面，它比普通的電機(jī)更穩(wěn)定、高效，且受電壓和電流的影響較小。本文以24BYJ48步進(jìn)電機(jī)為例，采用C51單片機(jī)并通過軟、硬件綜合使用的方式，再通過編程靈活調(diào)整輸出脈沖的頻率和占空比，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速和精度的控制，滿足不同場(chǎng)合的使用需求。隨著單片機(jī)芯片的深入開發(fā)，其內(nèi)存的擴(kuò)大和程序執(zhí)行速度的提高等，將會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的控制朝著更精確、更可靠的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]潘健，劉夢(mèng)薇.步進(jìn)電機(jī)控制策略研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（15）：29-31.

[2]王海波，吳曉光.基于AT89S52單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009（06）：17-19.

[3]熊超美.步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南有色金屬，2011（02）：15-17.

[4]汪勇.嵌入式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].煤礦機(jī)械，2011（01）：13-15.

〔編輯：曹月〕

摘 要：在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，步進(jìn)電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件，被廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)加工領(lǐng)域中。然而，隨著工業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度的加大，傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)在精度和可靠性方面已不能滿足使用需求，因而，需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制機(jī)理加以改善，以提高其精度和運(yùn)行的可靠性。以24BYJ48四相八步式電機(jī)為例，從步進(jìn)電機(jī)的工作原理出發(fā)，對(duì)通過單片機(jī)與軟、硬件結(jié)合的方式，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)的方法加以論述，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)高精度、高可靠性的運(yùn)行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；脈沖驅(qū)動(dòng)；自動(dòng)化；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）03-0029-02

在機(jī)電產(chǎn)品中，步進(jìn)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為直線位移或是角位移的電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是通過電脈沖信號(hào)觸發(fā)工作的數(shù)字式伺服執(zhí)行器件，具有易開環(huán)控制、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)步數(shù)精準(zhǔn)、抗外界干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且針對(duì)突發(fā)情況能迅速啟動(dòng)或停止，運(yùn)行可靠性強(qiáng)，因而，在自動(dòng)化領(lǐng)域，例如數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)設(shè)施等方面，它被廣泛地應(yīng)用其中。

1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)方法

與傳統(tǒng)的普通電機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)以脈沖信號(hào)為驅(qū)動(dòng)控制其角位移位置和方向的變化。它通過環(huán)形分配器開關(guān)裝置，在功率放大器的作用下將勵(lì)磁繞組依次與直流電源相通，進(jìn)而在空間中形成階躍性跳變的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大小受脈沖頻率控制。

由于步進(jìn)電機(jī)工作是以脈沖驅(qū)動(dòng)的形式，因而，可通過現(xiàn)代自動(dòng)化的控制技術(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行控制?？刂品椒ㄖ饕M式和數(shù)字式控制方式：模擬式控制方式，如典型的PLC控制方式，其對(duì)電機(jī)的控制精度低，且易受外界干擾，因而，它在步進(jìn)電機(jī)中的應(yīng)用較受限；而數(shù)字式控制方式，主要常見于小規(guī)模數(shù)字電路、單片機(jī)電路和特殊用途邏輯控制電路等。小規(guī)模數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)體積大，所占空間、資源利用率較多，而特殊用途步進(jìn)電機(jī)的開發(fā)成本較高，且只限于專用電機(jī)的控制，因而，在通用型步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)上，一般選擇以單片機(jī)為核心處理器，配合使用軟、硬件電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位移定位進(jìn)行精確控制。

2 使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)化控制

2.1 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制原理

日常普遍使用的步進(jìn)電機(jī)分為二相、三相、四相等形式，電機(jī)的相數(shù)不同，其性能也會(huì)有差異，但不管怎樣，它們控制機(jī)理卻是互通的，即以脈沖勵(lì)磁信號(hào)驅(qū)動(dòng)。以24BYJ48步進(jìn)電機(jī)四相八拍驅(qū)動(dòng)為例，其線圈由A，B，C，D四相組成，如圖1所示。通電順序按照A→AB→B→BC規(guī)律進(jìn)行，即實(shí)行半步式工作，步距角為5.625°/64，即走64步為360°。在一個(gè)脈沖信號(hào)的作用下，電機(jī)根據(jù)通電方向旋轉(zhuǎn)5.625°，所以，24BYJ48電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度取決于脈沖勵(lì)磁信號(hào)作用。而脈沖信號(hào)則是由幅值大小、電源接通和斷開時(shí)間（或占空比）組成的，幅值可根據(jù)電源電壓進(jìn)行調(diào)整，其

接通和斷開時(shí)間可通過單片機(jī)延時(shí)

作用實(shí)現(xiàn)。延時(shí)時(shí)間的設(shè)定要根據(jù)

24BYJ48電機(jī)所需的工作頻率和所

需轉(zhuǎn)速共同判斷。其轉(zhuǎn)動(dòng)方向與內(nèi)

部繞組的通電順序密切相關(guān)，因而，

可以通過改變其繞組的通電順序?qū)?/p>

現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2.2 單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化控制

2.2.1 系統(tǒng)框圖

基于前文提到的步進(jìn)電機(jī)的控制機(jī)理可知，利用單片機(jī)改變輸出的脈沖信號(hào)的頻率和電平的正負(fù)方向等可以控制24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。其系統(tǒng)控制電路的主要組成包括單片機(jī)主控單元、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)等，單片機(jī)主控單元用以控制輸出脈沖信號(hào)的周期和方向，而驅(qū)動(dòng)電路的存在則是因?yàn)?4BYJ48步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流比較大，單片機(jī)輸出接口和步進(jìn)電機(jī)間不能直接連接。步進(jìn)電機(jī)的主要控制系統(tǒng)框架圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2.2.2 單片機(jī)對(duì)24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制

針對(duì)24BYJ48四相八拍式步進(jìn)電機(jī)，采用89C51芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的頻率和占空比的輸出控制。89C51芯片是帶有4 kB可編程存儲(chǔ)器的耗電低、性能強(qiáng)的8位CMOS微處理器，其可兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS—51Z指令集，并支持多種（例如C語言、匯編語言等）編程語言。此外，89C51芯片價(jià)格低廉，因而，在進(jìn)行嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，它是最為常用的芯片之一。

89C51芯片對(duì)24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制可通過軟、硬件相互結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)其控制原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)際上是控制其勵(lì)磁脈沖信號(hào)的頻率或是換相通電的時(shí)間。其中，單片機(jī)和脈沖分配器（例如8713型號(hào)）需要配合使用，脈沖分配器具有單時(shí)鐘或雙時(shí)鐘輸入方式，且可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、脈沖狀態(tài)檢測(cè)等功能，其接口配置電路圖如圖3所示。

單片機(jī)對(duì)24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①利用改變脈沖分配的方式，使24BYJ48步進(jìn)電機(jī)以四相四拍和四相八拍的形式交替工作，從而實(shí)現(xiàn)步距角的擴(kuò)大或縮小，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)合下運(yùn)動(dòng)精度的調(diào)整。②通過89C51芯片的軟件編程延時(shí)來控制接口輸出高低電平的時(shí)間間隔，從而改變脈沖信號(hào)的頻率和占空比。因?yàn)榫幊倘藛T可任意設(shè)定延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短，所以，利用該方式控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度范圍較大，可滿足多種場(chǎng)合的速度要求。③可以利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能以中斷方式控制脈沖信號(hào)的輸出頻率。通過在程序中預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值，利用89C51芯片中的定時(shí)器對(duì)系統(tǒng)晶振脈沖或其他形式的脈沖加以計(jì)數(shù)處理。當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到程序預(yù)設(shè)值后，觸發(fā)進(jìn)入中斷程序，改變脈沖信號(hào)的高低電平和占空比變化，并將計(jì)時(shí)器清零，然后再重新計(jì)時(shí)。這樣一來，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)24BYJ48步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和精度的控制。

2.2.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)上，一般常選擇全電壓驅(qū)動(dòng)方式，即在步進(jìn)電機(jī)移步或鎖步過程中以額定電壓值加壓。為避免步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)過流現(xiàn)象，且能更好地發(fā)揮驅(qū)動(dòng)性能，則需要增加限流電阻元件。在進(jìn)行限流電阻的選擇時(shí)，需考慮到步進(jìn)電機(jī)在進(jìn)行鎖步動(dòng)作時(shí)，限流電阻會(huì)消耗過多的電功率，因而應(yīng)盡量選取功率容量大的電阻。另外，還可應(yīng)用高低壓驅(qū)動(dòng)方式，即在電機(jī)進(jìn)行移步時(shí)，以額定電壓值為電機(jī)供電，以滿足其旋轉(zhuǎn)所需動(dòng)力的要求；而在電機(jī)進(jìn)行鎖步動(dòng)作時(shí)，要降低其驅(qū)動(dòng)電壓，從而降低流經(jīng)電機(jī)的繞組線圈的電流，如此一來，也能減少限流電阻所消耗的功率，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的提升。

3 結(jié)束語

在機(jī)電產(chǎn)品中，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和運(yùn)轉(zhuǎn)方向是由其驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)決定的，因而，在快速啟動(dòng)或急停方面，它比普通的電機(jī)更穩(wěn)定、高效，且受電壓和電流的影響較小。本文以24BYJ48步進(jìn)電機(jī)為例，采用C51單片機(jī)并通過軟、硬件綜合使用的方式，再通過編程靈活調(diào)整輸出脈沖的頻率和占空比，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速和精度的控制，滿足不同場(chǎng)合的使用需求。隨著單片機(jī)芯片的深入開發(fā)，其內(nèi)存的擴(kuò)大和程序執(zhí)行速度的提高等，將會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的控制朝著更精確、更可靠的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]潘健，劉夢(mèng)薇.步進(jìn)電機(jī)控制策略研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（15）：29-31.

[2]王海波，吳曉光.基于AT89S52單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009（06）：17-19.

[3]熊超美.步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南有色金屬，2011（02）：15-17.

[4]汪勇.嵌入式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].煤礦機(jī)械，2011（01）：13-15.

〔編輯：曹月〕

摘 要：在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，步進(jìn)電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件，被廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)加工領(lǐng)域中。然而，隨著工業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度的加大，傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)在精度和可靠性方面已不能滿足使用需求，因而，需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制機(jī)理加以改善，以提高其精度和運(yùn)行的可靠性。以24BYJ48四相八步式電機(jī)為例，從步進(jìn)電機(jī)的工作原理出發(fā)，對(duì)通過單片機(jī)與軟、硬件結(jié)合的方式，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)的方法加以論述，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)高精度、高可靠性的運(yùn)行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；脈沖驅(qū)動(dòng)；自動(dòng)化；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）03-0029-02

在機(jī)電產(chǎn)品中，步進(jìn)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為直線位移或是角位移的電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是通過電脈沖信號(hào)觸發(fā)工作的數(shù)字式伺服執(zhí)行器件，具有易開環(huán)控制、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)步數(shù)精準(zhǔn)、抗外界干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且針對(duì)突發(fā)情況能迅速啟動(dòng)或停止，運(yùn)行可靠性強(qiáng)，因而，在自動(dòng)化領(lǐng)域，例如數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)設(shè)施等方面，它被廣泛地應(yīng)用其中。

1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)方法

與傳統(tǒng)的普通電機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)以脈沖信號(hào)為驅(qū)動(dòng)控制其角位移位置和方向的變化。它通過環(huán)形分配器開關(guān)裝置，在功率放大器的作用下將勵(lì)磁繞組依次與直流電源相通，進(jìn)而在空間中形成階躍性跳變的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大小受脈沖頻率控制。

由于步進(jìn)電機(jī)工作是以脈沖驅(qū)動(dòng)的形式，因而，可通過現(xiàn)代自動(dòng)化的控制技術(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行控制。控制方法主要包括模擬式和數(shù)字式控制方式：模擬式控制方式，如典型的PLC控制方式，其對(duì)電機(jī)的控制精度低，且易受外界干擾，因而，它在步進(jìn)電機(jī)中的應(yīng)用較受限；而數(shù)字式控制方式，主要常見于小規(guī)模數(shù)字電路、單片機(jī)電路和特殊用途邏輯控制電路等。小規(guī)模數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)體積大，所占空間、資源利用率較多，而特殊用途步進(jìn)電機(jī)的開發(fā)成本較高，且只限于專用電機(jī)的控制，因而，在通用型步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)上，一般選擇以單片機(jī)為核心處理器，配合使用軟、硬件電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位移定位進(jìn)行精確控制。

2 使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)化控制

2.1 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制原理

日常普遍使用的步進(jìn)電機(jī)分為二相、三相、四相等形式，電機(jī)的相數(shù)不同，其性能也會(huì)有差異，但不管怎樣，它們控制機(jī)理卻是互通的，即以脈沖勵(lì)磁信號(hào)驅(qū)動(dòng)。以24BYJ48步進(jìn)電機(jī)四相八拍驅(qū)動(dòng)為例，其線圈由A，B，C，D四相組成，如圖1所示。通電順序按照A→AB→B→BC規(guī)律進(jìn)行，即實(shí)行半步式工作，步距角為5.625°/64，即走64步為360°。在一個(gè)脈沖信號(hào)的作用下，電機(jī)根據(jù)通電方向旋轉(zhuǎn)5.625°，所以，24BYJ48電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度取決于脈沖勵(lì)磁信號(hào)作用。而脈沖信號(hào)則是由幅值大小、電源接通和斷開時(shí)間（或占空比）組成的，幅值可根據(jù)電源電壓進(jìn)行調(diào)整，其

接通和斷開時(shí)間可通過單片機(jī)延時(shí)

作用實(shí)現(xiàn)。延時(shí)時(shí)間的設(shè)定要根據(jù)

24BYJ48電機(jī)所需的工作頻率和所

需轉(zhuǎn)速共同判斷。其轉(zhuǎn)動(dòng)方向與內(nèi)

部繞組的通電順序密切相關(guān)，因而，

可以通過改變其繞組的通電順序?qū)?/p>

現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2.2 單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化控制

2.2.1 系統(tǒng)框圖

基于前文提到的步進(jìn)電機(jī)的控制機(jī)理可知，利用單片機(jī)改變輸出的脈沖信號(hào)的頻率和電平的正負(fù)方向等可以控制24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。其系統(tǒng)控制電路的主要組成包括單片機(jī)主控單元、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)等，單片機(jī)主控單元用以控制輸出脈沖信號(hào)的周期和方向，而驅(qū)動(dòng)電路的存在則是因?yàn)?4BYJ48步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流比較大，單片機(jī)輸出接口和步進(jìn)電機(jī)間不能直接連接。步進(jìn)電機(jī)的主要控制系統(tǒng)框架圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2.2.2 單片機(jī)對(duì)24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制

針對(duì)24BYJ48四相八拍式步進(jìn)電機(jī)，采用89C51芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的頻率和占空比的輸出控制。89C51芯片是帶有4 kB可編程存儲(chǔ)器的耗電低、性能強(qiáng)的8位CMOS微處理器，其可兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS—51Z指令集，并支持多種（例如C語言、匯編語言等）編程語言。此外，89C51芯片價(jià)格低廉，因而，在進(jìn)行嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，它是最為常用的芯片之一。

89C51芯片對(duì)24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制可通過軟、硬件相互結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)其控制原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)際上是控制其勵(lì)磁脈沖信號(hào)的頻率或是換相通電的時(shí)間。其中，單片機(jī)和脈沖分配器（例如8713型號(hào)）需要配合使用，脈沖分配器具有單時(shí)鐘或雙時(shí)鐘輸入方式，且可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、脈沖狀態(tài)檢測(cè)等功能，其接口配置電路圖如圖3所示。

單片機(jī)對(duì)24BYJ48步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①利用改變脈沖分配的方式，使24BYJ48步進(jìn)電機(jī)以四相四拍和四相八拍的形式交替工作，從而實(shí)現(xiàn)步距角的擴(kuò)大或縮小，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)合下運(yùn)動(dòng)精度的調(diào)整。②通過89C51芯片的軟件編程延時(shí)來控制接口輸出高低電平的時(shí)間間隔，從而改變脈沖信號(hào)的頻率和占空比。因?yàn)榫幊倘藛T可任意設(shè)定延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短，所以，利用該方式控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度范圍較大，可滿足多種場(chǎng)合的速度要求。③可以利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能以中斷方式控制脈沖信號(hào)的輸出頻率。通過在程序中預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值，利用89C51芯片中的定時(shí)器對(duì)系統(tǒng)晶振脈沖或其他形式的脈沖加以計(jì)數(shù)處理。當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到程序預(yù)設(shè)值后，觸發(fā)進(jìn)入中斷程序，改變脈沖信號(hào)的高低電平和占空比變化，并將計(jì)時(shí)器清零，然后再重新計(jì)時(shí)。這樣一來，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)24BYJ48步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和精度的控制。

2.2.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)上，一般常選擇全電壓驅(qū)動(dòng)方式，即在步進(jìn)電機(jī)移步或鎖步過程中以額定電壓值加壓。為避免步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)過流現(xiàn)象，且能更好地發(fā)揮驅(qū)動(dòng)性能，則需要增加限流電阻元件。在進(jìn)行限流電阻的選擇時(shí)，需考慮到步進(jìn)電機(jī)在進(jìn)行鎖步動(dòng)作時(shí)，限流電阻會(huì)消耗過多的電功率，因而應(yīng)盡量選取功率容量大的電阻。另外，還可應(yīng)用高低壓驅(qū)動(dòng)方式，即在電機(jī)進(jìn)行移步時(shí)，以額定電壓值為電機(jī)供電，以滿足其旋轉(zhuǎn)所需動(dòng)力的要求；而在電機(jī)進(jìn)行鎖步動(dòng)作時(shí)，要降低其驅(qū)動(dòng)電壓，從而降低流經(jīng)電機(jī)的繞組線圈的電流，如此一來，也能減少限流電阻所消耗的功率，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的提升。

3 結(jié)束語

在機(jī)電產(chǎn)品中，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和運(yùn)轉(zhuǎn)方向是由其驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)決定的，因而，在快速啟動(dòng)或急停方面，它比普通的電機(jī)更穩(wěn)定、高效，且受電壓和電流的影響較小。本文以24BYJ48步進(jìn)電機(jī)為例，采用C51單片機(jī)并通過軟、硬件綜合使用的方式，再通過編程靈活調(diào)整輸出脈沖的頻率和占空比，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速和精度的控制，滿足不同場(chǎng)合的使用需求。隨著單片機(jī)芯片的深入開發(fā)，其內(nèi)存的擴(kuò)大和程序執(zhí)行速度的提高等，將會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的控制朝著更精確、更可靠的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]潘健，劉夢(mèng)薇.步進(jìn)電機(jī)控制策略研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（15）：29-31.

[2]王海波，吳曉光.基于AT89S52單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009（06）：17-19.

[3]熊超美.步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南有色金屬，2011（02）：15-17.

[4]汪勇.嵌入式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].煤礦機(jī)械，2011（01）：13-15.

〔編輯：曹月〕