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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇步進電機驅動電路，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：PMM8731；SI-7300；步進電機；功率驅動電路
1PMM8713的功能特點
PMM8713是日本三洋電機公司生產的步進電機脈沖分配器。該器件采用DIP16封裝，適用于二相或四相步進電機。PMM8713在控制二相或四相步進電機時都可選擇三種勵磁方式（1相勵磁，2相勵磁，1－2相勵磁三種勵磁方式之一），每相最小的拉電流和灌電流為20mA，它不但可滿足后級功率放大器的要求，而且在所有輸入端上均內嵌有施密特觸發電路，抗干擾能力很強，其原理框圖如圖1所示。
在PMM8713的內部電路中，時鐘選通部分用于設定步進電機的正反轉脈沖輸入法。PMM8713有兩種脈沖輸入法：雙脈沖輸入法和單脈沖輸入法。采用雙脈沖輸入法的連線方式如圖2（a）所示，其中CP、CU兩端分別輸入步進電機正反轉的控制脈沖。當采用單脈沖輸入法時，其連線方式如圖2（b）所示，該圖中的CK為時鐘脈沖輸入，步進電機的正反轉方向由U／D的高、低電位決定。
片中的激勵方式控制電路用來選擇采用何種勵磁方式。激勵方式判斷電路用于輸出檢測；而可逆環形計數器則用于產生步進電機在選定的勵磁方式下的各相通斷時序信號。
2SI－7300A的結構及功率驅動原理
SI－7300A是日本三肯公司生產的高性能步進電機集成功率放大器。該器件為單極性四相驅動，采用SIP18封裝，其結構框圖如圖3所示。
步進電機功率驅動級電路可分為電壓和電流兩種驅動方式，電壓驅動方式有串聯電阻驅動和雙電壓驅動兩種，其中串聯電阻驅動在相繞組中串聯了一定阻值和功率的電阻。為了維持步進電機的相電流，通常要提高驅動繞組的相電壓，因此繞組串聯電阻驅動方式效率較低，但方法簡單，成本低，故在實際驅動電路中使用較多。雙電壓驅動在每相繞組導通時，首先施加高電壓VH使電流快速上升，當電壓上升到規定幅值時，將高電壓VH切斷，此時，回路以低電壓VL維持，電路驅動效率可大大提高，但因采用高低兩種驅動電源，且電源切換的控制電路比較復雜，因而較少采用。電流驅動方式最常用的是PWM恒流斬波驅動電路，也是專用集成電路中最常用的能獲得高性能的驅動方式，其中一相的等效電路圖如圖4所示。步進電機使用較高電壓的電源時，繞組電流幾乎可以近似直線地上升到預定值，此時由流過RS的檢測電流去控制一個斬波控制電路即可關斷T1，從而使繞組電流在續流回路（L、D1、T2、RS、）中續流并下降。當電流下降到規定時間后（達到某一電流）由脈沖電路產生脈沖至斬波控制電路可使T1接通，如此反復（由T1的反復開關）對繞組電流進行斬波控制，就可使電流平均值趨于恒定。外接穩壓二極管D2、D3可用作嵌位保護和內部集成續流回路（外接檢測電阻RS），從而避免T1開關所引起的尖峰感應電動勢所造成的尖峰電壓T1的危害。
3在步進電機中應用
步進電機是常用的執行機構，它用脈沖頻率控制轉動速度，而用脈沖的數目來決定轉動的角度。由于拖動負載大小不同，因此，僅僅接上電源是無法工作的，而必須接上相應的驅動器才能工作。驅動器的輸出可為電機各相提供相應通電順序的勵磁電流。實際上，步進電機的工作性能在很大程度上取決于所使用的驅動電路的類型和參數。步進電機可分為PM型、VR型和HB型三種。其相數有兩相，三相、四相、五相、六相等，常用的有兩相或四相混合式步進電機。
由SI—7300A、PMM8713和80C51構成的步進電機驅動電路如圖5所示，圖中，PD端為SI—7300A輸出電流IO的控制端，可以懸空或接高電平，當接高電平時可以適當提高SI—7300A的輸出電流IO。步進電機的旋轉方向和旋轉速度可通過80C51的鍵盤輸入，同時通過軟件可編程控制并行I／O口P1．0和P1．1，以輸出相應頻率的脈沖來控制步進電機。步進電機采用42BYG009型時，驅動電壓為24V，此時該功率驅動電路的矩頻特性如圖6所示。
圖5
關鍵詞:步進電機;單片機;調速系統;Proteus
中圖分類號:TP27文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)05-104-03
Design of Control System of Stepper Motor Based on Proteus and Single Chip Microcomputer
YANG Hong,LI Guohui
(Xi′an University of Post and Telecommunications,Xi′an,710061,China)
Abstract:Stepper motor is the open-loop control device changing the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement.The speed of stepper motor is controlled by turning the CP pulse frequency by the internal timer of AT89C52 single chip microcomputer,and its normal-reverse function is realized.The simulation is done by the Proteus software of EDA,and the hardware circuit is also designed.The results show that the simulation results by Proteus software and the hardware experimental results are basically consistent.The simulation is used firstly by Proteus,and it is transplanted into the corresponding hardware circuit.This way can reduce system′s developing costs and cycle,and has a certain promoting value.
Keywords:stepper motor;single chip microcomputer;speed regulating system;Proteus
0 引 言
步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執行部件。步進電機則有定位和運轉兩種基本狀態,當有脈沖輸入時步進電機一步一步地轉動,每給它一個脈沖信號,它就轉動一定的角度[1]。步進電機的角位移量和輸入脈沖的個數嚴格成正比,在時間上與輸入脈沖同步,因此只要控制輸入脈沖的數量、頻率及電動機繞組通電的相序,便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖輸入時,在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態,因此非常適合于單片機控制。步進電機作為一種高可控性的特種電機,利用其沒有誤差積累(精度為100%)的特點,廣泛應用于各種開環控制。
英國Labcenter electronics公司推出了嵌入式設計仿真與開發平臺Proteus,用戶可以根據需要搭建開發平臺,將編譯好的目標代碼加載到芯片中。目前支持的編譯器有Keil,GNU以及IAR等。在Proteus軟件中還可以查看多種調試信息,如源代碼執行情況、CPU寄存器信息、變量值以及FLASH與RAM中的信息等。大量的元件庫支持大型設計,而且在仿真中還可以觀察各元件的狀態。先通過Proteus仿真,再移植到相應的硬件電路,這種方式可以減小系統開發開支和周期,值得推廣。
1 系統的總體方案
該設計如圖1所示,將單片機AT89C52產生的驅動脈沖通過功率放大器放大,從而驅動步進電機。通過4個按鍵,實現步進電機的正轉、反轉、加速、減速等功能,通過軟件與硬件相結合的控制方法,實現了運用單片機對步進電機的穩定控制,實現grade 0~grade 9十級變速,轉速分別是3 r/min,5 r/min,8 r/min,10 r/min,12 r/min,15 r/min,30 r/min,40 r/min,60 r/min,120 r/min,變速范圍較廣,并采用LCD1602顯示屏即時顯示控制電動機的轉動信息。系統軟件編寫遵循模塊化設計的原則,代碼具有良好的易維護性和可移植性。本系統操作方便,可靠性高,其設計精度可以滿足一般工業控制的要求,能滿足現代化生產的需要,實現了對步進電機的良好控制。
圖1 系統原理圖
2 硬件設計
本系統的硬件設計主要包括單片機最小系統、步進電機驅動電路、LCD顯示電路、鍵盤電路等,系統電路圖如圖2所示。
圖2 系統電路圖
2.1 驅動電路的設計
步進電機不能直接采用直流或者普通交流來供電,必須采用專門的步進電機驅動控制器,其驅動控制器一般包括脈沖發生與分配單元、功率驅動單元,閉環控制電路中還將加入反饋和保護單元。大多數步進電機運動控制系統都運行在開環狀態下,因為成本較低,并無須反饋,故本設計采用了開環控制方式。
(1) 脈沖分配器
脈沖分配器又稱環形分配器。步進電機正常工作需要按照步進電機的勵磁狀態表所規定的狀態和順序依次對各相繞組進行通電或者斷電控制,各相驅動信號來源于脈沖分配器。脈沖分配器的主要功能是把來源于控制環節的時鐘脈沖串按一定的規律分配給步進電機驅動器的各相輸入端,控制勵磁繞組的導通或者截止。脈沖分配器是一種特殊的可逆循環計數器,只是這種計數器的輸出不是一般的編碼,而是步進電機激勵磁狀態要求的特殊編碼。
由于單片機的硬件資源完全夠用,采取軟件實現環形脈沖分配器的功能,使得硬件設計更為簡潔。
(2) 激勵方式
二相六線永磁式步進電機的激勵方式有一相、┒相、一至二相三種。一相激勵方式是指每一時刻四相中只有一相接通,步進電機以此方式工作時,溫升較高,電源功率功耗小,但是當速度較高時容易產生失步;┒相激勵方式是指每一個時刻四相中有兩相導通,然后按四相的順序循環;一至二相激勵方式使步進電機工作在半步狀態,與整步工作狀態相比較,半步狀態振動較小,且控制更準確。本設計中選用一至二相激勵方式驅動步進電機。
關鍵詞：步進電機電機控制系統
中圖分類號： TM3 文獻標識碼： A 文章編號：
前言
步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。
一、步進電機概述
步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的電磁機械裝置，是一種輸出與輸入數字脈沖對應的增量驅動元件，具有快速啟動和停止的能力。當負荷不超過步進電機所提供的動態轉矩值時，它就可能在一瞬間實現啟動和停止。它的步矩角和轉速不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環境條件(如溫度、氣壓、沖擊和振動等)的影響，僅與脈沖頻率有關。它每轉l周都有固定的步數，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。
正是因為步進電機具備上述優點，它已經被廣泛地用于自動控制系統中作為執行元件。但大多數設計人員常常習慣于用邏輯電路實現復雜的步進電機的控制，雖然已經取得很大成效，但實現起來成本高、費時多，而且一旦組成了電路，就很難再改動，因此不得不完全重新設計控制器。
微處理器與微計算機的先進技術和低廉的價格，給步進電機的控制開創了一個新的局面。人們完全可以借助于軟件來對步進電機實施控制，從而實現復雜而成本又不高的控制系統， 同時還可以很靈活地通過改變程序來改變控制方案。
二、步進電機控制系統細分驅動原理
步進電機的工作原理本質上靠勵磁繞組產生的旋轉的合磁場帶動轉子做同步運動翻。不細分時步進電機的合磁場將以一個固定的角度旋轉，如果對這個角度進行細分，那么就可以實現對步距角的細分。由于勵磁繞組通電之后產生磁通量正比于電流的大小。因而只要控制各個繞組的電流的大小和方向就可以控制步進電機各個繞組產生的合磁場的大小和方向。當步進電機工作在整步或半步時，只需對繞組進行正、反向通斷電控制。工作在細分狀態下就需要精確控制流過繞組電流的大小。細分驅動技術主要是通過對步進電機的相電流進行階梯化控制，使電機以足夠小的單位步距角運行。從而減小步長和低頻振動。提高電機的運行分辨率。
通過對相電流的均勻細分就能使步距角均勻n細分，這是在相電流與步距角之間為線性關系的前提下才能成立的。而實際上。由于步進電機磁化曲線本身的非線性和磁滯現象等因素的影響，等分相電流并不能等分步距角，而必須根據步距角和相電流的關系曲線，對各相電流加以控制和修正，才能實現步進電機步距角的均勻細分。另一方面合成磁場的幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。因此提出了一種恒流均勻細分控制的方法，它的基本思想是：維持步進電機內部合成磁場的幅值恒定，合成磁場的方向均勻變化。對于那種完全用硬件來實現步進電機細分的驅動電路，要進行恒力矩均勻細分控制是相當困難的，但是對于單片機控制的步進電機細分驅動電路，實現這種控制就容易多了，它通過軟件可以相應的數字量存儲于EPROM的不同區域，采用軟件查表法輸出細分電流的控制信號。
三、步進電機控制系統
本系統采用單片機控制步進電機，可以很方便地使不同相數的步進電機按任一種可行的通電方式進行控制。圖1是單片機控制步進電機系統的原理框圖。
圈1 單片機控制步進電機系統原理框圖
1單片機及其接口電路
本系統以MCS51系列8031單片機作為整個系統的控制中樞。由于考慮到系統的擴展，外接可編程的I／O接口芯片825用于LED顯示、打印機、步進電機等的接口。圖2是單片機及其接口電路的原理框圖。
圖2 單片機及其接口電路原理框圖
2系統直流電源
微型計算機及其接口一般要求一種或多種電源電壓，這些電壓的波動必須保持在標稱值的±5％以內，具有足夠的穩定度，否則整個系統就難以做到穩定地工作，而且也會影響測量的精度。根據系統的要求，設計了+5V和+24V直流電源，如圖3所示。
圖3 系統直流電源
圖中采用三端集成穩壓器，提高了整個控制系統的可靠性。所謂集成穩壓器一般是指把經過整流的不穩定電壓轉換成為穩定的輸出電壓的集成電路。這類器件一般具有較好的電壓調整特性、負載調整特性、抑制輸入電壓交流成分特性、溫度穩定性和過熱、過電流及安全工作區自動保護功能。
3步進電機驅動電路
本系統以單片機的I／O口8255A口作為單片機與步進電機的接口。由于A口驅動能力有限，而被控制的步進電機要求高電壓和大電流，所以在A口之后必須加一個驅動電路。圖4所示為步進電機的驅動電路。
圖4 步進電機驅動電路
圖中只畫出一相的驅動電路，其余兩相與之完全相同。在圖4中，三極管T1起著開關的作用。當三極管截止時，無集電極電流流通，開關相當于斷開；當三極管飽和時，流過最大的集電極電流，開關相當于閉合。而開關作用可由加于基極的電流來控制。
驅動電路由T2T3。兩個三極管組成達林頓式功率放大，驅動步進電機的3個繞組，使電機繞組的靜態電流達到近2A。
電路中使用光電耦合器將控制和驅動信號加以隔離。當控制輸入信號為低電平時，T1截止，輸出高電平，則紅外發光二極管截止，光敏三極管不導通，因此繞組中無電流流過；當輸入信號為高電平時，T1飽和導通，于是紅外發光二極管被點亮，使光敏三極管導通，向功率驅動級晶體管提供基極電流，使其導通，繞組被加電產生電流。
步進電機繞組中串聯電阻Ra的目的是為了限制繞組中的電流，因為繞組的直流電阻很小。繞組并聯一個二極管是為了在繞組斷電時提供磁能釋放回路，而不致使晶體管損壞。
電路中使用光耦合器件的作用主要體現在以下3方面：
(1)實現微計算機與外部現場不同電平之間的轉換。
(2)實現微計算機與外部現場的隔離， 防止外部干擾竄人微機內部造成破壞，保證系統安全可靠地工作。
(3)實現微計算機系統的地線與外部現場的地線分別連接，用以消除地線干擾，同時可利用光電隔離管的低通低能去掉現場竄人的高頻干擾信號，提高系統的可靠性。
三、步進電機控制程序的設計
1中斷服務程序
本系統利用T0產生定時中斷，主要用來完成計算和控制。
2步進電機控制子程序
步進電機各相繞組通電順序不同，轉動方向就不同。步進電機控制子程序的主要任務是判斷旋轉方向，按順序送出控制脈沖，并判斷所要送的脈沖是否送完。
本系統步進電機采用三相六拍運轉方式。若步進電機按A—AB—B—Bc—c—cA—A順序通電，步進電機正轉；若按相反方向通電，步進電機反轉。產生時序脈沖的方法是：
(1) 用單片機的I／0口8255A口低三位分別控制三相步進電機的A、B、C相繞組。
(2) 根據控制方式找出控制模型。
(3)按控制模型的順序，向步進電機輸入控制脈沖。
根據以上思路編寫步進電機控制子程序的流程圖，如圖5所示。其中，步進電機所要走的步數需事先存放在寄存器中，轉向標志可以存放在程序狀態寄存器用戶標志位中。當標志位為零時，步進電機正轉；當標志位為“1”時，步進電機反轉。正轉和反轉模型分別存放在片內或片外RAM中。
圖5 中斷服務程序流程圖
結束語
本文所研究的步進電機控制系統的脈沖檢測，中斷處理，現場保護，重置初態．恢復控制等，對于用軟件實現直線扦補的步進電機控制系統具有重要的意義。
參考文獻
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[2] 姜德美,謝守勇,甘露萍.步進電機啟動控制算法設計[J]. 西南大學學報(自然科學版). 2007(05)
【關鍵詞】單片機；步進電機；開關控制；驅動芯片
1 概述
隨著國民經濟的快速發展以及科學技術水平的不斷提高，人們對生產水平和生活質量要求越來越高。在現代化技術水平空前發達的今天，人們為了追求高效率的工業生產和高質量的日常生活，將電動機應用到社會各行業的各個領域。伴著微電子技術和數字化技術的發展，數字控制技術在電動機控制領域得到了廣泛而又深入的發展，而步進電機作為繼直流電機和交流電機后后的第三類電動機，以其獨特的支持數字化控制的特性，在自動化控制系統下，改變了傳統電動機的機電能量轉換的角色，在人類的生產生活邁進電氣化時代的過程中起到了關鍵性的作用。
2 步進電機
步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移進而轉化成線位移的開環控制元件，它在一種在矩形電脈沖的控制下，按照設定方向轉動固定角度從而實現特定位移的執行電機。當有脈沖信號發送到步進電機驅動接收器中，步進驅動器就會驅動步進電機按照既定方向轉動一個固定的角度，也就是“步距角”，從而實現固定的位移。對步進電機來說，“步距角”是固定不變的，是步進電機的走一步的距離，屬于步進電機的固有屬性，而對步進電機所有的控制都是步進電機一步一步“走”出來的。我們可以通過設定發送給步進電機的電脈沖的個數來控制步進電機總的角位移，從而實現位置的改變，通過控制發送步進電機電脈沖的頻率來控制步進電機角位移的速度和角速度，從而實現位置上的調速。
3 單片機控制步進電機
由于步進電機結構簡單、數字化控制方便、運行可靠以及步距角不受外界環境變化的影響、誤差不長期積累等優點，被廣泛應用到打印機、照相機、雕刻機等消費類產品，數控機床、工業機器人等工業控制以及各種醫療器械等機電產品中，單片機成本低、體較小、易編程等優點使其成為步進電機的完美搭檔，在步進電機的控制系統中，可以實現對轉動速度和方向的穩定可靠高效的控制。
3.1基于單片機的步進電機控制系統框架
基于單片機來控制步進電機進行運轉的系統是以單片機為核心，配合單片機最小系統的時鐘電路、復位電路，來控制步進電機運轉。如圖1.所示，為單片機控制步進電機系統框架結構圖。
圖1 單片機控制步進電機系統框架結構圖
該控制系統中，其中單片機型號為AT89C51，為整個系統提供控制指令的輸出，時鐘電路和復位電路為單片機最小系統的所必須的電路，開關控制電路只要是為用戶提供外部接口來人為地控制步進電機的狀態，顯示電路顯示當前步進電機的運行狀態，ULN2003芯片是步進電機的驅動芯片。
3.2單片機控制系統程序設計流程
使用P3端口讀取人為的鍵盤按鍵的信號，P0端口控制步進電機的工作模式。
（1）初始化單片機，初始化定時器/計數器，數據傳送端口，芯片使能以及初始數據賦值
（2）檢查步進電機狀態，是否處于使能狀態
（3）檢測P3口的狀態
a.如果正轉按鈕被按下，選擇較當前定時器的初始數據大的最小值賦值給定時器進行定時（單片機上電是步進電機停止，相當于控制信號頻率為0，定時時間無窮大），然后發送信號將步進電機使能，并啟動定時器開始計時。
b.如果加速按鈕被按下，選擇較當前定時器的初始數據小的最大值賦值給定時器進行定時，并啟動定時器開始計時。
c.如果減速按鈕被按下，選擇較當前定時器的初始數據大的最小值賦值給定時器進行定時，并啟動定時器開始計時。
d.如果停止按鈕被按下，停止定時器/計數器工作，停止改變連接步進電機端口值，并將步進電機使能端無效。
e.如果反轉按鈕被按下，檢查當前定時器定時是否處于較小值，如果值較小，先停止定時器/計數器工作和改變端口值，然后發送控制信號為步進電機提供正序換相通電，并判斷P0.0是否為0，如果不是，將其賦值為0，再啟動定時器/計數器工作。
（4）當定時器定時結束時，將當前連接步進電機的端口的值取反。
3.3步進電機工作流程
根據上述單片機程序流程，可以知道步進電機控制系統的工作流程。當單片機和步進電機的電源開關打開后，會看到“停止”的指示燈亮；當按下正轉開關，然后按下加速開關后，“停止”指示燈熄滅，“正轉”指示燈亮，步進電機按照較小的速度運轉；然后繼續按下加速，步進電機速度加快，當多次按下加速按鈕后，步進電機不再加速，而是保持一個較高的速度運轉；按下“減速”按鈕，步進電機速度減慢；繼續按下“減速”按鈕，步進電機速度繼續減慢直到停止運轉；按下“反轉”按鈕，“正轉”指示燈熄滅，“反轉”指示燈亮；按下“加速”開關，步進電機運轉速度增加；按下“減速”開關，步進電機運轉速度減小。
4 總結
單片機控制步進電機工作，主要是根據步進電機的工作特性，按照人為的意愿來編寫程序代碼，并通過一定的驅動電路或者芯片來驅動步進電機工作。當然，在實際的開發中還有很多細節應該注意，比如在步進電機反轉時要求此時轉速較小，以免破壞步進電機等，從而使單片機提供穩定的信號來控制步進電機運轉。
參考文獻：
[1]顧永南.基于PLC的步進電機控制方法分析[J].電源技術應用.2013（10）
[2]趙敏，劉新妹，李曉飛.步進電機變速控制系統的設計[J].可編程控制器與工廠自動化.2013（12）
【關鍵詞】 步進電機 單片機 控制技術
1 步進電機控制系統
步進電機控制系統是一個有機的完整的整體，由運動控制系統和操作控制系統組成"由操作系統完成把操作者的操作轉化為運動控制系統能接受的電信號，運動控制系統隨之作出反應，完成規定動作。步進電機是數控式電機，其最大特點是通過輸入脈沖信號來進行控制，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定"它具有輸入脈沖與電機軸轉角成比例的特征，將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。采用單片機作為控制核心的控制系統如圖1。
采用單片機來控制步進電機，實現了軟件與硬件相結合的控制方法"用軟件代替環形分配器，達到了對步進電機的最佳控制"系統中采用并行控制，用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅動電路"通過軟件的控制，單片機按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機的轉動，從而實現數字角度的轉換"轉動的角度大小與施加的脈沖數成正比，轉動的速度與脈沖頻率成正比，而轉動方向則與脈沖的順序有關。整個系統以單片機為核心，設計出硬件系統"以其中的幾個口控制驅動電路，由于步進電機工作時，電機繞組內的電流值一般都能達到數安培，而控制電機繞組內電流變化的控制信號一般都是由邏輯電路產生的數字信號，電壓一般比較低，為了防止單片機或控制信號等受到后級模擬電路的干擾，通常在驅動電源的設計時都要設計電壓隔離接口，以便把數字信號和模擬信號隔離開.所以將光電隔離電路接在驅動電路和單片機出口之間。
2 系統硬件設計
硬件是整個系統的平臺，各種功能的實現和軟件的運行都是以硬件為基礎的，所以硬件設計的合理與否從根本上決定了整個系統的質量（如圖2）。
本系統由電源顯示（指示）單片機（MCU）按鍵電路看門狗電路和電機驅動電路等組成"系統中采用并行控制，用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅動電路"鍵盤作為一個外部中斷源，設置了步進電機正轉反轉檔次停止等功能，采用中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉反轉速度等狀態。
AT89C2051提供以下標準功能：2KB Flash存儲器；128字節RAM；15條1/0引線；兩個16位可編程定時器/計數器；1個5向量2級中斷結構；1個全雙工UART口；1個精密模擬比較器以及片內振蕩器和時鐘電路，此外AT89C2051是用可降到0頻率的靜態邏輯操作設計的，并支持兩種可選的軟件節電方式"空閑方式停止CPU工作，但允許RAM定時器/計數器！串行口和中斷系統繼續工作"方式保存RAM內容，但振蕩器停止工作，并禁止所有其它部件的工作直
到下一個硬件復位，系統端口分配：
（1）Pl.0一Pl.3輸出BCD碼到七段顯示譯碼器CD4511，用于控制顯示的數碼
（2）PI.4一Pl.6：顯示動態掃描位選線，鍵盤掃描輸出線
（3）Pl.7：WTD（看門狗MAX813）定時器復位輸出口
（4）P3.0：方向指示LED控制口
（5）P3.1：工作方式指示LED控制口
（6）P3.2、P3.3：鍵盤掃描返回線
（7）P3.4、P3.5、P3.6，步進電機控制脈沖輸出口
顯示電路設計（如圖3）。
幾乎所有的單片機都需要復位電路，對復位電路的基本要求是：在單片機上電時能可靠復位；另外，單片機系統在工作時，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現死機現象導致單片機系統無法正常工作，為了克服這一現象，就產生了看門狗這一電路。
（l）運用監控電網及空間存在著豐富的電磁波，對微機系統隨時會造成電磁干擾，可能使CPU的運行出現死機！程序跑飛或進入死循環等，看門狗會讓CPU復位，從而使CPU的運行重新回到正常的工作程序中。
（2）電壓監控比如在系統上電初始階段和在欠壓情況下，系統各部件可能出現不確定狀態，造成意外操作，這時看門狗能使CPU復位而停止運行，直到電源電壓正常穩定才恢復運行。
（3）有些系統還要求在掉電瞬間能夠把運行中一些重要的數據保存下來，因掉電是很隨機的，看門狗中往往集成了電源監控電路，在掉電剛發生的時候能通知單片機保存重要數據。
關鍵詞：89S51；步進電機；達林頓管
Abstract：Take the monolithic integrated circuit as the core, unifies through the hardware and the software, step-by-stepped the electric motor with automatic and the manual method control to complete X direction and the Y direction movement control, the system has included the keyboard entry electric circuit, the monolithic integrated circuit master control electric circuit, the display circuit and the actuation electric circuit and two stepping motors. The master control electric circuit uses 89S51 monolithic integrated circuit, from P3 mouth keyboard entry, P1 mouth output control step-by-steps the electric motor pulse sequence, P0 and P2 mouth output demonstration signal. The display circuit use altogether positive numerical code tube realization the coordinates parameter demonstration which establishes from the keyboard. Actuates between the electric circuit and the master control electric circuit uses the optical coupler to realize the isolation. Outputs from the monolithic integrated circuit P1 mouth output pulse sequence through the Darington tube TIP122's enlargement to X direction and Y direction two step-by-steps the electrical machinery, thus realization system in X and Y two direction hoisting controls.
Key words：89S51； stepping motor；drington tube
中圖分類號：TM3文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）
引言
隨著經濟的發展，步進電機在車床、機器人等精密控制領域的使用越來越廣泛，而實現更準確、更智能、更安全高效的控制步進電機是當前最迫切需要。
使用單片機對步進電機進行控制，可以使控制更簡單、更精確，并且擴展性更好。
步進電動機工作原理
電動機定子上有A、B、C三對磁極，磁極上繞有線圈，分別稱之為A相、B相和C相，而轉子則是一個帶齒的鐵心，這種步進電動機稱之為三相步進電動機。如果在線圈中通以直流電，就會產生磁場，當A、B、C三個磁極的線圈依次輪流通電，則A、B、C三對磁極就依次輪流產生磁場吸引轉子轉動。 首先有一相線圈(設為A相)通電，則轉子1、3兩齒被磁極A吸住，轉子就停留在第一個位置上。然后，A相斷電，6相通電，則磁極A的磁場消失磁極B產生了磁場，磁極召的磁場把離它最近的2、4兩齒吸引過去，停止在第二個位置上，這時轉子逆時針轉了30°。再接下去B相斷電，C相通電。根據同樣道理，轉子又逆時針轉了30°，停止在第三個位置上。若再A相通電，C相斷開，那么轉子再逆轉30°，使磁極A的磁場把2、4兩個齒吸住。定子各相輪流通電一次轉子轉過一個齒。這樣按ABCABCA…次序輪流通電，步進電動機就一步一步地按逆時針方向旋轉。通電線圈每轉換一次，步進電動機旋轉30°，我們把步進電動機每步轉過的角度稱之為步距角。如果把步進電動機通電線圈轉換的次序倒過來換成ACBACB…的順序，則步進電動機將按順時針方向旋轉，所以要改變步進電動機的旋轉方向可以在任何一相通電時進行。
系統結構設計
系統設計要求
A. 能用單片機控制兩臺步進電機,實現吊裝控制；
B. 能實現變速和勻速控制。
系統組成
系統硬件包括鍵盤輸入電路、單片機主控電路、顯示電路、驅動放大電路以及X方向和Y方向兩個步進電機。
主控電路的P3口從鍵盤接收控制信號，然后對接收到的信號判別和進行對應的運算，從P1口輸出對應的脈沖序列，同時從P0和P2口輸出顯示信號，顯示電路完成對具體坐標的顯示；脈沖序列通過驅動電路的放大，輸出到X和Y兩個方向的步進電機。從而實現從鍵盤輸入到系統的控制。
硬件電路設計
步進電機選擇
實驗步進電機使用的是混合式4相步進電機，其工作電壓較低只有3.6V，單步相位，經過軟件細分，可以做到單步相位。
步進電機驅動部分
由于此步進電機的電流較大1.2A，開始設計時使用了達林頓陣列芯片ULN2003A來驅動，但該芯片單路工作最大電流僅提供0.5A，工作后不久，芯片溫度急劇上升，故未采用此方案，而是自己搭建達林頓陣列，選用了TIP122達林頓管,電流可達5A，已完全滿足電路的設計要求。
鍵盤輸入部分
為了能夠進行人機交互，必須有鍵盤輸入系統，考慮到本系統并不需要太多的按鍵信息，故采用普通的非編碼鍵盤.簡單的按鍵電路,可以實現在按下的時候是高電平。
方案一:用電容消除抖動。
方案二:在單片機程序里用10MS再檢測來消除抖動。
主控電路部分
關鍵詞： 可控電源；步進電機；89C2051
引言
步進電動機驅動方式主要分為恒壓驅動、恒流驅動、細分驅動等，其中恒壓驅動是成本最低、最簡單的解決方案，但是它的顯著缺點是：高頻力矩下降較快，無法滿足某些應用場合的要求。另外，目前市場上幾乎所有的步進電機驅動器都存在著低頻熱耗散大的缺點。在成本壓力較大、對功耗和高低頻力矩都有較高要求的情況下，如何取舍是一件很難抉擇的事情。
本設計通過一個低成本可控電源，針對控制頻率的全程范圍，相應輸出若干段電壓，低頻低壓、高頻高壓。同時，在同一頻率下采用高低壓驅動法，在電機啟動時刻提供高電壓，力矩保持階段提供低電壓，從而實現了低成本下的高頻力矩提升、低頻功耗下降的優良效果。
硬件設計
系統硬件電路主要由單片機電路、可控電源電路和步進電機驅動電路構成。單片機采用ATMEL公司的89C2051。實際應用中，用其P1口低4位輸出控制信號給可控電源電路，使可控電源輸出不同梯次的驅動電壓，當控制信號為“0000”時輸出電壓最低，控制信號為“1111”時輸出電壓最高，P1口高4位用于輸出相序控制信號給四相步進電機驅動電路，單片機根據控制策略決定驅動電壓的高低和相序的變化。
可控電源
可控電源部分主要由LM2576-ADJ、緩沖器、電阻、二極管組成，電路如圖1所示。圖中LM2576-ADJ是一個降壓型開關穩壓源，其輸出電壓為：
插電壓公式
其中VH為緩沖器輸出的高電平電壓，VD為二極管結壓降，VREF為參考電壓，Di為單片機I／O口數字量輸出。電路中采用緩沖器是為了提高高電平輸出的穩定性和電流驅動能力，權電阻網絡在單片機I／O口數字量控制下向VREF節點提供電流從而改變輸出電壓Vout二極管的作用是防止控制信號為低電平時產生反相電流。本設計采用4位I／O控制信號，形成了4位8級可調電源。
四相步進電機驅動電路
圖2所示為四相單極性步進電機驅動電路，主要由MOSFET、續流二極管、電阻組成。單片機I／O口輸出信號MA、MB、MC、MD為高電平時，相應的開關管MOSFET導通，Vout向對應的電機繞組供電。電路中為了減小驅動元件的壓降，采用了具有低導通電阻特性的MOSFET器件，利用二極管和電阻構成電機繞組的續流回路，避免了MOSFET器件在換相時由于瞬間電壓過高而擊穿。
控制方案及軟件設計
為了實現高頻力矩提升、低頻功耗下降的目的，設計中采用了高低壓驅動和驅動電壓根據頻率分段而調整相結合的控制策略。
高低壓驅動方案
圖3所示為單片機輸出的步進電機相序控制信號MA、MB、MC、MD與驅動電壓Vout的時序關系。控制相序依次為：ABBCCDDAAB…。圖中可見，步進電機每走一步驅動電壓首先變高為Uf，然后再變低為UO，即在電機啟動時刻提供高電壓，力矩保持階段提供低電壓。Uf值高于UO值的目的為了使電機保持較高的動態轉矩，經過T1時間后，驅動電壓變成UO，以便給電機提供較低的維持轉矩所需的電流。T1的值是固定的，當頻率較低時T遠遠大于T1，此時電源輸出的平均電壓低，功耗也低，電機做的功低。當頻率提高時，T減小，一個周期內U0電壓在時間軸上所占比例減小，電源消耗的功率增大，電機做功較大，當T小于等于T1時，驅動電壓為一個恒定值Uf，從而實現了低頻低功耗，高頻高能量供給的優化驅動模式，避免了常用驅動電路低頻熱耗散大的缺點。
根據頻率分段調整驅動電壓的控制
實際應用中，將工作頻率范圍分成若干段，不同頻率段對應不同的驅動電壓值，頻率越高驅動電壓越大。由于步進電機繞組是感性負載，換相過程中驅動回路電流變化率越大，電機的動態響應速度越快，動態轉矩越大。而電流變化率是與驅動電壓成正比的。所以本控制方案大大提高了步進電機的高頻轉矩。
步進電機驅動控制軟件
根據上述控制方案，設計了步進電機驅動程序。根據經驗值預先建立了不同段頻率與相應驅動電壓控制碼的對應關系表，并存入系統存儲器。運行過程中依據當前工作頻率，對應出每步周期T，再通過查表確定驅動電壓控制代碼，并由口P13－P10輸出給可控電源，同時口P17－P14輸出相序控制信號。另外，驅動電壓Uf建立時間T1決定了高壓輸出在每步驅動中所占的比例，T1時間到，則變成維持電壓UO(低壓)供電，從而實現了高低壓驅動。
應用情況與結果
Abstract: With the increased demand of mechanical and electrical products on the winding quality,the original PLC control system of winding machine has been difficult to meet the requirements of evolving mechanical and electrical products. Winding machine PLC control system has the disadvantages of high cost,single work way and inconvenient human computer interaction. To solve this problem,we designed a new control system that could replace PLC control system - using single chip to control motor windings machine controller.
關鍵詞:單片機;步進電機驅動器;加/減速控制
Key words: singlechip;stepper motor driver;accelerate/deceleration control
中圖分類號:F270 文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2010)12-0218-01
1系統性能及控制要求
1.1 系統性能
在本控制系統中,主要利用控制器輸出的CP、CW脈沖信號,通過步進電機驅動器對三臺步進電機的轉速、轉向進行控制,帶動機械傳動機構工作,實現繞線,另外通過拖板電機實現繞組位置轉動的控制,從而實現整個電機繞組的全自動化繞線操作。在生產過程中,可以根據操作的要求實現不同的繞線速度、線圈匝數等的設定。
1.2 控制要求
1.2.1 可預設多種控制模式。可預先設定慢速、中速、快速和拖板運行等四種操作模式。
1.2.2 每種控制模式下的加減速、步數可隨意設定。在任一控制模式下的加減速曲線、運行步數都可事先設定。
1.2.3 可同時控制三臺電機的同步工作和單獨控制一臺拖板電機工作。
1.2.4 具有斷電數據保持功能,能記憶上次的參數及最后一次運行值。
1.2.5 具有數據顯示及告警提示功能。
2設計方案的實現
2.1 硬件電路設計
2.1.1 整體電路設計思想。本設計采用STC89C51系列單片機芯片對步進電機進行控制,通過I/O口輸出具有時序的方波作為步進電機的控制信號,信號經過步進電機驅動器驅動步進電機工作;同時采用二極管矩陣鍵盤來對電機的狀態或設置進行控制,并用4位LED數碼管顯示出相關的參數,還利用AT24C02對系統參數進行存儲。
2.1.2 各功能電路的實現。①電源電路。將交流220V經過降壓、整流、濾波和穩壓的形式,得到直流9V和5V對控制器進行供電。②單片機最小系統電路。本單片機系統采用宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的STC89C51系列單片機芯片,它是MCS-51系列單片機的派生產品;它們在指令系統中、硬件系統和片內資源與標準的51系列單片機完全兼容。③鍵盤電路。采用二極管矩陣鍵盤電路,分別由P1.0-1.3作輸入,當某一按鍵被按下時,相對應的端口被置為高電平,此時CPU檢測到相應端口的變化,通過查表的方式確認按鍵的功能,減少CPU對各端口掃描時間,提高CPU的效率。④顯示電路。采用4只共陽數碼管作顯示,分別利用P0口對各數碼管的筆劃段進行掃描,P2.4-2.7口作循環掃描顯示控制,另外還通過P2和P3口作按鍵顯示和告警音提示等功能控制。⑤存儲電路。由于本系統需要存儲的數據比較多,并且要具有斷電數據保持功能,能對上次的參數及運行值進行記錄,因此采用AT24C02存儲器作數據存儲。⑥接口電路。分別利用P1.4、P3.5、P3.4口經過ULM2003反相放大后作CP脈沖和CW脈沖的信號輸出,對步進電機驅動器進行控制,從而達到控制步進電機轉速和轉向的目的。
2.2 軟件程序設計
在該系統中,相應的控制信號由單片機來產生,根據需要通過鍵盤輸入電機的轉動方向、轉動速度及轉動步數,在工作時用數碼管來動態顯示運行的步數。所以軟件部分由4大模塊組成:系統監控、鍵盤掃描及處理、顯示程序、控制信號產生程序。
2.2.1 系統監控模塊。在監控模塊中,應完成系統的啟動,進行鍵盤掃描得到相應鍵值,完成對步進電機轉向轉速、步數及運行方式的設置,并使步進電機按要求進行工作。為增加控制的靈活性,鍵盤輸入數據及啟動命令在鍵盤掃描及處理程序中實現。
2.2.2 鍵盤掃描及處理、顯示模塊。本軟件程序模塊主要完成對鍵盤有無鍵按下進行確認。當有鍵按下時,通過查表方式確定按鍵值,并根據所得鍵值進行處理,包括所按鍵是輸入鍵還是執行鍵。顯示模塊主要是完成在進行數據輸入時,顯示輸入的數據值。
2.2.3 控制信號產生模塊。①步進脈沖的產生。在采用單片機控制的步進電機開環系統中,控制系統的CP脈沖的頻率或者CW換向脈沖的高低電平實際上就是控制步進電機的運行速度和方向。②步進電機起動及加/減速控制。速度控制中加/減控制是最基本的控制。電機由靜止到達設定的最大的速度所需的時間是由調試決定的。加速度太大,電機甚至不能克服負載轉矩而失步,加速度太少,則完成指定的運動耗費時間太多,加速度有兩種方案:線性加/減速度控制和等步距加/減速度控制。③步進電機的換向控制。一般來說,驅動器的輸入共有三路,它們是:步進脈沖信號CP、方向電平CW、脫機使能信號EN。它們在驅動器內部分別通過限流電阻接入光藕的負輸入端,且電路形式完全相同,在這三路輸入信號的共同的控制下,驅動器將輸入合適的電流來控制步進電機完成指定的操作。
3結論
本控制器采用單片機控制的步進電機系統,其轉動方向、轉動速度及運行圈數可以通過鍵盤輸入,運用程序對這些數據進行處理,由單片機發出相應的控制信號,增加了控制的靈活性,經實踐使用,達到了預期的設計目的。本控制器對于不同的繞線系統,不同控制要求,通過修改相應的電路及相關程序即可實現,通用性強,具有自動化程度高、成本低、體積小、控制精確等優點,有很好的經濟效益和廣闊發展前景。
參考文獻:
[1]劉國永,陳杰平.單片機控制步進電機系統設計[J].安徽技術師范學院學報,2002.
關鍵詞：單片機 步進電機 細分驅動 控制
細分驅動是能夠有效改善步進電機上述缺陷的技術，與常規的步進電機驅動電路的主要不同在于環形分配器：對每相脈沖按照一定的要求進行細分。目前廣泛應用的以計數器和EPROM構成的細分驅動器有數據位寬的限制，當相數上升和細分數加大時，環分器的復雜性大大增加。對于利用單片機實現細分驅動的細分驅動器，由于單片機是一種非并行執行的器件，各信一號的同步受到一定影響，而且是一種軟件模式，可靠性不高，易產生失步。步進電機的性能在很大程度上取決于所用的驅動器，改善驅動器的性能，可以顯著地提高步進電機的性能。
1步進電機的細分技術
步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構，通俗一點講，當步進驅動器接收到一個脈沖信號時，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時，可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。按結構步進電機可分3種：永磁式（PM）、反應式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5°或15°。反應式步進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為，但噪聲和振動都很大，在發達國家早已被淘汰。混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優點，它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8°而五相步進角一般為0.72°，這種步進電機的應用最為廣泛。
步進電機的步距 （Zr為齒數，N為拍數），由于受制作工藝的限制齒數不能做得很多，因此步進電機的步距角就不可能很小， 而帶來步進時存在明顯的脈振不能精密移位的問題。
2步距細分的系統構成
步進電機細分驅動電路系統是由PWM計數器、波形ROM地址計數器、PWM波形ROM存儲器、比較器、功放電路等組成。其中，PWM計數器在脈沖時鐘作用下遞增計數，產生階梯上升的周期性鋸齒波，同時加載到各數字比較器的另一端；PWM波形ROM輸出的數據A[3..0]， B[3..0]， C[3..0]，D [3. . 0]分別加載到各數字比較器的另一端。當PWM計數器的計數值小于波形ROM輸出值時，比較器輸出低電平；當PWM計數器值大于波形ROM輸出值時，比較器輸出高電平。由此可輸出周期性的PWM波形。根據步進電機八分細分電流的要求，將各個時刻細分電流波形的要求，將各個時刻細分電流波形所對應的數值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址計數器產生。通過對地址計數器進行控制，可以改變步進電機的旋轉方向、轉動速度、工作/停止狀態。FPGA產生的PWM信號控制各功率管驅動電路的導通和關斷，其中PWM信號隨ROM數據而變化，改變輸出信號的占空比，達到限流及細分控制，最終使電機繞組呈現階梯形變化，從而實現步距細分的目的。
3基于單片機的步進電機細分驅動系統總體實現
本設計中，FPGA主要承擔產生電機的四相驅動信號、控制轉速、轉向功能。單片機主要計算分析ADC0809采集到的細分數、轉速、轉向等信息，并在液晶屏上顯示，可讓操作人員方便直觀地了解系統狀態，當系統出現電壓或電流異常，控制聲光報警系統進行報警。
3.1硬件構成
本控制系統以AT89C2051單片機為核心。結合步進電動機雙極性驅動芯片NJM3777驅動步進電動機，且通過一個雙7bit數/模轉換器NJU39612分別調制對應于NJM3777上的參考電壓VR，即組成了步進電機細分驅動控制系統。NJM3777實現恒流斬波控制是由開關方式獲得的：繞組電流流過傳感電阻RS，電流反饋電壓信號送至比較器，比較器的另一個輸入是參考電壓VR，當反饋電壓達到參考電壓VR值時，比較器輸出翻轉重置RS觸發器，關閉高側輸出晶體管。輸出電流衰減，直至下一個時鐘脈沖的到來，使觸發器翻轉，輸出晶體管重新導通，每個周期這樣重復，維持輸出平均電流在一個恒定值上。NJM3777在不增加任何擴流器件時，可直接驅動步距角0.9/1.8°，驅動電壓+24 V，脈沖相電流800 mA以下的兩相混合式步進電機（例如BYG4501型等），以此構成的控制系統極為簡單，具有較高的性價比。
3.2單片機軟件設計
單片機軟件包括主程序和中斷子程序。主程序對系統進行必要的初始化，獲得用戶設定輸入，包括運行模式設定（正/反轉）以及預置數（細分次數、運行速度等）設定，根據不同的運行模式調用相應的子程序，開相應的中斷。在系統上電初始化完畢后，除非出現電機故障，否則系統一直等待中斷，若產生中斷，則程序就轉去執行相應的中斷服務程序對電機的控制主要是在中斷子程序中進行的。
在細分電流的驅動下，線性電流的驅動下，步進電機轉子的微步進是不均勻的，呈現出明顯的周期性波動。磁場的邊界條件按齒槽情況呈周期性重復是導致步距角周期性變化的根本原因。同時，不可避免的摩擦負載以及其他負載力矩的波動導致失調角出現不規則的小變動或小跳躍，也使微步距曲線在周期性波動上出現不光滑的小鋸齒形。步進電機的電流矩角特性并非線性函數，而是近似于正弦函數。若使電流按線性規律上升或下降，必然會造成每一細分步的步距角不均勻，從而影響步距精度。為此在設計中，需要提高LPM_ROM數據精度，將數據提高到16位，使輸出的步進細分電流近似為正弦電流，這樣不僅提高了步距精度，而且可以改善低頻振蕩。
結論
上述步進電機的細分驅動技術，根據電流矢量恒幅均勻旋轉原理確立了基于單片機控制的細分驅動模式，本文針對超高精密定位和數控加工等場合對步進電動機提出的精確控制要求，設計出一種構造簡單、成本低、集成度高、運行穩定可靠的細分驅動控制系統。
參考文獻：
[1]程志國，王新洪. 步進電動機系統細分波形修正技術[J]. 微電機，2005，38（5）：25-27.
關鍵詞:步進電機控制系統，插補算法，變頻調速，軟硬件協同仿真
1引言
作為一種數字伺服執行元件，步進電機具有結構簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優點，廣泛應用在數控機床、機器人、自動化儀表等領域。為了實現步進電機的簡易運動控制，一般以單片機作為控制系統的微處理器，通過步進電機專用驅動芯片實現步進電機的速度和位置定位控制。
2圓弧插補改進算法
逐點比較插補算法因其算法簡單、易實現且最大誤差不超過一個脈沖當量，在步進電機的位置控制中應用的相當廣泛[1]。圓弧插補中，為了確定一條圓弧的軌跡，可采用：給出圓心坐標、起點坐標和終點坐標;給出半徑、起點和終點坐標;給出圓弧的三點坐標等。在算法實現時這些參數若要存放在單片機內部資源有限的數據存儲器（RAM）中，如果要經過復雜的運算才能確定一段圓弧，不但給微處理器帶來負擔，而且要經過多步運算，往往會影響到算法的精確度。因此選取一種簡單且精確度高的插補算法是非常必要的。本文提出了一種改進算法：在圓弧插補中，無論圓弧在任何位置，是順圓或是逆圓，都以此圓弧的圓心作為原點來確定其他坐標。因此只須給出圓弧的起點坐標和圓弧角度就可以確定該圓弧。如果一個軸坐標用4個字節存儲（如12.36），而角度用2個字節存儲（如45°），則只需要10個字節即可確定一段二維的圓弧。較之起其他方法，最多可節省14個存儲單元。現以第I象限逆圓弧為例，計算其終點坐標。如圖1所示，（X0，Y0）為圓弧的起點坐標，（Xe，Ye）為圓弧的終點坐標，θ為圓弧的角度。
圖1圓弧軌跡示意圖
圓弧半徑：，
終點坐標：
終點坐標相對X軸的角度：
本系統要求輸入的角度精確到1度，輸入坐標的分辨率是0.01，單片機C語言的浮點運算能精確到0.000001，按照上面的公式算出的終點坐標，雖存在誤差，但這個誤差小于1%，能夠滿足所要求的精確度。
3步進電機的變頻調速
雖然步進電機具有快速啟停能力強、精度高、轉速容易控制的特點，但是在實際運行過程中由于啟動和停止控制不當，步進電機仍會出現啟動時抖動和停止時過沖的現象，從面影響系統的控制精度。尤其是步進電機工作在頻繁啟動和停止時，這種現象就更為明顯[2]。為此本文提出了一種基于單片機控制的步進電機加減速離散控制方法。加減速曲線如圖2所示，縱坐標是頻率f，單位為脈沖/秒或步/秒。橫坐標時間t，單位為秒。步進電機以f0啟動后加速至t1時刻達到最高運行頻率f，然后勻速運行，至t2時刻開始減速，在t5時刻電機停轉，總的步數為N。其中電機從靜止加速至最高運行頻率和從最高運行頻率至停止至是步進電機控制的關鍵，通常采用勻加速和勻減速方式。
圖2時間與頻率的函數圖
圖3離散化的時間變頻圖
采用單片機對步進電機進行加減速控制，實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔，可采用軟件和硬件兩種方法。軟件方法依靠延時程序來改變脈沖輸出的頻率，其中延時的長短是動態的，該方法因為要不停地產生控制脈沖，占用了大量的CPU時間;硬件方法是依靠單片機內部的定時器來實現的，在每次進入定時中斷后，改變定時常數（定時器裝載值），從而升速時使脈沖頻率逐漸增大，減速時使脈沖頻率逐漸減小。這種方法占用CPU時間較少，是一種效率比較高的步進電機調速方法。考慮到單片機資源（字長）和編程的方便，不需要每步都計算定時器裝載值。如圖3所示，采用離散方法將加減速曲線離散化。離散化后速度是分臺階上升的，而且每上升一個臺階都要在該臺階保持一段時間，以克服由于步進電機轉子轉動慣量所引起的速度滯后。只有當實際運行速度達到預設值后才能急速加速，實際上也是局部速度誤差的自動糾正。
4系統軟硬件協同設計
對于51系列單片機的軟件開發，傳統的方法是在PC機上采用Keil等開發工具進行程序設計、編譯、調試，待程序調試通過之后生成目標文件下載至單片機硬件電路再進行硬件調試[3]。這種方法只有硬件電路完成之后才能進行系統功能測試，若此時發現硬件電路存在設計問題且必須進行修改時就會顯著影響系統開發的成本和周期。為此，本文采用了系統軟硬件協同仿真的開發方法，使得硬件電路實現前的功能測試成為可能。同時硬件電路的軟件化仿真為硬件電路的設計與實現提供了有力的保障。其中在KeiluVision2集成開發環境下，實現步進電機控制系統的程序設計、編譯、調試，并最終生成目標文件＊.hex，而由英國ProteusLabcenterelectronics公司所提供的EDA工具Proteus則利用該目標文件＊.hex實現對步進電機控制系統硬件電路功能的測試。
圖4步進電機控制系統硬件電路仿真
如圖4所示，單片機AT89C55司職步進電機控制器，通過運行在KeiluVision2環境下所開發的程序來控制兩個步進電機驅動芯片L298，從而實現對AXIS_X/AXIS_Y兩軸步進電機的聯動控制。L298驅動芯片的步進脈沖輸入信號來自AT89C55P0端口，使能信號ENABLEA與ENABLEB并聯接到AT89C55的P3.0、P3.1口，由程序控制實現步進電機的使能，從而避免電機線圈處于短路狀態而燒壞驅動芯片。4x4鍵盤陣列接AT89C55的P1端口，通過程序設計定義每個按鍵的具體功能。LCD的數據端口DB0～DB7接AT89C55的P2端口，控制端口RS,RW,E分別接單片機的P3.5,P3.6,P3.7口。相關的參數值、X/Y軸坐標值可以通過LCD以文本方式顯示。本文采用軟硬件協同仿真的方法經過設計à測試à修正à再測試一次次迭代開發，在制作控制系統硬件電路之前即可實現對系統整機功能的測試。待系統程序和硬件電路設計方案最終完善之后便可以實際制作如圖5所示的硬件電路。顯然該種方法可以顯著提高系統軟硬件開發的成功率，從而有效降低系統的開發周期和開發成本。
5應用實例
圖5即是根據圖4進行硬件電路仿真的最終結果所制作的步進電機控制系統電路板。該電路驅動X/Y軸步進電機通過滾珠絲桿帶動二維工作臺作聯動，并由一只鉛筆模擬加工刀具將所要加工的二維軌跡描繪出來。
圖5步進電機控制系統硬件電路
圖6二維模擬工作平臺運動軌跡
6結束語
本文在分析了傳統的逐點比較插補原理的基礎上提出了一種以最少的參數確定一條圓弧軌跡的插補方法。實現了一種有效的步進電機變頻調速的方法。采用系統軟硬件協同仿真的開發方法，使硬件電路實現前的功能測試成為現實，從而顯著改善系統開發的成本和周期。該種方法同樣也可以應用于其它類型控制系統的開發。
參考文獻
[1]廖效果,朱啟逑.數字控制機床.武漢:華中理工大學出版社.1999.3
【關鍵詞】步進電機控制 計算機并行口
國外在大功率的工業設備驅動上，目前基本不使用大扭矩步進電動機，但是國外在小功率的場合，如工業器材、工業生產裝備、打印機、復印件、速印機、銀行自動柜員機，還是廣泛的使用步進電機。
步進電機是一種簡易的開環控制，步進電機具有快速啟動和停止的能力，它的步距角和轉動速度不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環境條件如溫度、濕度、沖劑、振動等的影響，僅與驅動頻率有關。它每轉一周都有固定的步數，在不超載和延時合適的情況下，不會產生失步，其步距誤差不會長期積累。步進電機不需位移傳感器就可精確定位，所以在精確定位系統中應用廣泛。
一、步進電機的控制系統設計
本次設計中使用的步進電機為12V的四相步進電機。四相步距電機的控制方法有四相單四拍，四相單、雙八拍和四相雙四拍三種控制方式。本系統中采用的是四相單四拍控制方法按照四相單四拍控制方法，電機正轉時的控制順序為ABCDA。I/O 的高四位的值參見表1。
表1
二、計算機并口引腳設計定義
標準的Centronics并行接口，可實現單字節的高速數據傳輸。接口插座為DB-25針型插座，其引腳序號如圖1所示。
圖1 計算機并口引腳序號
圖2 計算機并口引腳的定義
并口引腳信號的定義如圖2所示，并行接口輸出的是TTL標準的邏輯電平，輸入信號也要符合TTL標準。這種特性可以使接口容易應用在電子設計中。大部分的PC并行接口能吸收和輸出12mA左右的電流，如應用時小于或大于這個值，應使用緩沖電路。在于計算機進行對接時候，電纜的最大長度是2m，最好使用帶屏蔽線的雙絞線電纜（每一對雙絞線中，一根是信號線，另一根是用于屏蔽的地線）。
三、系統硬件設計
此控制系統，用數據端口D0―D7中的D0、D2、D4、D6也就是D型25針的第2、4、6、8針腳作為數據輸出，第18―25針腳全部接地。由于并行口輸出電平與TTL兼容，因此從硬件上來說從并行口出來家驅動后可直接控制步進電機，其他交由軟件完成。
本次設計對步進電機的驅動是用4個三極管來完成的。在單片機控制步進電機中以2803A驅動，2803可以完成最大500mA的灌電流，而并口輸出電平大約在1.8V左右，并口輸出不能直接接入三極管而必須加電阻，筆者采用8050NPN型三極管，放大倍數大約為170，由此可計算出并口與三極管間接入2K電阻。硬件電路如圖3所示。
圖3 計算機控制的硬件電路圖
并行口直接控制步進電機最大的難點在于如何在WindowsXP下訪問并行端口。在DOS，Windows95/98系統里可以在VC++6.0環境下使用_outp（）的API函數直接訪問端口，但是由于基于系統安全的考慮WindowsXP不能直接獲得端口的訪問訪問權限，所以只有通過第三方軟件來實現對并行口的控制。使用Borland C++Bilder 6.0作為操作平臺，通過編寫訪問打印口的TParallelPort 類（見附錄B），這個類通過Yariv Kaplan的WinIo實現的底層操作。執行程序（見附錄C），此程序實現了從D0―D7循環輸出高電平，使4個三極管順序循環導通取動步進電機四相，步進電機的計算機并口控制就實現了。
四、總結
關鍵詞：PLC S7-300 步進電機 運動控制 接線圖
0 引言
作為執行機構，步進電機可以將電脈沖信號轉換成角位移，被廣泛用于數字控制等控制系統中。基于微處理器的PLC適用于工業環境，通過其內部存儲器可執行邏輯運算、定時、計數等操作指令[1]。隨著PLC功能不斷升級，其強大的組態功能實現了程序的模塊化和參數設置的可視化，降低了程序編制的復雜性和出錯率，用微小型PLC構成的各種步進電機運動控制系統具有控制簡單、運行穩定等特點[2]。若為PLC增加功能擴展模塊，無疑會增加產品成本。鑒于這一原因，本文研究一種結合定時器和計數器作為脈沖發生器實現用PLC控制步進電機運動功能的方法。
1 系統的總體設計
系統整體工作流程圖如圖1所示[3]。
系統硬件按功能分為四個部分：可編程序邏輯控制器、驅動器、步進電機和直流穩壓電源；系統程序設計部分則主要包括主程序、子程序、仿真調試、燒寫部分。此系統的核心控制部分選用S7-300的PLC，因此，系統程序設計是此運動控制系統的核心。
2 硬件的選擇與連接
所選用的設備主要有可編程序邏輯控制器、兩相混合式步進電機、兩相混合感應式步進電機驅動器、直流穩壓電源、數字萬用表和PC機等[4]，其運動控制系統原理圖如圖2所示。
在圖2中，S7-300系列PLC的CPU模塊選用CPU
314C-2DP；步進電機選用兩相混合式57BYG H0408型，
可設置0.9°/1.8°兩種步距角；選用的SJ-230M5型驅動器設置為2細分0.9°，相電流為2A；穩壓直流電源提供的直流電壓為24V，分別對PLC和驅動器提供直流電源，其中對于PLC連接驅動器模式，需在步進脈沖信號CP和方向電平信號DIR端上分別并聯上1.8k的電阻以限流，為驅動器內部光耦提供8-15mA的驅動電流[5]。
3 系統程序設計
在此研究中，設定步進電機的運行過程為：啟動正向慢速運行正向快速運行反向快速運行反向慢速運行停止，要求通過S7-300型PLC實現這一連續運動過程。
3.1 I/O地址分配 在進行程序設計之前，為了便于程序編寫，需要對PLC系統的I/O信號進行地址分配，如表1所示。
3.2 系統程序編寫 PLC是模塊式結構，其程序編寫可進行模塊化，即將整個程序分為主程序和子程序兩部分進行編寫，以便調試與操作[3]。根據表1中I/O地址分配結果，進行程序編寫。
3.2.1 主程序OB1。程序開始之后，首先進行初始化。初始化包括消除沒有保持功能的位存儲器、定時器和計數器，消除中斷堆棧和塊堆棧的內容，復位保存的硬件中斷等。程序初始化之后，系統執行用戶已編寫程序的啟動組織塊OB1，完成用戶設定的初始化操作，并對所用到的脈沖計數器進行初始化，然后調用步進電機運動控制工序步驟的子程序FC1。在主程序OB1中，由于步進電機驅動器的細分為2細分，則電機轉子旋轉一周所用脈沖數為400，故計數器C0-C3的脈沖計數值設定為400。
3.2.2 部分子程序FC1。根據閃爍電路產生脈沖序列的思想，利用定時器產生步進電機在不同工作方式下所需要的脈沖序列，然后按照控制開關狀態輸出到各相對應的輸出點控制步進電機運動。
以正向慢速旋轉到正向快速旋轉為例，采用STL語言進行編寫的部分子程序FC1如下：①正向慢速旋轉。在正向慢速旋轉程序中，應用到兩個定時器（T1、T2）配合使用構成閃爍電路。首先對兩個定時器進行合理的時間分配，取脈沖信號的高低電平寬度均為40ms，此時產生的脈沖序列作為慢速運行的驅動信號；然后，設置計數器的計數值為400；最后，由計數器C0的輸出信號作為電機轉速改變的一個控制信號。②正向快速旋轉。在正向快速旋轉程序中，應用到兩個定時器（T3、T4）配合使用構成閃爍電路。首先對兩個定時器進行合理的時間分配，取脈沖信號的高低電平寬度均為10ms，此時產生的脈沖序列作為快速運行的驅動信號；其它部分與正向慢速旋轉部分程序相同。
4 實驗結果與總結
首先對所編寫的程序進行大量的仿真調試，當仿真結果基本達到預期目標時，再將程序燒寫到S7-300型的PLC存儲器中，在已搭建好的硬件電路中進行試驗，以下即是仿真調試與試驗運行中所觀察并記錄的結果，如圖3所示。
對于兩相步進電機，可以采用對A、B兩相進行間歇通電的方式進行控制，由圖3可知，寬脈沖是步進電機慢速運行的脈沖分配情況，而窄脈沖是步進電機快速運行的脈沖分配情況。通過記錄步進電機在各種運行方式下的轉速變化情況，可以繪制出步進電機的一個完整運行過程的速度變化圖，如圖4所示。由圖4可知，步進電機的轉速變化是直線上升或下降，這是由于314C-2DP型的PLC并沒有使用加速度功能。
在工業控制系統中對步進電機進行控制時，常常會采用步進電機驅動器對其進行控制，此時可以考慮輸出脈沖的頻率以及步進電機的轉向，而不用考慮各相的時序問題，因此，基于工業生產現場的條件下，為了獲取比較穩定的脈沖序列，可以采用PLC作為脈沖發生器，該型控制器不僅控制程序簡單，而且具有極強的抗干擾能力。
參考文獻：
[1]廖常初.S7-200 PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2007：1-23.
[2]王永華.現代電氣控制及PLC應用技術（第二版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：1-408.
[3]王濱生，孫晶.PLC在步進電機驅動系統中的應用[J].機床電器，2001（2）.
基金項目：黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12531524）。
