单片机控制步进电机设计及失步原因分析，51单片机驱动步进电机的方法

　　步进电机又称为脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理，它是一种可以自由回转的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。其原始模型是起源于年至年间。年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。二十世纪初，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。由于西方资本主义列强争夺殖民地，步进电机在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中得到了广泛的使用。二十世纪五十年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到了八十年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电机的控制方式更加灵活多样。

　　步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是，它接收数字控制信号电脉冲信号并转化成与之相对应的角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流控制系统相比，其成本明显减低，几乎不必进行系统调整。步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可获得所需的转角、速度和方向。

　　

　　单片机控制步进电机的设计与步进电机失步原因

　　单片机控制步进电机的设计

　　步进电机是工业控制中应用十分广泛的一种电动机，它能将数字信号直接转换成角位移或线位移，驱动速度和指令脉冲能严格同步，具有较高的定位精度，控制系统成本低廉，在经济型数控机床等领域应用广泛。这里针对电磁干扰较强以及要求低成本应用的场合，采用超强抗干扰、小巧低功耗的工业级STC12C系列单片机，充分利用单片机内部的硬件资源，设计实用的步进电机控制和驱动系统。

　　1、控制系统总体方案设计

　　系统功能原理示意图如图1所示。

　　

　　在该系统中由单片机直接输出电机的各相控制脉冲序列，光耦进行必要的光电隔离，采用分立元件构成功率.MOSFET管驱动电路，带动电机转动。键盘接口与 LED显示功能由具有SPI串行接口功能的ZLG7289实现。既可使用按键输入的方式精确设置电机的工作方式与转速，也可以通过调速旋钮实现电机转速的连续调节，还能通过上位机实现对电机工作方式的调整与控制。

　　2、硬件电路设计

　　2.1 控制电路设计

　　控制芯片采用STC12C4052AD，它是1个时钟/机器周期的单片机，速度比普通的8051单片机快8～12倍，有20个引脚且为小巧封装。该单片机具有超强抗干扰，抗静电的特点，能轻松通过4 kV快速脉冲干扰，其功耗超低，正常工作模式下的典型功耗为2.7～7 mA。芯片自带硬件看门狗，具有高速SPI通信端口，8通道8位A/D转换，2路PWM输出，4 KB容量的FLASH存储器，256 B容量的SRAM，4个定时器，1个全双工串行通信口。由于单片机内部的资源丰富，性价比高，能够满足该设计的要求，而且减少了硬件电路的设计，提高了工作效率。单片机的外部引脚定义，及其在该设计中的资源分布如图2所示。

　　

　　P1.4（ADC4）口外接4.7 kΩ的可调电位器，利用单片机内部的模/数转换功能转换成数字量，进而控制输出脉冲频率，完成步进电机速度的“连续”调节。过流检测的结果直接引入到外部中断0，实现对电流的快速控制。

　　2.2 驱动电路设计

　　功率MOSFET管的部分驱动电路如图3所示。该电路的设计可改进功率MOSFET管的快速开通时间，提高了驱动电流的前后沿陡度，能够改善高频响应。功率MOSFET管栅源间的阻抗很高，工作于开关状态下漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极，产生相当幅度的VGS脉冲电压。正方向的VGS脉冲电压可能会导致器件的误导通。为此，需要适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源之间并接阻尼电阻或接一个稳压值小于20 V，而又接近20 V的齐纳二极管，以防止栅源开路工作。

　　

　　为了抑制功率管内的快恢复，二极管出现反向恢复效应，在电路中接入4只快恢复二极管。其中，反并联快恢复二极管的作用是为电机相绕组提供续流通路，其余2 只是为了使功率MOSFET管内部的快恢复二极管不流过反向电流，以保证功率MOSFET管在动态工作时能起到正常的开关的作用。

　　2.3 显示与按键处理电路

　　在单片机应用系统中，典型的键盘显示接口电路由基于并行扩展技术的8155，8279构成控制电路。现代单片机应用系统广泛采用串行扩展技术。相对于并行方式，串行扩展接线灵活，占用单片机资源少。

　　ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片，单片即可完成显示、键盘接口的全部功能。采用串行方式与微处理器通信，数据从DIO引脚送入芯片，并由CLK端同步。当选信号变为低电平后，DIO引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入 ZLG7289A的缓冲寄存器。图4是ZLG7289的典型应用。ZLG7289A连接共阴式数码管，应用中不需要的数码管与键盘可以不连接，省去数码管或对数码管设置消隐属性，这均不会影响键盘的使用。整个电路无需添加锁存器和驱动器，耗电少，软件设计中无需编写显示译码程序，省去了静态显示扩展芯片，大大节省了CPU的时间。该电路设计中仅采用4×4键盘和4位数码管，已完全满足设计需要。

　　

　　3、软件设计

　　软件部分采用模块化结构设计。对步进电机转速的控制是通过定时器工作在中断方式实现的。定时器定时中断产生周期性脉冲序列，不是采用软件延时的方式，这样不占用CPU的时间。CPU在非中断时间内可以处理其他事件，只有在中断发生时才驱动步进电机转动一步。根据步进电机励磁状态转换，采用查表法求出所需的输出状态，并以二进制码的形式依次存入单片机内部的存储器中;然后按照正向或反向顺序依次取出地址的状态字，送给STC12C4052AD，输出各励磁状态，从而实现环形分配器的功能。

　　程序总体框架包括：主程序、过流检测中断服务子程序、定时器中断服务子程序、以及其他子程序（包括正转、反转子程序、键盘显示控制子程序、A/D转换子程序等），由于篇幅限制，在此不一一叙述。

　　4、系统测试

　　该系统采用超强抗干扰，小巧低功耗的工业级STC12C4052AD单片机为控制核心，工作可靠性高，抗于扰能力强。系统测试在专门的检测实验室内进行。利用群脉冲发生器（EFT-4001）、周波电压跌落发生器（VDG-1105）、静电放电发生器（ESD-20）以及雷击浪涌发生器（SG-5006） 等专用仪器对系统的电压变化抗扰度、快速瞬变脉冲群抗扰度、抗静电和雷击浪涌等参数进行检测。经过实验，系统功能正常，所有参数均已达标。

　　

　　电子技术发展日新月异，新型单片机层出不穷。在电机控制系统开发过程中，如果恰当选取单片机以及各电路模块的型号，能够简化设计过程，起到事半功倍的效果。该系统采用STC12C4052AD单片机，其工作方式、转动速率及转矩数可以通过键盘输入，也可通过普通旋钮或上位机调节。键盘显示模块采用 ZLG7289实现。本系统具有通用性，适当改变输出口各位控制端，便可控制不同相数的步进电机。

　　单片机控制步进电机的失步原因分析

　　单片机控制步进电机易出现失步、低频振动及易受外界电磁干扰而影响步进电机的正常工作，从步进电机本身的特性和控制驱动系统等方面分析了问题出现的原因，从控制驱动系统电磁干扰方面来讲步进电机运行时的不稳定主要受两个方面的影响，一是步进电机本身的机械特性所致，另一方面是控制驱动系统本身受外界环境因素和程序结构等方面产生的影响。

　　步进电机运行时存在的低频振动即转子的振荡现象，会引起齿轮碰撞，产生噪声！这种噪声是步进电机的固有特性造成的;同时步进电机还存在谐振点，当转子转速达到其机械谐振点时就会产生谐振和噪声;另外步进电机在高频启动和停止时也会因为强烈的冲击产生振动和噪声。

　　电磁干扰将有可能使单片机控制系统工作发生紊乱，使单片机产生误动作甚至死机等，严重影响步进电机运行的稳定性。单片机控制步进电机的驱动系统产生电磁干扰的干扰源主要来自外部电源、内部电源、印制板自制干扰、空中周围电磁场干扰、外部干扰信号可以通过公共导线、电容、相邻导线的互感以及空间辐射等途径从干扰源耦合到敏感元件上。

　　驱动系统中影响比较突出的几个方面加以分析：

　　1、布线不合理。同一回路或不同回路间布线不合理时容易产生感生电动势，形成电磁干扰。

　　2、供电干扰。工作时，交流电网负载突变时产生幅值较大的瞬变电压波经由直流稳压电源进入电子控制回路，从而影响单片机供电电源的稳定。

　　3、单片机与步进电机驱动回路之间，驱动回路产生的干扰信号通过线路窜入单片机，使单片机产生误动作，从而导致步进电机出现多步或失步现象。

　　4、步进电机的电枢绕组通断频繁，当通电时，会产生较大的电压电流的梯度变化，导致磁场耦合，形成严重的电磁干扰。当电枢绕组断电时，线圈中的磁场突然消失会产生很高的瞬变电压窜入控制回路，对系统中其它电子装置产生相当大的电能冲击甚至损坏元件。

　　

　　51单片机驱动步进电机的方法

　　驱动电压12V，步进角为 7.5度 。 一圈 360 度 ， 需要 48 个脉冲完成！

　　

　　该步进电机有6根引线，排列次序如下：1：红色、2：红色、3：橙色、4：棕色、5：黄色、6：黑色。采用51驱动ULN2003的方法进行驱动。

　　

　　ULN2003的驱动直接用单片机系统的5V电压，可能力矩不是很大，大家可自行加大驱动电压到12V。

　　

　　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。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前，生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。