我国数控系统在初期就是以单板机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，只需一万元左右就可以装备一台经济型数控机床，很适合我国中小型企业使用。采用步进电机作为伺服执行元件，不仅可以应用于经济型数控伺服系统，而且也可以辅以先进的检测和反馈元件，组成高精度全闭环数控系列，从而达到很高的加工精度。

除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。因而，对于步进电机控制的研究也就显得重要了。

步进电机具有快速启停、精确定位的特点，在数字控制领域经常使用步进电机作为位置控制的执行机构3 步进电机在快速运行中，要求驱动电路提供给步进电机绕组的驱动电流尽可能地接近其技术指标要求的数值，以产生足够的转矩，由于步进电机是感性负载，当运行速度提高后要提高绕组的工作电流，必须提高电源电压实际应用中，常采用的控制方式是高低压恒流斩波控制。

在步进电机的发展过程中，出现了多种控制方案。

1、基于电子电路控制

步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。

此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。

该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。

2、基于单片机控制

采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配因。

本方案有以下优点单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性困单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。

基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。

3、基于PLC的控制

PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用资源较多，特别是步进电机绕组相数大于时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。

采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。

步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。步进电机驱动技术指的是用步进电机驱动器的驱动级来实现对步进电机各相绕组的通电和断电，同时也是对绕组承受的电压和电流进行控制的技术。到目前为止，步进电机驱动技术通常分为单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、升频升压驱动和细分驱动等。

单电压驱动是通过改变电路的时间常数以提高电机的高频特性。该驱动方式早在六十年代初期国外就已大量使用，它的优点是结构简单、成本低缺点是串接电阻器的做法将产生大量的能量损耗，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。单电压串电阻驱动是在单电压驱动技术的基础上为电枢绕组回路串入电阻，用以改善电路的时间常数以提高电机的高频特性。它提高了步进电机的高频响应、减少了电动机的共振，也带来了损耗大、效率低的缺点。这种驱动方式目前主要用于小功率或启动、运行频率要求不高的场合。

高低压驱动是指不论电动机的工作频率是多少，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的上升沿斜率，而在前沿过后采用低电压来维持绕组的电流，即采用加大绕组电流的注入量以提高出力，而不是通过改善电路的时间常数来使矩频性能得以提高。但是使用这种驱动方式的电机，其绕组的电流波形在高压工作结束和低压工作开始的衔接处呈凹形，致使电机的输出力矩有所下降。这种驱动方式目前在实际应用中还比较常见。

为了弥补高低压电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，七十年代中期研制出斩波电路，该电路由于采用斩波技术，使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而恒流斩波电路得到了广泛应用，本文正是应用恒流斩波技术实现了驱动控制。为改善恒流驱动方式的低频特性，设计一个低速时低电压驱动，高速时高电压驱动的电路，使其成为一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动电源。在低速运行时，电子控制器调节功率开关管的导通角，使线路输出的平均电压较低，电动机不会像在恒流斩波驱动下那样在低速容易出现过冲或共振现象，从而避免产生明显的振荡。当运行速度逐渐变快时，平均电压渐渐提高以提供给绕组足够的电流。调频调压线路性能优于恒电压和恒电流线路，但实际运行中需要针对不同参数的电机，相应调整其输出电压与输入频率的特性。细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。比如电流分成个台阶，转子则需要次才转过一个步距角，即细分细

分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步进电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。

本文的研究内容是高低压恒流斩波步进电机驱动器设计，首先学习掌握功率步进电机恒流斩波驱动电路，然后设计相应实际驱动电路；最后使用C语言编写步进电机控制程序，精确地控制步进电机移动定位。

步进电机控制系统是一个有机的完整的整体，由运动控制系统和操作控制系统组成。由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号，运动控制系统随之作出反应，完成规定动作。

运动控制是一门有关如何对物体位置和速度进行控制的技术。典型的运动控制系统应由三部份构成控制部分、驱动部分、执行部分。

在步进电机控制系统中运动执行部件为步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。因此典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成步进控制器、驱动器把控制器输出的脉冲加以放大，来驱动步进电机、步进电机。不同的控制方案，步进控制器、驱动器也有不同的类型。

步进电机是数控式电机，其最大特点是通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。它具有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征，将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。

采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。通过软件的控制，单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字一角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。以三相步进电机为例，三相六拍方式：→A→AB→B→BC→C→CA→正转；→A→AC→C→CB→B→BA→反转。

如图2.1是系统总体设计图。

图2. 3 FAGOR 敞开式钢带光栅尺

键盘接口模块的功能主要是在键盘上及时发现哪个键被按下，并将按下的键的状态消息快速的反馈给计算机，CPU会立刻读取所按下的键的编码，进行相应的编号，从而根据编号的不同实现不同的功能。

键盘是由若干按键组成的开关矩阵，使最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现人机对话，键盘电路驱动电路，如图3.3所示。

图3. 4 A相驱动电路

在正常工作中，K为高电平，当PA为低电平时表明A相绕组需要加电， 这时，由于A相绕组中的电流为0，VIA的电压也为0，由电压比较器LM393组成的施密特触发器输出高电平，同时由于PA为低电平，故三输入与非门U401A和U401C的输出为低电平，进而使锁相开关管BG405和高压开关管BG404导通，近100V的直流电压加到A相绕组上，当A相绕组中的电流超过6A，U403B输出变为低电平，从而使高压开关管BG404截止，这时A相绕组仅由锁相电源提供电流，绕组中的电流开始下降，当A相电流下降使VIA的电压小于U403B正输入端的电压，高压开关管BG404重新导通，100V高压重新将A 相绕组的电流提高，如此反复形成了恒流斩波的工作方式。在这里，电阻R421的存在使U403B的状态转换产生一定的回差，避免了U403B的连续高速翻转，改变R421的大小，可以改变斩波的频率。

在锁相状态时，由于锁相驱动信号L为低电平，K信号也为低电平，故而高压开关管截止。 若这时PA为低电平，则锁相开关管BG405导通，A相绕组由AC4.5V半波整流后的锁相电源提供电流，此时绕组电流约为其工作电流的一半。 这样可以降低步进电机的功耗，进而减少电路和电机的发热量。 一旦出现绕组短路或高压开关管击穿的情况，VIA的电压会迅速达到2.1V，这时过流检测电路会立即使VP为低电平，马上使锁相开关管截止，避免电路故障的进一步扩大，保护驱动电路和步进电。

如图3.5是显示电路，1602显示器的八位数据端接单片机的P0口，使能端RS接P2.7，使能端RW接地，使能端E接P2.6。

图3. 6 光栅尺差分信号处理电路图

两个 DB15 接口分别连接 X，Y 两个光栅尺读数头的数据接头，A、B 两路正交差分方波信号将通过该接口将信号传输给 DS26C32 芯片接收处理，然后将 A，B 两路正交信号传送给 HCTL-2032 芯片解码，进行辨向与计数处理，然后将数据传输给单片机。电路中的电阻起到稳压的作用，电容可以消除高频噪声，提升抗干扰能力。

由于整个程序的复杂性和计算量大，它使用更多的浮点数来计算，所以程序是用C语言编辑的。

本设计中的单片机开发环境是Keil U Vision 4，Keil U Vision 4开发软件是当前51系列MCU系统的主要程序开发软件。Keil U Vision 4是STC公司推出最新一代关于51系列单片机处理器的编译、连接和调试集成环境。可以降低开发周期，从而减少很多成本。Keil U Vision 4不仅提供了完整的Windows开发环境界面，并且支持C/C++语言开发，而且其C语言编辑效率很高，能够使开发者非常容易地使用C语言进行程序编程。

该部分主要任务是对单片机端口的设置、函数的定义并对一些管脚进行定义。

1、PID调节器的微分方程

                                （4-1）

其中   

 ---比例系数 

 ---积分时间常数

 ---微分时间常数

本设计 PID 控制步进电机的流程图如图4.4所示：

图2. 3 FAGOR 敞开式钢带光栅尺

4 系统软件设计

4.1 编程语言选择

由于整个程序的复杂性和计算量大，它使用更多的浮点数来计算，所以程序是用C语言编辑的。

在51系列的大部分微控制器中，使用C等高级语言，比使用汇编语言更有以下优点。

（1）无需知晓处理器的指令集，无需理解存储器结构。

（2）寄存器的配置和寻址模式由编译器管理，编程无需考虑内存地址和数据类型等详细内容。

（3）通过指定操作的变量选择的组合来提高程序的可读性。

（4）你可以使用关键词和操作函数，它们与人们的想法更相似。

（5）与使用汇编语言相比，程序的开发和调试时间大大收缩。

（6）C库文件提供了很多标准例程。

（7）模块化编程技术可以通过C语言来实现，从而将编程好的程序添加到新程序中。

（8）移植性C语言是非常好的，非常受欢迎。C编译器几乎适合所有目标系统。它对于功能性、结构、易读性、移植性和维护的容易性具有明显的优点，并且易于学习和使用。

4.2 程序开发环境

本设计中的单片机开发环境是Keil U Vision 4，Keil U Vision 4开发软件是当前51系列MCU系统的主要程序开发软件。Keil U Vision 4是STC公司推出最新一代关于51系列单片机处理器的编译、连接和调试集成环境。可以降低开发周期，从而减少很多成本。Keil U Vision 4不仅提供了完整的Windows开发环境界面，并且支持C/C++语言开发，而且其C语言编辑效率很高，能够使开发者非常容易地使用C语言进行程序编程。

4.3 系统主程序设计

4.3.1 单片机主程序

该部分主要任务是对单片机端口的设置、函数的定义并对一些管脚进行定义。

1、PID调节器的微分方程

                                （4-1）

其中   

 ---比例系数 

 ---积分时间常数

 ---微分时间常数

本设计 PID 控制步进电机的流程图如图4.4所示：

软件调试步骤如下：

（1）在Keil4软件中先创建一个工程：单击菜单栏中的“工程”，输入新建工程名，并保存；然后器件选择“Atmel”目录下的“AT89C52”。

（2）新建用户源文件：在新建的空白文本中编写程序源代码，编码完成保存文件并文件拓展名，新文件创建完成。

（3）程序编译调试：点击编译按钮，系统将运行文件，在输出窗口中可以看到提示信息。如果提示信息中有error信息，则须按提示找出错误并改正，直到提示没有错误为止，如图5.1所示。

最后步骤主要分为两个链接的动态调试和静