基于单片机控制的步进电机系统
冯朋昌
物理与信息技术学院 学号：110542037
指导教师：李天超
摘 要：本设计是利用STC12C5A40S2单片机控制步进电机启动、加减速、正反转、单步连续切换等功能，介绍了步进电机的工作原理特点及发展历程，给出了利用STC单片机和LV8731步进电机驱动控制步进电机的设计方案，给出其功能原理图及电路原理图；详细介绍了各个设计单元的工作原理，采用C语言进行编程。此系统采用反射式红外光电管传感器做按键，操作简单、稳定、抗干扰能力强。本系统的设计可有效解决步进电机在工控方面的应用。
关键字：步进电机；STC12C5A40S2 ；LV8731驱动器；反射式红外光电管
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1 引言
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。它是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。 2 方案论证
本设计采用两相双极式步进电机，两相双极式步进电机体积小，价格便宜。使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，LV8731驱动集脉冲分配和功率放大于一身，LV8731是2ch H桥式驱动带负载能力强，操作简单。控制部分用STC12C5A40S2单片机，STC12C5A40S2单片机功能强大，抗干扰能力强，经济可靠。 3 硬件电路设计 3.1 步进电机概述
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。
正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一
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定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。
本次毕业设计采用的是步距角为1.8度的两相双极式步进电机。
3.2 步进电机驱动系统简介
步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备——步进电机驱动器.步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。
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3.2.1 本设计步进电机驱动的选择
本设计采用日本三洋公司2010年最新推出的两相步进电机驱动器芯片，电压8-32v，电流2.5a，用于驱动57及以下的步进电机，细分1-16可调，此芯片为最新工艺，超低的0.45欧导通电阻，体积更小，发热更低，加入了跨时代的短路保护功能，并且芯片本身带有5v电源输出。
3.2.2 基本功能说明
3.2.2.1 CHIP有效功能
通过设定ST段子，切换IC的待机/工作。待机状态下，IC进入省电模式、所有逻辑reset.待机状态下内部稳压器电路、电荷泵也不工作。如3-1所示。
图3-1 ST功能框图
3.2.2.2
驱动模式切换端子
通过设定DM段子，切换IC的驱动模式。STM模式下，能控制CLK-IN输入的1ch步进电机。DCM模式下，能控制2ch DC电机或者并联输入的1ch步进电机。控制并联输入的步进电机是2相或者1-2相全扭矩。如3-2所示。
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图3-2 DM功能框图
3.2.2.3
STEP段子功能
STEP段子是，LV8731的逻辑输入端子，控制输入脉冲。其工作模式
如3-3所示。
图3-3 STEP段子功能框图
3.2.2.4
励磁模式设定功能
MD1、DM2段子为LV8731逻辑功能输入端子，控制步进电机的励磁
方式。其功能如3-4所示。
图3-4 励磁方式框图
3.2.2.5
步进模式下，双相励磁的时序图
LV8731驱动的两相双极式步进电机，两相励磁模式下，是四个脉冲
一个齿距角。如3-5所示。
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