淺談單片機的步進電機控制系統

黃 斌

中航工業自控所

淺談單片機的步進電機控制系統

黃 斌

中航工業自控所

市面上有各種不同類型的電機，與那些電機相比，步進電機具有無誤差、精確的開環控制的優點。因此，采用基于單片機的步進電機控制系統可以在實際的控制系統中得到更加可靠的性能，同時相對于其他控制系統而言，這類控制系統有價格低廉、人機交互性強、操作方便的突出特點。本文簡要分析了步進電機的基本概念、單片機技術和控制系統等內容，有助于整體控制系統方案的設計和人們在生產活動中的應用。

單片機；步進電機；控制系統

引言

步進電機對于實現脈沖信號的轉換有著重要的意義，傳統步進電機控制模式是通過觸發器進行控制，如果改變了步進電機的參數可以更好地設計控制器。這種觸發器有利于控制系統，而且控制的電路比較復雜，精度也不會很高，而且生產過程中可能產生比較高的成本。電子功率作為一種執行機構，需要步進電機的轉速控制才能運作，然后根據人們希望的規律進行運動，最終克服傳統控制器的不足。這種運行方式符合工業生產的基本需求，并且有利于提升生產積極性，在數字系統的控制過程中的應用也很廣泛。

1、步進電機概述

1.1 反應式步進電機原理

步進電機結構差不多和普通電機一樣，如轉子﹑定子和反應式步進電機的定子繞組電動機基本組件也有。一般來說，反應式步進電機的工作原理是使用物理“磁通總是試圖使它通過磁阻最小的路徑”磁阻轉矩，一步一步由電動機可以出現。只是步進電機定子繞組可分為階段，每個階段的兩極，有許多牙齒，轉子軸上有很多齒。下面探究的步進電機旋轉的最關鍵因素是錯齒。

1.2 四相步進電機

1.2.1 四相步進電機結構。四相步進電機和普通電機一樣，轉子和定子繞線機的一些基本的步進電機也有反應。四相步進電機定子繞組在這里是可以分為四個階段，這里說到的每個階段的極性，有許多牙齒，另外我們可以知道相同的轉子軸上都有非常多的齒。

1.3 四相步進電機通電原理

1.3.1 控制步進電機的速度。我們知道對于步進電機轉速直接相關于單片機輸出的具體脈沖頻率值，倘若想要改變步進電機的整個旋轉速度的大小，那么我們也是只需轉變這里的控制單片機輸出的具體脈沖頻率值。

1.3.2 控制步進電機的轉向。步進電機旋轉方向與內部繞組電順序關系密切，因此，這里需要改變步進電機的整個轉動，那么只要改變每相繞組電先后的這樣順序。又或者是改變每相繞組電流的順序來掌握整個的步進電機的轉動過程。

2、基于單片機的步進電機控制系統的分析

基于電子電路控制系統﹑基于PLC控制系統和基于單片機控制系統，這三類是常見的步進電機控制系統。與單片機控制系統相比，電子電路控制系統工作原理是脈沖控制信號在驅動電路中進行功率放大后驅動步進電機。但這類控制系統要消耗大量元器件﹑安裝調試過程復雜，并且不利于系統的改造和升級。在PLC控制系統中，步進電機無法實現高速控制，同時受PLC掃描周期影響，導致它的頻率響應范圍較小，控制精度也降低了，不利于實際應用。在生產實際中，越來越多的自動化控制系統要求高定位精度，大多數采用步進電機來控制系統，因此，提高系統定位精度必須改善步進電機的控制方式。單片機能在各種惡劣條件下工作，適用的溫度范圍廣，非常強的抗干擾能力，易于組裝多種控制設備，實現多機控制。單片機的種類繁多，依據系統功能要求，選擇合適的單片機，例如：我們可以利用AT89S52單片機控制步進電機的各種運行方式，如實現精確地開環控制﹑無級調速控制等功能。這類控制系統是采用模塊化設計，通過人機交互界面可設定各功能，CPU運行速度加快，響應速度提升，操作簡單，靈活性與通用性提高了，便于人們掌握，這是軟件與硬件相結合的控制方法。系統是由AT89S52單片機﹑外圍電路﹑驅動電路和步進電機等組成，通過外圍設備上的按鍵控制步進電機啟動﹑停止等相關操作，振蕩與失步現象得到了較好的消除，調速范圍較廣。系統中采用并行控制，脈沖分配由軟件編程直接實現，將編寫好的程序寫入單片機硬件芯片里，脈沖電流有序地給繞組施加，按照程序執行有關操作，控制電機轉動，并實現數字與角度的轉換。單片機的輸出脈沖電流太小，但步進電機需要的驅動電流較大，所以單片機需連接上驅動電路后才能連步進電機。不同的驅動方式是在不同場合下依據不同需求而產生，常用的驅動有單電壓﹑高低壓﹑斬波恒流﹑升頻升壓﹑細分驅動這五種方式。一般適用于小功率步進電機驅動是單電壓，它是通過改變電路的時間常數來提高電機的高頻特性，具有結構簡單﹑成本低的優點。高低壓驅動方式描述的是輸出力矩能否提升是用加大繞組電流的注入量來控制，無論電動機處于什么樣的工作頻率下。

目前，最廣泛應用于實際生活中的驅動方式是斬波恒流，它利用斬波技術，使形成的鋸齒形波動在繞組電流的額定值上下浮動，讓流過繞組的有效電流得到增長，并使得電機的輸出轉矩增大，功耗下降，效率較高。但是這類驅動也存在著缺點，在低速時，易出現過沖或共振現象。因此，為改善恒流驅動的缺點，設計了一個由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關穩壓驅動，在實際運行時，針對不同的速度，調整相應的壓力驅動，從而避免了振蕩現象的產生，這就是升頻升壓驅動。細分驅動是指每次脈沖切換時，只改變相應階梯波式繞組電流的一部分，讓步距角只能旋轉一部分，在電動機合成磁勢的作用下。這種驅動技術是步進電機驅動的一個飛躍，相對于其他驅動技術而言，步進電機的分辨率提高了，減弱了低頻振動，優化了啟動性能。

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