基于單片機的步進(jìn)電機控制電路設(shè)計

范月圓+劉華勇+李玉蘭

摘要：隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。而步進(jìn)電機的優(yōu)勢也極為明顯，它與現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益呈現(xiàn)直接相關(guān)性。本文設(shè)計了基于單片機的步進(jìn)電機電路控制電路，首先明確步進(jìn)電機工作原理及優(yōu)勢之后，采用單片機對其模塊進(jìn)行有效控制，以達(dá)到良好的設(shè)計效果，不斷提升步進(jìn)電機工作性能。

關(guān)鍵詞：單片機 控制電路 步進(jìn)電機 驅(qū)動模塊

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0019-02

1 前言

近年來，步進(jìn)電機在多個領(lǐng)域得到了開發(fā)和應(yīng)用，并取得了良好的使用效果。步進(jìn)電機是一種常見的執(zhí)行元件無論是結(jié)構(gòu)還是操作方法，都比較簡單，其性能也與工業(yè)生產(chǎn)控制要求相適應(yīng)，在工業(yè)技術(shù)中對其進(jìn)行應(yīng)用，已是一種既定的趨勢。步進(jìn)電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。與此同時步進(jìn)電機調(diào)控也發(fā)生了相應(yīng)的升級和轉(zhuǎn)變，本文對單片機和步進(jìn)電機進(jìn)行同步應(yīng)用，以控制軟、硬件，不斷提高步進(jìn)電機工作效率。

2 單片機的應(yīng)用意義及原則

2.1 單片機的應(yīng)用意義

單片機與步進(jìn)電機進(jìn)行同步應(yīng)用，既能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，又是步進(jìn)電機電路設(shè)計過程中的基本訴求。單片機的性質(zhì)是集成電路芯片，以具體技術(shù)為依托，對中央處理器、隨機存儲器、只讀存儲器、中斷系統(tǒng)和定時器等子系統(tǒng)功能進(jìn)行實現(xiàn)。它能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行收集、分析和處理，在步進(jìn)電機控制系統(tǒng)中極具應(yīng)用優(yōu)勢，達(dá)到良好的應(yīng)用效果。

首先，提高步進(jìn)電機性能。依據(jù)實際情況，對反應(yīng)式、永磁式和混合式等步進(jìn)電機類型進(jìn)行合理選擇，充分發(fā)揮它的設(shè)計功能，適應(yīng)社會需要。如果對該三種反應(yīng)原理進(jìn)行單一應(yīng)用，步進(jìn)機將喪失其整體性能，也會對步進(jìn)電機的工作質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響，使它的應(yīng)用效果大打折扣。單片機能夠依據(jù)步進(jìn)電機的工作環(huán)境、運動特性、控制性能和實際功用等，對它進(jìn)行局部性的優(yōu)化和升級，以補強步進(jìn)電機控制系統(tǒng)整體，實現(xiàn)步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)層面上的一體化，充分發(fā)揮它的使用性能，為工業(yè)生產(chǎn)提供物質(zhì)及技術(shù)支持。

其次，降低步進(jìn)電機維護(hù)及保養(yǎng)成本，節(jié)省資金。步進(jìn)電機的材質(zhì)一般比較昂貴。接收電信號脈沖之后，長期工作周期背景下，運動軌跡會發(fā)生明顯變動。對步進(jìn)電機的使用效果和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接性影響，產(chǎn)生裂紋或在記錄過程中出現(xiàn)失誤，使步進(jìn)電機維護(hù)更加困難。在實際應(yīng)用中需要在特定周期內(nèi)，對步進(jìn)電機進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，確保其具備良好的應(yīng)用效果及安全性。單片機能夠從結(jié)構(gòu)和功能上對步進(jìn)電機進(jìn)行協(xié)調(diào)，使電機不再受局部區(qū)域干擾，避免出現(xiàn)運動差錯，對步進(jìn)電機的維護(hù)和保養(yǎng)成本進(jìn)行有效控制，實現(xiàn)資源節(jié)約。

2.2 單片機在步進(jìn)電機電路中的實用性原則

設(shè)計單片機步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的時候，需要考慮資金要素，要依據(jù)實際情況，對設(shè)計成本進(jìn)行有效控制，減少不必要的資金浪費，使單片機在步進(jìn)電機電路中得到充分應(yīng)用。

3 步進(jìn)電機概述

3.1 步進(jìn)電機發(fā)展

步進(jìn)電機別名階躍電動機或脈沖電動機，它能夠?qū)γ}沖信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為角位移或直線位移電機，也使它的分析過程更加便利。該種步進(jìn)電機發(fā)展較早，無論是位移量與脈沖數(shù)，還是位移速度與脈沖頻率都呈現(xiàn)正相關(guān)。

步進(jìn)電機的最初研發(fā)時間是上世紀(jì)二十年代，距今已有很長年限。上世紀(jì)五十年代，人們開始在步進(jìn)電機上對晶體管技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，實現(xiàn)了對步進(jìn)電機的數(shù)字化控制，使其控制過程更加快捷便利。此后，研究人員再次對步進(jìn)電機性能進(jìn)行升級和改善，使其具備分解性、響應(yīng)性、精度性和可依賴性等多方面優(yōu)勢。加之，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，自動化控制系統(tǒng)中開始對步進(jìn)電機進(jìn)行頻繁應(yīng)用，使其逐漸成為機電一體化中的重要執(zhí)行元素。步進(jìn)電機的優(yōu)勢非常明顯，它既能夠提升工作效率，實現(xiàn)自動化，也能夠使位置控制更加快捷、準(zhǔn)確，不斷提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化[1]。

步進(jìn)電機廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在數(shù)控機床的制造中，因為步進(jìn)電機不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達(dá)。隨著步進(jìn)電動機技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動機用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機構(gòu)的驅(qū)動電動機，在這個應(yīng)用中，步進(jìn)電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進(jìn)電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅(qū)動電動機。除了在數(shù)控機床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機也可以并用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機和繪圖儀中等等。

3.2 步進(jìn)電機的工作原理

定子和轉(zhuǎn)子是步進(jìn)電機的主要元件。正常工作狀態(tài)下，如果有電流經(jīng)過，定子繞組會產(chǎn)生一個矢量磁場，繼而對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生帶動，使其在具體作用下旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子和定子的磁極磁場方向會發(fā)生偏差，形成相應(yīng)的角度。步進(jìn)電機主要對通過定子繞組的電流進(jìn)行支配，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度控制。一旦輸入脈沖信號，轉(zhuǎn)子即發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即步距角。完成脈沖信號給出規(guī)律設(shè)定之后，電流的通過將會更具規(guī)律性，而轉(zhuǎn)子也會有規(guī)律的進(jìn)行持續(xù)轉(zhuǎn)動，對電機進(jìn)行帶動，使步進(jìn)電機實現(xiàn)工作。如圖1所示，步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)電動機的轉(zhuǎn)動具有持續(xù)性特征，控制難度相對較大。當(dāng)前的步進(jìn)電動的驅(qū)動方式是數(shù)字信號，能夠依據(jù)實際情況，對它的定位和運轉(zhuǎn)等使用狀態(tài)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。我們對輸入脈沖的電機繞組通電順序、頻率和數(shù)量等進(jìn)行合理調(diào)整，對步進(jìn)電機接受脈沖信號而旋轉(zhuǎn)指定的角度進(jìn)行科學(xué)合理的指揮，使其滿足最初訴求。如今，步進(jìn)電機的正常運行得益于脈沖信號。如果沒有輸入脈沖信號，步進(jìn)電機將處于定位狀態(tài)。單片機能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機這一特性進(jìn)行有效控制。對單片機和步進(jìn)電機進(jìn)行同步應(yīng)用，有助于提高其生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)電動機的主要功用是能量轉(zhuǎn)換，而步進(jìn)電機則作為電路控制元件存在，極具精確性，對人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活具有正向性影響。

4 基于單片機控制步進(jìn)電機電路的設(shè)計

步進(jìn)電機可以以硬件系統(tǒng)實現(xiàn)控制。但是，基于市場因素考慮，硬件系統(tǒng)不具備經(jīng)濟(jì)性，而它的各項功能也不具備適用性。一旦發(fā)生設(shè)計變更，則需要對硬件電路進(jìn)行整體性修改，加大了工作負(fù)擔(dān)，很難實現(xiàn)便利性。單片機具備可直接編程優(yōu)勢，能夠?qū)\算功能進(jìn)行有效執(zhí)行，在具體應(yīng)用過程中，可對步進(jìn)電機進(jìn)行適應(yīng)性控制，對具體的轉(zhuǎn)向、步數(shù)和速度等進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。借助軟件的更改，能夠滿足不同設(shè)計訴求。設(shè)計人員對顯示電路和鍵盤電路進(jìn)行有效結(jié)合，能夠進(jìn)行人機交換，最大程度降低外部干擾，使其更加可靠、高效。

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1.1 單片機最小系統(tǒng)

電路設(shè)計中離不開單片機最小系統(tǒng)設(shè)計，它是步進(jìn)電機電路的起始部分。主要功能是生成步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動需要的脈沖，并對其加以控制。我們可以借助單片機的軟件編程功能，對步進(jìn)電機所需要的信號進(jìn)行輸出，使單片機輸出脈沖數(shù)與步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)正相關(guān)，單片機輸出脈沖頻率與步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動速度也呈現(xiàn)正相關(guān)。同時，單片機也能夠?qū)﹄娏髦颠M(jìn)行有效處理，并借助數(shù)碼管明確顯示電機的轉(zhuǎn)速和方向。

單片機的主要模塊有復(fù)位電路和晶體振蕩電路。如圖2所示，單片機最小系統(tǒng)線路圖。

P0口主要對數(shù)碼管顯示情況進(jìn)行控制，使其顯示結(jié)果更加明確，且極具準(zhǔn)確度；P1口著重控制步進(jìn)電機中單片機的編程，使芯片處于良好的讀寫狀態(tài)；P2口作為數(shù)碼管位選，對公共端工作進(jìn)行有效控制。同時，它也能夠?qū)呙桦娐锋I盤工作情況進(jìn)行合理控制。P3口著力于模數(shù)轉(zhuǎn)化成芯片的工作控制[2]。

4.1.2 數(shù)碼管顯示電路

數(shù)碼管顯示模塊的主要顯示內(nèi)容有步進(jìn)電機選擇速度、旋轉(zhuǎn)方向、步進(jìn)電機電流通過情況。該設(shè)計中，借助數(shù)碼管對設(shè)計進(jìn)行顯示，直接點亮數(shù)碼管，實現(xiàn)位選部分，對單片機控制端的地輸出電壓問題進(jìn)行有效控制。因而，需要將輔助三極管添加到位選和單片機控制端。

4.1.3 串口通信模塊

串口通信模塊的應(yīng)用原理是對計算機和單片機進(jìn)行連接，實現(xiàn)二者之間的信息交互和流通。它的應(yīng)用原理是借助計算機對程序進(jìn)行編程，然后對程序進(jìn)行復(fù)制，在單片機芯片中對其進(jìn)行應(yīng)用。

4.1.4 電機驅(qū)動模塊

步進(jìn)電機的信號功率比較小，很難對電機進(jìn)行驅(qū)動，使其運行。因此要添加電機驅(qū)動模塊，使步進(jìn)電機信號功率不斷放大。集成的驅(qū)動芯片價格比較低，控制難度相對較小，可以將其作為核心元件應(yīng)用到電機驅(qū)動電路設(shè)計中。

如圖3所示，該電機驅(qū)動電路中，電機驅(qū)動核心由驅(qū)動芯片L298和其周圍的電路組成，L298N的管腳IN1，IN2，IN3，IN4和ENA，ENB與單片機的I/O端口P1口的六個管腳依次連接相連，接收脈沖信號。L298N的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機的一相。其中IN1，IN2，IN3，IN4管腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。而控制步進(jìn)電機的運行速度只要控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。該種連接模式和驅(qū)動芯片與單片機和步進(jìn)電機之間的串聯(lián)模式相符合，使電路控制和操作更加簡單和便利。

4.1.5 獨立按鍵電路

內(nèi)部電路中的按鍵是獨立的，在單片機端口上對其進(jìn)行連接。將其作為外部性按鍵，使內(nèi)部各項模塊具有較好的中斷功能，以對步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，并對它的速度進(jìn)行科學(xué)調(diào)控，使其電流呈現(xiàn)良好的現(xiàn)實狀態(tài)，對步進(jìn)電機進(jìn)行合理控制。它屬于步進(jìn)電機電路設(shè)計中的輔助性裝置，具有不可或缺的重要作用。

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要為硬件系統(tǒng)電路設(shè)計提供依托和支持。依據(jù)單片機本身的性質(zhì)和特點，對系統(tǒng)軟件進(jìn)行合理編程和讀寫，以充分體現(xiàn)出設(shè)計功能，并對其進(jìn)行合理更改，實現(xiàn)電路控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計與硬件系統(tǒng)電路設(shè)計具有緊密相關(guān)性。軟、硬件中的任一設(shè)計模塊都直接關(guān)乎最終設(shè)計效果和步進(jìn)電機電路的整體運行狀態(tài)。因而，需對系統(tǒng)軟件設(shè)計進(jìn)行合理把控，以提升其整體性能。

4.2.1 紅外線編碼

遙控器編碼形式是32位二進(jìn)制碼組，前16位是用戶識別碼，能夠?qū)Σ煌碾娖髟O(shè)備進(jìn)行有效區(qū)分，避免不同機種遙控編碼相互干擾。該芯片用戶識別碼固定高8位地址和低8位地址分別為OBFH和40H，后16位則是8位操作碼和它的反碼。單片機接收紅外線之后，可按以下方式開展解碼工作：中斷信號產(chǎn)生-EA清零-延時短-等待高電平-延時不足4.5ms-再次等待高電平-延時0.84ms-P3.2腳電平值讀取，對32位代碼進(jìn)行依次讀取，前16位是識別碼，后18位中，數(shù)據(jù)碼和數(shù)據(jù)反碼均為8位[3]。

4.2.2 步進(jìn)電機程序

步進(jìn)電機程序設(shè)計的基本訴求是對旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行判斷，再依據(jù)正確的順序，將其傳送給控制脈沖，繼而對所需控制步數(shù)進(jìn)行判定，觀察其具體傳動情況，直至將要求控制步數(shù)傳送完畢。分別將步進(jìn)電機和單片機作為具體執(zhí)行元件和控制器，并將檢測元件定義為光敏電阻傳感元件背景下的傳感器。而手動輸入信號則是手動按鈕，以紅外遙控裝置開展遙控操作，對時鐘控制和狀態(tài)顯示的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合限定輔助，使步進(jìn)電機的手動、自動和遙控多功能操作更加便利，保障其可靠性。

5 程序原理分析

5.1 程序設(shè)計思路

依據(jù)外圍電路設(shè)計，單片機的輸入和輸出分別為P1口的前6個管腳和P1口的后2個管腳及P2口的前4個管腳。首先，主程序部分向驅(qū)動電路輸出4路高電平，停轉(zhuǎn)電機。繼而對定時器T0的具體工作模式和允許中斷位置高電平進(jìn)行合理設(shè)置，將“停轉(zhuǎn)”狀態(tài)顯示點亮，然后進(jìn)行按鍵掃描，按下按鍵之后，實現(xiàn)程序段跳轉(zhuǎn)。如果沒有按下按鍵，即會回歸到程序的初始部分。正轉(zhuǎn)部分需對正轉(zhuǎn)狀態(tài)指示進(jìn)行點亮，然后執(zhí)行起始脈沖輸出，繼而對按鍵進(jìn)行掃描，并對不同狀態(tài)下的執(zhí)行情況進(jìn)行合理判斷，調(diào)配到定時器T0賦初始值子程序，對累加器A中的數(shù)值進(jìn)行累加。幾經(jīng)循環(huán)，使步進(jìn)電機處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。反轉(zhuǎn)部分的設(shè)計過程亦是如此。加速和減速中，對定時時間進(jìn)行改變，即可實現(xiàn)定時器定時初始值更改。

5.2 設(shè)定定時器計數(shù)初始值

程序設(shè)計中對定時器T0的定時中斷進(jìn)行選用，以實現(xiàn)步進(jìn)電機細(xì)部性時間控制。對T0的定時時間進(jìn)行更改，即可改變步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速。假定步進(jìn)電機的步距角為7.5°，轉(zhuǎn)一圈耗費的脈沖數(shù)量為48。將轉(zhuǎn)速假設(shè)為N（r/min），而每一分鐘脈沖數(shù)據(jù)輸送數(shù)量為48N，每送一個脈沖信號需要花費的時間為s。

定時器T0的技術(shù)初值為。將步進(jìn)電機最低轉(zhuǎn)速假定為20r/min，最高轉(zhuǎn)速為100r/min，速度級的界定為5r，共17級。

6 結(jié)語

步進(jìn)電機在應(yīng)用層面極具優(yōu)越性，在工業(yè)設(shè)備中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，有助于提高生產(chǎn)質(zhì)量及效率。我們要結(jié)合具體操作背景，對單片機的優(yōu)越性進(jìn)行重點分析，在步進(jìn)電機電路控制系統(tǒng)中對它進(jìn)行全面應(yīng)用，使步進(jìn)電機工作性能得到充分提升。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]洪新華，陳建鋒，等.基于單片機的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].湛江師范學(xué)院學(xué)報，2010，（06）：84-87.

[2]令朝霞.基于單片機的遙控步進(jìn)電機控制的設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2012，（04）：78-80+91.

[3]劉建南.基于單片機的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的設(shè)計研究[J].科技廣場，2016，（03）：61-63.

收稿日期：2016-09-08

作者簡介：范月圓（1981—），女，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，講師，主要從事控制工程及電子技術(shù)研究。