基于單片機的機械控制系統的步進電機的設計

張 政 楊海鵬 呂昊軒

（沈陽理工大學 遼寧 沈陽 110159）

基于單片機的機械控制系統的步進電機的設計

張 政 楊海鵬 呂昊軒

（沈陽理工大學 遼寧 沈陽 110159）

單片機具有體積小、控制功能強、功耗低、環境適應能力強、擴展靈活和使用方便等優點，用單片機可以構成形式多樣的控制系統、數據采集系統、通信系統、信號檢測系統、無線感知系統、測控系統、機器人等應用控制系統。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統，與計算機聯網構成二級控制系統等。本文針對基于單片機的步進電機來探討一下機械控制系統的設計問題。

單片機；步進電機；機械控制系統

一、單片機在步進機機械控制系統設計中的作用

單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，結構如下圖所示，正是因為其內部結構具有很強大的功能，所以在工業控制領域廣泛應用。

圖為單片機結構示意圖

1、單片機能夠提升步進電機的整體性能

目前的步進機只要分為三種，反應式、永磁式和混合式。根據不同的應用要求，可以選用不同的步進機，其中混合式步進機應用最為廣泛，控制效果較好。但在實際即系控制系統設計過程中，這三種步進機的反應原理都是相對獨立、分別運作的，使步進機缺少整體性，一定程度上影響步進機的運行質量。而單片機的應用，則能夠針對金不記得運行環境、基本原理、和機械特性進行小范圍的優化升級，能夠有效的提升步進機的整體性，使步進機各個構件能夠相互彌補，從側面增強了步進機的工作效率。

2、單片機能減少步進機的維護保養成本

通常步進機的內部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應，在交變磁場中也會產生損耗，損耗的大小與材料、電流、頻率、電壓有關，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發熱的形式表現出來，從而影響電機的效率。這就需要及時對步進機進行維護和保養，但是由于步進機的制成材料都比較昂貴，所以維護成本都比較高。而單片機的應用則能夠使步進機在結構和功能上協調平衡，減少部分構件的功耗，進而減少步進機的維護成本，節約投入資金。

二、單片機在步進機控制系統設計中的應用原則

1、必須遵循科學性的原則

單片機在步進電機控制系統設計中的應許必須要貫徹科學性的原則，只有保持科學性，才能全面的分析步進機的反應原理、機械控制流程、興建生產等流程，才能保證步進電機控制系統的設計方案能夠滿足工業生產的需求。只有在科學技術和科學精神的指引下，我們才能在現有工藝而生產條件的基礎上，更好的開展單片機的步進機控制系統的設計研究工作。

2、必須遵循實用性的原則

工業生產的目的就是為了方面人們的生產生活，蓋面人們的身纏生活方式，加快生產生活效率。因此，單片機在步進機控制系統設計的應用中必須要遵循實用性的原則，這樣才能最大限度的減少投入成本，減少資源消耗，保證工業生產和機械控制的高效開展。

三、功能模塊設計

由于單片機的步進機控制系統的結構需要，在設計中要考慮到一些工嗯呢該模塊的實際應用，如下圖所示：

圖為基于單片機的步進機控制系統結構示意圖

1、步進電動機與單片機的接口

單片機是性能極佳的控制處理器，在控制步進電機設計中，接口部件必須要

鞥具有電壓隔離功能、信息傳遞工以及產生不同頻率的功能。

（1）電壓隔離功能

單片機工作在5V，而步進電機是工作在幾十V，甚至更高。一旦步進電機的電壓串到單片機中，就會損壞單片機；步進電機的信號會干擾單片機，也可能導致系統工作失誤，因此接口器件必須有隔離功能。

（2）信息傳遞功能

接口部件應能夠把單片機的控制信息傳遞給步進電機回路，產生工作所需的控制信息，對應于不同的工作方式，接口部件應能產生相應的工作控制波形。

（3）產生所需的不同頻率

為了使步進電機以不同的速度工作，以適應不同的目的，接口部件應能產生不同的工作頻率。

2、電壓隔離接口

電壓隔離接口專用于隔離低壓部分的單片機和高壓部分的步進電機驅動電路，以保證它們的正常工作。電壓隔離接口可以用脈沖變壓器或光電隔離器，基本上是采用光電隔離器。單片機輸出信號可以通過TTL門電路或者直接送到晶體管的基極，再由晶體管驅動光電耦合器件的發光二極管。發光二極管的光照到光電耦合器件內部的光敏管上，轉換成電信號，再去驅動步進電機的功率放大電路，電流放大接口是步進電機功放電路的前置放大電路。它的作用是把光電隔離器的輸出信號進行電流放大，以便向功放電路提供足夠大的驅動電流。

3、工作方式接口和頻率發生器

用單片機控制步進電動機，需要在輸入輸出接口上用3條I/0線對步進電動機進行控制，這時，單片機用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步進電動機的三相。

四、結束語

對于單片機的進步電機控制系統的設計，需要我們不斷努力進行探索，尋找更好的 設計方案，優化合理的資源配置，才能設計出更加合理的接卸控制系統，才能更好的為工業生產服務。

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TU7

B

1007-6344（2017）01-0072-01

張政（1995.04--）男，甘肅省金昌市人，本科學歷，專業：計算機科學與技術。

楊海鵬(1994.06--) 男，黑龍江省大慶市人，本科學歷，專業：計算機科學與技術。

呂昊軒(1992.01--) 男，遼寧省大連市人，本科學歷，專業：機械設計制造及其自動化。