基于單片機的步進電機控制系統的研究

曹旻罡

摘要：步進電機控制作為一種電機控制系統的重要模式，屬于現代數字化控制的重要手段，其應用已經相當廣泛。步進電機屬于感應電機類，利用電子電路將直流電分為分時供電、多相時序供電控制電流，利用這種電流為電機供電，驅使電機工作。步進電機不能夠在常規模式下使用，必須通過雙環形脈沖信號驅動電路，因此在使用的過程中必將涉及多方面學科知識，目前已經成為電機一體化控制關鍵技術。

關鍵詞：單片機；步進電機；控制系統

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0020-01

步進電機的啟動運行直接影響到數字控制的準確性和穩定性，因此在對單片機控制的過程中必須有效渡過加速度運行階段，以保障電機精準、高效運行。目前的步進電機驅動技術主要采用了斬波恒流控制和正弦脈寬調制技術進行電機控制，極大限度的提高了電機的運行速度和運行精度[1]。另外，單片機的電路設計上，其驅動器電路通常會采用單片機加外圍電路方式，通過專用的SPWM芯片實現數字信號處理。本文針對單片機中利用步進電機控制系統進行電機運行控制，為提高單片機的電機運行速度和準確度提供建議。

1 理論概述

1.1 步進電機控制原理

步進電機和普通的電機組成基本一樣，其主要的組成有：定子、轉子等主要的組件。步進電機的主要控制原理在于通過磁通尋找最短路徑，以此來一步步實現電機轉動控制。步進電機運行可分為四個階段，每個階段轉子的兩極有多個牙齒，轉子軸上多齒，因此電機運行中可能會出現錯齒問題[2]。

1.2 步進電機系統組成

步進電機控制系統一般都是采用開環控制方式，其裝置的成本低、結構相對簡單、運行穩定。步進電機作為自動化控制裝置，其被廣泛應用于數控機床、機器人、智能控制、工業自動化等自動化控制領域。單片機的步進控制系統作為一種常用的步進電機控制系統，采用典型的步進電機控制驅動，主要包含了：步進控制器、驅動器以及步進電機三個部分。單片機選型為AT89S51時，其具備128字節的ram和4字節的flash閃存儲存器。采用標準兼容的8051系統指令和引腳，可實現在線編程和傳統方式編程。驅動器將單片機的輸出脈沖加大，通過驅動步進電機實現電機運行，驅動器實現了輸出功率放大的同時輸出反相。步進電機采用了四相反應式步進電機，通過兩種勵磁方式推動運行[3]。

2 步進電機控制系統

2.1 基本組成

步進電機控制系統作為一個控制整體，其具有操作控制和運動控制系統之分，二者之間相互輔助共同形成了控制單片機電機運行。操作系統控制主要是將操作者的操作轉化為運動系統能夠接受分析的電信號，運動系統隨之做出反應，完成操作者的規定、規范動作。運動控制則屬于一種實實在在的控制技術，完成了物體的位置運動和速度控制操作。運動控制系統在一般的步進電機控制系統中由驅動、控制以及執行三個部分組成，運動控制系統在控制操作員的指令之下，驅動電機，通過電機完成執行任務操作。隨著科學的不斷發展，步進電機控制系統技術變得日益成熟，由操作系統的運營商提供操作規范，然后再通過運動控制系統接受電信號，驅動控制系統完成全套反應動作。目前，單片機的電機進行步進控制的時候，主要關注點在于控制對象的位置和速度，總結起來整個控制過程分為了控制、驅動以及執行等幾個重要部分[4]。

2.2 驅動控制系統組成

單片機進步電機控制系統主要分為了脈沖信號產生、脈沖信號分為兩個主要部分，其中脈沖信號產生作為步進電機控制的重要開始。脈沖信號產生主要通過單片機完成，常規脈沖為0～5V，通過增加發電功率和時間延長時序以此控制軟件編程。脈沖信號的分為則分為硬件法和軟件法兩種方式：其一，硬件法。硬件法則主要是通過一種特殊的脈沖分配裝置控制脈沖信號的分布，如，常用的PMM8713可以很好實現單片機輸出脈沖信號分布，通過邏輯方式組合相繞組。硬件法利用特殊的脈沖控制分配器和觸發器，通過這些裝置來控制指令信號，然后直接通過放大器按照邏輯關系驅動電機運動。其二，軟件法。通過軟件法編寫程序，可以控制電機的電流轉變過程按照一定的順序來完成具體程序，利用單片機的輸入輸出接口驅動電路，并判斷輸出的具體的脈沖信號。脈沖信號控制的時候，往往是通過旋轉方式來控制脈沖，整個過程會縮短CPU運行時間。通過軟件法搭建步進電機控制系統可以降低生產成本。因此，很多單片機的電機進行控制的時候選擇軟件法，其更加實惠。我國工業生產不斷實現數字化，利用軟件法來實現步進電機控制系統搭建的相關技術也將變得更加成熟，符合于未來的電機控制系統開發發展方向。

2.3 功率放大器

單片機的輸出脈沖電流比較小，因此需要功率放大操作，因此放大器被用于單片機的步進電機控制系統中。實現單片機的驅動系統的關鍵就是選擇合適的功率放大器，具體的驅動步進電機控制進行旋轉需放大脈沖信號。平均電流和電機轉矩要盡可能保障電動機驅動系統選擇額定平均電流更大目標。通過高功率放大器來控制和驅動特殊設備，也可以根據不同的需求制定出不同的驅動模式[5]。

3 單片機步進電機控制系統設計

步進電機控制電路采用四相步進電機，其具備良好的負載能力，其可以控制電機的安全、穩定、準確運行。步進電機定子繞組方案按照一定的順序進行排列，轉子則沿著固定方向一步一步轉動。步進電機運行的四個階段，必須滿足電力秩序八拍，具體的順序為：A--AB--B--BC--C--CD--D--DA--A。

上述的程序設計按照步進電機運行的四個階段，必須滿足電力秩序八拍順序而成，其能夠滿足單片機步進電機控制系統的要求。

4 結語

單片機在數控機床以及機械自動化中的應用相當廣泛，而步進電機控制系統又是當前主流的脈沖控制系統。利用步進電機控制系統實現了將電子技術、驅動技術等融合在一起，可以實現對電機的穩步、準確控制。單片機的步進電機控制系統最為主要的注意點在于電脈沖信號控制，通過控制相繞組實現對整個電流控制。步進電機控制系統必須突出其精確控制功能，同時還要盡可能減少累積誤差，否則設計的步進電機控制系統則存在著系統缺陷，無法在市場上站穩腳跟或將失去競爭力。

參考文獻

[1]賽恒吉雅.基于單片機的步進電機控制系統研究[J].橡塑技術與裝備，2015（24）：194-195.

[2]陳曉紅.基于嵌入式單片機的步進電機控制系統設計的分析[J].無線互聯科技，2014（10）：61.

[3]白正勤，韓震，劉旭東.基于單片機的步進電機驅動控制系統研究總結[J].科技視界，2014（29）：101-102.

[4]李磊.基于單片機的步進電機升降速控制研究[J].微電機，2011（11）：84-86.

[5]董圣英.基于THB7128和單片機的步進電機定位控制系統設計[J].電氣傳動，2011（06）：57-60.endprint