步進電機的單片機控制系統設計研究

摘要：在科技快速發展的背景下，現階段應用的步進電機所配置的齒輪箱、直線運動執行裝置等較為先進，能實現難度較大、復雜程度較高的線性運動，這使步進電機得到了廣泛應用與快速發展。在步進電機控制系統中，單片機具有至關重要的作用，作為核心部件，其性能質量會對步進電機的整體性能質量造成直接影響。所以，為保證步進電機功能正常發揮，需要合理設計單機片控制系統。基于此，主要探究了步進電機的單片機控制系統設計，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞：步進電機單片機控制系統PC上位機

中圖分類號：TP368

DesignandResearchofOne-ChipComputerControlSystemforSteppingMotors

LIUZhongnanCHENGYi’anZHANGXiaoying

ShanxiJinzhongInstituteofTechnology，Jinzhong，ShanxiProvince，030600China

Abstract：Inthecontextofrapidtechnologicaldevelopment，thegearboxesandlinearmotionexecutiondevicesequippedwithsteppingmotorscurrentlyusedarerelativelyadvanced，whichcanachievedifficultandcomplexlinearmotion.Thishasledtothewidespreadapplicationandrapiddevelopmentofsteppingmotors.Inthesteppingmotorcontrolsystem，one-chipcomputerplaysacrucialrole.Asacorecomponent，itsperformancequalitywilldirectlyaffecttheoverallperformance&nbfb4070125fafd156d498bfc30129455f322c996921c9264c7f2e29749fa5d986sp;qualityofthesteppermotor.So，inordertoensurethenormalfunctioningofthesteppingmotor，itisnecessarytodesignareasonableone-chipcomputercontrolsystem.Basedonthis，thisarticlemainlyexploresthedesignofaone-chipcomputercontrolsystemforsteppingmotors，inordertoprovidereferenceforrelevantpersonnel.

KeyWords：Steppingmotor;One-chipcomputer;Controlsystem;PCuppercomputer

在當今時代，步進電機的應用較為廣泛，如應用步進電機驅動機器人、應用步進電機驅動軟磁盤、應用步進電機驅動機械加工設備等，其驅動電路具有微型化特點。2000年前后，步進電機的驅動控制開始以芯片為主，這使驅動裝置體積顯著減小，整機性能質量得到有效提高。而后隨著步進電機的發展，又提出了較多驅動控制方法，其中較為常用的是單片機與芯片相結合的驅動控制方式。但在實際應用中，這種方式的驅動控制形式較為單一，且需要結合程序的不同做出改變。所以，為加強步進電機性能質量，相關人員應加大對步進電機單片機控制系統設計的研究力度。

1步進電機概述

步進電機通常由多個部件構成，其結構復雜程度較高，且各部件之間聯系較為緊密，其中包括軸承、轉子鐵芯、定子鐵芯、磁鋼以及繞組絕緣等。在步進電機結構中，繞在定子齒槽上的金屬絲被稱為繞組、線圈或相，當其處于運行狀態時，主要由驅動器結合邏輯電路與接收的控制脈沖信號，對繞組方向進行控制，以保證繞組良好通電。在步進電機正向通電時，其可正向旋轉，而在步進電機反向通電時，其可反向旋轉，且在運行過程還可結合實際需求對運行狀態進行鎖定。

以兩相步進電機為例，當通電勵磁同步作用在兩相繞組上時，其輸出軸通常會處于兩種狀態：靜止和鎖定，且保持最大力矩，在任一相繞組出現電流改變的情況下，步進電機會在現階段旋轉方向的基準上旋轉一步。同時，在繞組電流發生改變而產生變向勵磁的情況下，步進電機會在現階段旋轉方向的基準上持續旋轉步進，往往具有較高的運行精度。

在步進電機運行過程中，為保證運行質量，需要有效控制位置與脈沖信號。一方面，步進電機以基本步距角為依據進行轉動，且這個步距角為固定不變的，通常包括1.2°和1.8°兩種形式；另一方面，在步進電機運行階段，脈沖信號的電壓會反復改變，需要具備精度較高的定位模塊，通過控制器精準發送脈沖信號以準確控制步進電機的轉動角度與速度。此外，針對步進電機而言，較為重要的兩點分別是停止位置保持與閉環伺服控制。在步進電機繞組通電時，在停止位置保持的作用下，其會保持力矩，換而言之，即使不具備機械剎車，也能在停止狀態保持。在步進電機上融合應用伺服控制技術，能優化步進電機結構，使其運行效率顯著增強，提高控制系統的智能化水平[1]。

2步進電機的單片機控制系統設計分析

2.1硬件電路設計

在設計基于單片機的控制系統前，應對步進電機控制系統要求進行全面分析，立足整體角度，統籌規劃設計方案，以保證設計的合理性、科學性。步進電機控制系統通常由多個部分構成，具體包括單片機、PC上位機以及驅動模塊等。在步進電機控制系統中，主要通過PC上位機實現控制功能。在設計時，為有效保護單片機，針對單片機與步進電機，一般需要采取過流保護措施，在兩者之間設置過流保護電路。步進電機控制系統的復雜程度較高，在硬件電路設計過程應重點設計單片機模塊、LED模塊、驅動模塊3個部分。

2.1.1單片機模塊

在具體設計時，應結合控制系統要求選擇合適的單片機，并合理確定外圍濾波、晶振等?，F階段，可選用MSP430FG4618單片機，其配置相對較高，能有效達到步進電機的存儲要求，一方面，其內部設有116kBFlash；另一方面，其內部設有8kBRAM。同時，可選用兩種晶振，分別是頻率為8kHz晶振、頻率為32kHz晶振，而這兩種晶振的使用價值更高。在步進電機運行過程中，為高效、精準改變其運行狀態，分別對P1端口與P2端口進行設置，基于跳入中端服務程序，在判斷按鍵狀態的情況下，以判斷結果為依據，對步進電機運行狀態予以調整改變。此外，在步進電機處于運行狀態時，為有效發揮PC上位機的控制功能對步進電機進行控制，需要設計控制模塊，通過此模塊有效控制兩者之間的通信。

2.1.2LED模塊

人機對話功能是步進電機控制系統的必備功能。為實現這一功能，可在具體設計時采用LED數碼管，并運用按鈕矩陣鍵盤，支持步進電機操作人員通過手動方式對此功能進行操作。當步進電機控制系統處于運行狀態時，操作人員可利用鍵盤輸入步進電機的轉向數據、轉速數據以及啟停數據等，由LED數碼管將步進電機運行過程的轉向信息、轉速信息等動態展示出來。同時，在設計環節，對單片機的工作量予以考慮，盡可能將其工作負荷降低，并采用集中控制方式，對鍵盤與LED數碼管進行控制，保證前者輸入效果與后者輸出效果。此外，結合單片機控制系統設計需求，可在設計鍵盤輸入方式時，設計防抖動功能，以防出現鍵盤誤觸的現象[2]。

2.1.3驅動模塊

在單片機控制系統硬件電路設計中，驅動模塊設計難度較大，其原因在于驅動模塊需要實現較多功能。在設計時，首先，對脈沖分配器進行合理選擇，具體可采用PMM8713脈沖分配器，其集成電路性能較強，具有較高的驅動能力，脈沖電流能達到20mA，不僅能在三相步進電機中應用，也能在四相步進電機中應用，可同時滿足兩種步進電機的運行要求。其次，對激勵方式進行合理確定。現階段，常用激勵方式較多，具體需要根據實際情況而定，無論是三相步進電機，還是四相步進電機，都可采用1相激勵方式、2相激勵方式以及1～2相激勵方式。同時，在輸入方式的選擇上，可選擇單時鐘方式與雙時鐘方式，無論何種方式，都具備正反轉控制功能、輸入脈沖監視功能等多樣化功能，能充分滿足實際需求[3]。

2.2程序軟件設計

在程序軟件設計環節，主要包括兩項內容：一是單片機程序軟件設計；二是PC上位機模塊設計。相比之下，前者的設計難度較大，為保證單片機控制系統功能的有效發揮，需要對此部分內容加大重視。

2.2.1單片機程序軟件

在單片機控制系統運行中，會產生脈沖信號，為對脈沖信號進行有效處理，可運用定時器以實現中斷反應，對步進電機的步數、圈數予以準確計算，以計算結果為依據進行高效控制、準確控制。單片機程序軟件運行流程主要包括四個環節，一是啟動并初始化；二是按鍵中斷；三是取鍵值并顯示；四是方向鍵處理。如果在此過程中，出現按鍵未中斷的情況，則持續初始化，單片機向控制模塊傳遞控制指令，并通過LED數碼管，將步進電機的轉向數據、轉速數據等實時顯示出來。在設計單片機程序軟件時，需要為P1端口與P2端口設計不同的功能，以此實現功能的針對性。例如：可為P1端口設計關閉程序軟件的功能，通過推入堆線的方式對步進電機進行控制，使其停止；可為P2端口設計中斷功能，以此發揮轉向控制功能與轉速控制功能等[4]。

2.2.2PC上位機模塊

在具體設計中，應保證PC上位機模塊具有良好控制功能，能實現對步進電機運行情況的有效控制。具體可采用MSP430單片機，其內部設有USART模塊，發揮此模塊的作用，能與PC上位機建立良好通信關系，并通過PC上位機串口，向單片機傳送控制指令，以此實現對步進電機的控制。在控制指令被單片機接收后，可在預設模塊臨時存放控制指令，并針對控制指令與Flash的中斷程序入口地址進行對比，如果得到一致結果，則中斷，進而控制步進電機。但在設計過程中，需要注意的是，應采用頻率為8kHz的晶振啟動PC上位機，并結合實際需求對波特率進行合理設置。在設計完成后，應對單片機控制系統功能予以檢測，例如：對步進電機輸出轉矩進行測算，明確靜轉矩最大值，并通過生成曲線圖的形式，直觀呈現靜轉矩最大值與電流的相關性，以此對單片機控制系統設計的可行性、科學性進行綜合評估。

2.2.3STC89C52單片機控制系統軟件設計

以STC89C52單片機為例，在其程序軟件設計上，首先，需要在步進電機通電后復位，并初始化處理各項參數；其次，需要決定是否向程序軟件傳送數據，在決定向程序軟件傳送數據的情況下，驅動子程序軟件；在無須向程序軟件傳送數據的情況下，保證程序處在初始態勢。在設計主程序時，需要按照以下流程進行：一是開始，初始化處理程序軟件；二是確定是否進行數據傳送；三是驅動子程序；四是結束[5]。

步進電機的單片機控制系統程序軟件需要具備三項功能。首先，位置控制功能。為實現位置的精確轉換，需要對步進電機運行距離與絕對位置兩項參數進行控制。其次，轉速控制功能。通常情況下，可運用3種方法來控制步進電機的速度，一是軟件延遲法；二是定時器控制法，發揮定時器作用，控制脈沖周期；三是延時法，延時處理子程序，以此對步進電機進行控制。相比之下，定時器控制法更為有效，其無須過多CPU，且不影響步進電機運行，在定時器處于運行狀態時，能在發生故障問題的瞬間實現相位的智能化中斷，以此控制步進電機轉速，這種方式可起到良好的控制效果[6]。最后，加速、減速控制功能。通過分析步進電機運行狀態下的運行頻率能發現，無論是處于運行狀態，還是處于停機狀態，對頻率都具有一定的要求。在步進電機運行過程中，其轉速需要低于系統轉速，以此保證穩定運行并在終點停止。一般而言，步進電機的啟動頻率相對較低，需要單片機控制系統發揮作用對步進電機的加速、減速進行控制。所以在軟件設計階段，應合理編程，記錄、存儲步進電機每一步的速度，生成加速曲線、減速曲線，進而以實際速度要求為依據進行計算，對步進電機予以控制[7]。

3結語

具體而言，為保證步進電機功能的正常發揮，相關人員應在明確步進電機結構與工作原理的基礎上，對單片機控制系統進行合理設計：首先，合理設計系統硬件電路；其次，合理設計系統程序軟件；最后，合理設計系統電源電路?，F階段，針對單片機控制系統的研究逐漸增多，為進一步擴大步進電機應用范圍，還應持續深入研究，對單片機控制系統的設計要求進行全面掌握，以使步進電機總體性能質量提升。

參考文獻

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[4] 孟寶星，王成勤.基于三角函數擬合的改進型S型加減速算法設計[J].裝備制造技術，2023（8）：21-27.

[5] 王磊.基于速度給定曲線的步進電機控制方法的研究[D].內蒙古科技大學，2021.

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