基于单片机的步进电机控制系统的研究

曹旻罡

摘要：步进电机控制作为一种电机控制系统的重要模式，属于现代数字化控制的重要手段，其应用已经相当广泛。步进电机属于感应电机类，利用电子电路将直流电分为分时供电、多相时序供电控制电流，利用这种电流为电机供电，驱使电机工作。步进电机不能够在常规模式下使用，必须通过双环形脉冲信号驱动电路，因此在使用的过程中必将涉及多方面学科知识，目前已经成为电机一体化控制关键技术。

关键词：单片机；步进电机；控制系统

中图分类号：TM383.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）06-0020-01

步进电机的启动运行直接影响到数字控制的准确性和稳定性，因此在对单片机控制的过程中必须有效渡过加速度运行阶段，以保障电机精准、高效运行。目前的步进电机驱动技术主要采用了斩波恒流控制和正弦脉宽调制技术进行电机控制，极大限度的提高了电机的运行速度和运行精度[1]。另外，单片机的电路设计上，其驱动器电路通常会采用单片机加外围电路方式，通过专用的SPWM芯片实现数字信号处理。本文针对单片机中利用步进电机控制系统进行电机运行控制，为提高单片机的电机运行速度和准确度提供建议。

1 理论概述

1.1 步进电机控制原理

步进电机和普通的电机组成基本一样，其主要的组成有：定子、转子等主要的组件。步进电机的主要控制原理在于通过磁通寻找最短路径，以此来一步步实现电机转动控制。步进电机运行可分为四个阶段，每个阶段转子的两极有多个牙齿，转子轴上多齿，因此电机运行中可能会出现错齿问题[2]。

1.2 步进电机系统组成

步进电机控制系统一般都是采用开环控制方式，其装置的成本低、结构相对简单、运行稳定。步进电机作为自动化控制装置，其被广泛应用于数控机床、机器人、智能控制、工业自动化等自动化控制领域。单片机的步进控制系统作为一种常用的步进电机控制系统，采用典型的步进电机控制驱动，主要包含了：步进控制器、驱动器以及步进电机三个部分。单片机选型為AT89S51时，其具备128字节的ram和4字节的flash闪存储存器。采用标准兼容的8051系统指令和引脚，可实现在线编程和传统方式编程。驱动器将单片机的输出脉冲加大，通过驱动步进电机实现电机运行，驱动器实现了输出功率放大的同时输出反相。步进电机采用了四相反应式步进电机，通过两种励磁方式推动运行[3]。

2 步进电机控制系统

2.1 基本组成

步进电机控制系统作为一个控制整体，其具有操作控制和运动控制系统之分，二者之间相互辅助共同形成了控制单片机电机运行。操作系统控制主要是将操作者的操作转化为运动系统能够接受分析的电信号，运动系统随之做出反应，完成操作者的规定、规范动作。运动控制则属于一种实实在在的控制技术，完成了物体的位置运动和速度控制操作。运动控制系统在一般的步进电机控制系统中由驱动、控制以及执行三个部分组成，运动控制系统在控制操作员的指令之下，驱动电机，通过电机完成执行任务操作。随着科学的不断发展，步进电机控制系统技术变得日益成熟，由操作系统的运营商提供操作规范，然后再通过运动控制系统接受电信号，驱动控制系统完成全套反应动作。目前，单片机的电机进行步进控制的时候，主要关注点在于控制对象的位置和速度，总结起来整个控制过程分为了控制、驱动以及执行等几个重要部分[4]。

2.2 驱动控制系统组成

单片机进步电机控制系统主要分为了脉冲信号产生、脉冲信号分为两个主要部分，其中脉冲信号产生作为步进电机控制的重要开始。脉冲信号产生主要通过单片机完成，常规脉冲为0～5V，通过增加发电功率和时间延长时序以此控制软件编程。脉冲信号的分为则分为硬件法和软件法两种方式：其一，硬件法。硬件法则主要是通过一种特殊的脉冲分配装置控制脉冲信号的分布，如，常用的PMM8713可以很好实现单片机输出脉冲信号分布，通过逻辑方式组合相绕组。硬件法利用特殊的脉冲控制分配器和触发器，通过这些装置来控制指令信号，然后直接通过放大器按照逻辑关系驱动电机运动。其二，软件法。通过软件法编写程序，可以控制电机的电流转变过程按照一定的顺序来完成具体程序，利用单片机的输入输出接口驱动电路，并判断输出的具体的脉冲信号。脉冲信号控制的时候，往往是通过旋转方式来控制脉冲，整个过程会缩短CPU运行时间。通过软件法搭建步进电机控制系统可以降低生产成本。因此，很多单片机的电机进行控制的时候选择软件法，其更加实惠。我国工业生产不断实现数字化，利用软件法来实现步进电机控制系统搭建的相关技术也将变得更加成熟，符合于未来的电机控制系统开发发展方向。

2.3 功率放大器

单片机的输出脉冲电流比较小，因此需要功率放大操作，因此放大器被用于单片机的步进电机控制系统中。实现单片机的驱动系统的关键就是选择合适的功率放大器，具体的驱动步进电机控制进行旋转需放大脉冲信号。平均电流和电机转矩要尽可能保障电动机驱动系统选择额定平均电流更大目标。通过高功率放大器来控制和驱动特殊设备，也可以根据不同的需求制定出不同的驱动模式[5]。

3 单片机步进电机控制系统设计

步进电机控制电路采用四相步进电机，其具备良好的负载能力，其可以控制电机的安全、稳定、准确运行。步进电机定子绕组方案按照一定的顺序进行排列，转子则沿着固定方向一步一步转动。步进电机运行的四个阶段，必须满足电力秩序八拍，具体的顺序为：A--AB--B--BC--C--CD--D--DA--A。

上述的程序设计按照步进电机运行的四个阶段，必须满足电力秩序八拍顺序而成，其能够满足单片机步进电机控制系统的要求。

4 结语

单片机在数控机床以及机械自动化中的应用相当广泛，而步进电机控制系统又是当前主流的脉冲控制系统。利用步进电机控制系统实现了将电子技术、驱动技术等融合在一起，可以实现对电机的稳步、准确控制。单片机的步进电机控制系统最为主要的注意点在于电脉冲信号控制，通过控制相绕组实现对整个电流控制。步进电机控制系统必须突出其精确控制功能，同时还要尽可能减少累积误差，否则设计的步进电机控制系统则存在着系统缺陷，无法在市场上站稳脚跟或将失去竞争力。

参考文献

[1]赛恒吉雅.基于单片机的步进电机控制系统研究[J].橡塑技术与装备，2015（24）：194-195.

[2]陈晓红.基于嵌入式单片机的步进电机控制系统设计的分析[J].无线互联科技，2014（10）：61.

[3]白正勤，韩震，刘旭东.基于单片机的步进电机驱动控制系统研究总结[J].科技视界，2014（29）：101-102.

[4]李磊.基于单片机的步进电机升降速控制研究[J].微电机，2011（11）：84-86.

[5]董圣英.基于THB7128和单片机的步进电机定位控制系统设计[J].电气传动，2011（06）：57-60.endprint