基于单片机的步进电机控制系统研究

    张秀辉+苏娱

    摘要：本课题探究单片机控制步进电机为核心的控制系统，能够提高系统的性能。但是现有的系统控制系统做得相对复杂一些，从用户的角度考来看还存在许多缺陷，用户使用过程出现操作不方便，所以让控制系统设备不够人性化。同时各种技术界限太明显，也就导致了彼此之间的相关性太少，和工程实践有机结合的技术不好利用过来，出现脱节的现象。同时课题中探究了常用的驱动技术和单片机技术应用，并且介绍了单片机为控制核心的系统设计理念，这里探究的是基于单片机的步进电机控制系统的性能分析和实现过程。

    关键词：步进电机；控制系统；单片机；驱动技术

    中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0279-02

    1步进电机概述

    1.1反应式步进电机原理

    步进电机结构差不多和普通电机一样，如转子、定子和反应式步进电机的定子绕组电动机基本组件也有。一般来说，反应式步进电机的工作原理是使用物理“磁通总是试图使它通过磁阻最小的路径”磁阻转矩，一步一步由电动机可以出现。只是步进电机定子绕组可分为阶段，每个阶段的两极，有许多牙齿，转子轴上有很多齿。下面探究的步进电机旋转的最关键因素是错齿。

    1.2四相步进电机

    1.2.1四相步进电机结构

    本课题中探究的四相步进电机和普通电机一样，转子和定子绕线机的一些基本的步进电机也有反应。四相步进电机定子绕组在这里是可以分为四个阶段，这里说到的每个阶段的极性，有许多牙齿，另外我们可以知道相同的转子轴上都有非常多的齿。

    1.3四相步进电机通电原理

    1.3.1控制步进电机的速度

    我们知道对于步进电机转速直接相关于单片机输出的具体脉冲频率值，倘若想要改变步进电机的整个旋转速度的大小，那么我们也是只需转变这里的控制单片机输出的具体脉冲频率值。

    1.3.2控制步进电机的转向

    本课题中探究的步进电机旋转方向与内部绕组电顺序关系密切，因此，这里需要改变步进电机的整个转动，那么只要改变每相绕组电先后的这样顺序。又或者是改变每相绕组电流的顺序来掌握整个的步进电机的转动过程。

    2步进电机控制系统

    2.1步进电机控制系统组成

    步进电机控制系统是一个有机的完整的整体，由运动控制系统和操作控制系统组成。由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号，运动控制系统随之作出反应，完成规定动作。运动控制是一门有关如何对物体位置和速度进行控制的技术。典型的运动控制系统应由三部分构成：控制部分、驱动部分、执行部分。

    步进电机控制系统是一个有机的整体，整体是由运动控制系统和操作控制系统。由操作系统完成运营商的转型为运动控制系统可以接受电信号，运动控制系统可以反应，全套。运动控制是如何控制对象位置和速度的技术。典型的运动控制系统应由三部分组成：控制部分、传动部分、执行部分。

    2.2驱动控制系统组成

    2.2.1脉冲信号分配

    通常来说对于步进电机电子换向的整个控制来说，也即是脉冲信号的这样一个分布。这里介绍的是软件和硬件的方法通常比较多地被用于脉冲信号分布的整个过程中。

    1）硬件法

    一般来说，硬件方法指的是特殊的这样一种脉冲分配装置用于控制整个脉冲信号的分布，使之能够很好地控制步进电机相序的这样一个效果。例如我们知道的PMM8713，能够很好地完成这个控制单片机输出的脉冲信号，通过组合逻辑电路将其转换成各相绕组，这里我们也就是利用电源信号的时序逻辑。通常来说我们特殊脉冲的这个分配器由触发器组合的这样一类逻辑电路，它的作用是：根据指令控制我们的这些信号，然后直接放大器按照一定的逻辑关系，按照一定的操作模式使得我们的这些步进电机运行起来。

    课题中我们知道硬件方法和专用脉冲的这些分配器，一般来说单片机的使用会慢慢下降，并且我们单片机只产生一步脉冲，对于整个控制步进电机的速度和这里的具体转向，另外这个脉冲的具体分配仅仅是通过我们的脉冲分配器PMM8713来最后实现的。由于我们的这个单片机的负担也减少，因此，编写的程序，会更容易。

    2）软件法

    本课题中探究的软件方法可以采用的方式编写软件程序，通常来说也是让这个步电动机电流变换的整个顺序按照顺序原先完成的具体程序，利用我们的这个单片机工作I / 0接口驱动电路的方法来测量输出的具体脉冲信号。在我们的生产过程中步进电机，这里的步进电机一般来说也是通过控制脉冲旋转来完成这样的整个过程，是因为它会需要非常多的这样一个CPU时间，所以也就会导致在两边冲单片计算机。在这样的情况下连接的单片机，会导致无法进行其他工作，这就是为什么软件方法会受到一定的这个限制。

    2.2.2脉冲信号的产生

    一般需要控制步进电机脉冲信号由单片机负责来生成。本课题中探究的单片机脉冲信号的这个波形以及这里的振幅脉冲是一个常规的0到5 v，通常来说这里的发电功率和时间可以使用纯延时程序来控制整个的软件编程过程。

    2.3单片机控制步进电机控制系统

    本课题探究了驱动脉冲的具体分配方法，能够通过我们的这个硬件盒子脉冲分配器。这里我们见利用脉冲分配器的这个特点，即已经标准化并且能够在我们的市场上购买，不过这里的整个成本相对来说也是比较高的。一般来说是可以通过单片机软件驱动我们的这个步进电机，利用我们的这个编程的方式，同时还有自由在一定范围的步进电机转速、旋转角度和旋转前后的数量，等等，另外来说还能够较为方便灵活地控制步进电机，从而较好地满足我们这些不同用户的这样一些需求。本课题中探究的系统采用并行控制，是通过直接控制步进电机的这样一个驱动电路。另外也是利用控制软件，对我们的单片机有序的完成整个的绕组脉冲电流，从而达到一个能够控制电机的这样一个转动，最后也就自然地实现数字角度的这样一个转换。

    通常来说我们的步进电机控制使用的这样一种软件方法，也就是通过利用单片机来完成的，这样的一个电路，能够很好地降低整个的成本。并且可以采用单片机来控制步进电机控制方法。这里也是用软件代替环形的这样一种分配器，从而来实现步进电机的整个最佳的控制状态。

    2.4功率放大器

    通常来说这个单片机的输出脉冲电流太小，都是功率放大器电路的需要增加。所以说我们的驱动系统是比较关键的一个部分是我们的功率放大器。具体来看我们驱动步进电机旋转是要放大脉冲信号的。通常来说平均电流和电机转矩成正比的这样一种关系，因此我们的电动机驱动系统尽可能克保证我们的额平均电流更大的这样一个目标。高功率管或特殊驱动为核心的设备可用于控制电路。另外我们知道，可以依据不一样的需求和不一样的这个场合用不一样的这个驱动模式。

    3系统软件设计

    3.1基础实现方案软件程序设计分析

    步进电机的控制电路四相步进电机。本课题中为了使步进电机的整个负载能力更好，同时可以做到更加平稳地运行，这里可以选择拍的这样一种驱动方式。所以在步进电机定子绕组在按照一定的顺序依次通电的整个过程中，我们的转子沿一定方向一步一步。四个阶段电力秩序的八拍：第一阶段线圈电，然后转换成A，B两相线圈加电，，独自BC两相线圈同时通电……

    4结语

    本课题探究的步进电机控制系统能够将电子技术、驱动技术还有我们的单片机技术巧妙的关联，不仅实质性帮助我们整个控制系统工程实践，同时好对当前的这个高职教学有帮助。步进电机的固定角度的这个旋转控制关键就是利用这个电脉冲信号控制相绕组从而来完成整个电流实现，和别的这些电动机相比较来看，我们的步进电机具有很多的这些优势，例如相对容易实现精确控制我们的系统，同时没有积累误差等等，所以说现在各种步进电机已经渐渐得到了广泛应用。本课题探究的是单片机的步进电机控制系统，不仅适应性比较强，而且使用起来非常简单，同时性能也比较可靠。

    参考文献：

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