單片機在步進電機精確走步中的應用

摘要：步進電機是數字控制系統中的一個重要執行機構， 已經被廣泛地應用于各種領域，在單片機的控制下，可以實現步進電機在速度、角度等方面的精確控制。

關鍵詞：單片機；步進電機

步進電機是一種將脈沖信號轉換成角度位移和線位移的電磁機械裝置，能把輸出機械位移增量和輸入數字脈沖對應的驅動器件。步進電機具有快速啟停能力，通過輸入脈沖來控制步進電機在一瞬間的啟動和停止。步進電機的步距角、轉速和輸入脈沖的頻率有關，每轉一周都有固定的步數，步進精確和步距誤差不會長期積累。因此步進電機廣泛用于需要精確定位的場合。

1. 步進電機的工作原理

步進電機根據不同的控制原理分為電磁式、永磁式和反應式。電磁式步進電機一般只有一個繞組，靠電磁作用和相應的機械部件產生步進動作，而永磁式和反應式步進電機是通過轉子和定子之間的電磁作用而產生步進動作。其中，反應式步進電機結構簡單，壽命長，具有良好的快速性和可靠性。因此，在單片機的控制下，廣泛用于伺服、狀態指示、功率拖動、位置和速度控制的場合。

2. 步進電機的控制

根據步進電機的工作原理，若按順序給步進電機的繞組施加有序的脈沖電流即可控制步進電機的轉動，從而進行數字到角度的轉換，轉動的角度大小與施加的脈沖數成正比，轉動的速度與脈沖頻率成正比，而轉動的方向則與脈沖的順序有關。步進電機的勵磁方式有１相勵磁、２相勵磁、１－２相勵磁，其中后者的步進角度是前兩種的一半，步進電機的運行更加柔和一些，并且能夠獲得更加精確的控制。但是在同樣的運行角度和速度下，所要求的脈沖頻率要提高一倍，并且對驅動開關的開關特性要求較高。

步進電機的控制可以使用硬件方法和軟件方法來實現。硬件方法就是用脈沖分配器來實現，但是硬件方法的結構復雜，而且成本也很高。使用軟件方法就是通過單片機來實現，不但可以簡化電路，而且也降低成本。使用單片機以軟件方式來驅動步進電機，可以通過編程方法在一定范圍之內自由設定步進電機轉速、往返運動的角度等，還可以方便靈活地控制步進電機的運行狀態而滿足不同用戶的要求。步進電機的定位控制精度、動態響應不僅與電機本身的結構有關，也和對步進電機的控制驅動方式、工作電流有關，在實際應用的過程中，要對控制信號進行放大，改善電流波形、續流能力和供電方式，以更好地控制步進電機，實現更好的控制效果。為了使步進電機旋轉位置精確，步進電機經常采用全電壓方式驅動，即在步進電機旋轉和鎖步的時候都加載額定電壓，在步進電機不旋轉時加載的電壓，可以保證步進電機的轉軸不移位。

3. 硬件設計

單片機構成的步進電機控制系統的電路圖見下圖1

在圖1中，單片機控制的步進電機采用全電壓驅動方式，如果加在步進電機繞組上的固定電壓不變，那么，電機在不旋轉時，加上的電壓過高，時間長了會燒壞電機。所以，在電機不旋轉時，由低電壓VCC1供電，當電機需要旋轉時，由高電壓VCC2供電。當然，要想達到此種目的，必須由單片機編程和外圍的控制元件聯合控制。采用此種方式的控制可以實現步進電機的精確旋轉，計算機的軟驅磁頭的驅動和打印機打字控制已經廣泛使用此種方式。

4. 軟件設計

軟件設計可以根據不同的用戶要求，設定不同的步進數和正反轉，其程序和各參數設置根據實際要求而定。

單片機控制的步進電機在計算機外圍設備和各種生產控制過程中有廣泛的應用，并且在現在比較盛行的機器人制造過程中，也大量采用步進電機控制機器人的精確動作。步進電機與單片機的結合實現了機電一體化，在自動化控制系統中發揮著極大的作用。

參考文獻：

[1] 蘇家健.單片機原理及應用技術.高教出版社，2004.

[2] 張迎輝.單片機實訓教程.北大出版社，2005.