一種單片機控制的步進電機設計與分析

摘要：文章對步進電機及其控制方法進行了論述，通過修改相應的電路及相關程序實現，提高了系統控制的靈活性。此種方法高效、方便、成本低廉，在實際應用中有著很高的利用價值。

關鍵詞：步進電機 單片機 控制系統

步進電機能將輸入的電脈沖信號轉換成輸出軸的角位移或直線位移，這種電機每輸入一個脈沖信號，輸出軸便轉動一定的角度或前進一步，因此又被稱作脈沖電機或步級電機。步進電機輸出軸的角位移量與輸入脈沖數成正比，不受電壓以及環境溫度的影響，也沒有累積的定位誤差，因此控制輸入的數字脈沖數即可實現電機的精確定位；而步進電機輸出軸的轉速與輸入的脈沖頻率成正比，控制輸入的脈沖頻率就能準確的控制步進電機的轉速，可以實現在寬廣的范圍內精確調速。

1 步進電機的工作原理 

按照轉子結構及材料的不同，步進電機分為反應式、永磁式和混合式三類。其中，反應式步進電機因其性價比高，應用非常廣泛，在單片機系統中應用較多。步進電機實際上是一個數字/角度轉換器。步進電機的勵磁繞組可以制成各種相數，常見的有單相、三相、四相和五相等多種。電機分為轉子和定子兩部分。定子由電工硅鋼片疊壓而成，有6個等分的磁極:U、U'、V、V'、W和W'。相對的兩個磁極組成一對，共有三對。每對磁極上都繞有同一繞組，也就形成了一相。這樣，三對磁極有三個繞組，形成三相。類似地，四相步進電機有四對磁極、四個繞組，以此類推。每個磁極的內表面分布著大小相同、間距相同的多個小齒。轉子圓周表面也均勻分布著與定子小齒形狀相似、齒間距相同的小齒。反應式步進電機運動的動力來自于電磁力。當某一相定子繞組通電時，其對應的磁極就產生了磁場，并與轉子形成磁路。

2 步進電機的控制方式 

為了控制步進電機的轉動，使其實現數字到角度的轉換，可以由單片機按順給電機繞組施加有序的脈沖電流。轉過的角度數正比于脈沖個數，轉動的速度正比于脈沖頻率，轉動的方向則與脈沖順序有關。對三相步進電機施加電流脈沖可有如下三種方式:①單相三拍:按單相繞組順序施加電流脈沖，一周期加電3次，順序如下:正轉:U→V→W→(U);反轉:U→W→V→(U)②雙相三拍:雙相即每次對兩相繞組同時通電。按雙相繞組順序施加電流脈沖，一周期加電3次，順序如下: 正轉:UV→VW→WU→(UV);反轉:UW→WV→VU→(UW)③單雙相六拍:按單相繞組與雙相繞組交替方式施加電流脈沖，一周期加電6次(單相3次、雙相3次)，順序如下:正轉:U→UV→V→VW→W→WU→(U);反轉:U→UW→W→WV→V→VU→(U)。單相三拍或雙相三拍兩種方式，每拍步進角均為3°，轉子轉過一個齒距角(9°)要用三拍;單雙相六拍方式每拍步進角均為1.5°，轉子轉過一個齒距角(9°)要用六拍。六拍方式比三拍方式運行平穩，但六拍驅動脈沖的頻率需要提高一倍，要求驅動開關管有更好的開關特性。另外雙相與單相相比，每一拍中，雙相方式都有兩相通電，每一相通電時間都持續兩拍。因此，雙相三拍比單相三拍消耗的電功率大，當然獲得的電磁轉矩也大。 

3 控制系統的實現 

3.1 加減速曲線的分析與實現。其實所謂的加減速就是速度變化的過渡過，在起動階段，控制頻率以特定的規律慢慢增加，從而速度可以平穩的升至預定值；而停止時控制頻率再以相應的規律慢慢減小，從而速度平穩的降低直至完全停止。一般加減速算法有梯形曲線和指數曲線以及S曲線三種，其中S曲線算法加減速平穩，而且有較好的快速性及柔性，因此在數控系統中應用廣泛。本文采用S曲線算法。單片機中有三個定時器，其中兩個需要分別控制兩個步進電機，而剩下的一個則用于實現數碼管顯示加工時間。所以在設計程序的過程中，只需把采樣周期T轉換為N，即在一個采樣周期內，其脈沖個數只需要對定時器的溢出次數加以控制，就可以控制采樣周期T。因此只需將最大速度及最大加速度兩個參數給定，就可以實現S加減速。 

3.2 換向控制。本系統中工作臺移動方向的控制是利用行程開關與單片機相結合的辦法來實現的，其具體步驟如下：當工作臺開始加速至預定值時進行勻速動動，一旦行程開關被擋塊觸動，單片機就開始換向，即按照S曲線對電機的加減速過程加以控制。這種換向方法不但可以防止機械系統換向時的沖擊，而且工作臺不會由于單片機的程序錯誤而發生故障。 

3.3 轉速控制及顯示。在進行程序設計時就已經采用數組的形式給出了步進電機的轉速，利用鍵盤按鈕進行選擇即可，所以系統中需要設置相應的按鍵以實現對設備的控制，即“選擇-輸入”鍵、“確定-啟動”鍵等。其中設備所需的轉速可以通過“輸入-選擇”鍵先進行選擇，再利用“輸入-啟動”鍵加以確定。再分別另設一個“急停”鍵及“停止”鍵。本系統的顯示采用LCD來實現，其型號為1602，這種型號的LCD可以顯示兩行字符，每行共有16個，可以滿足系統的顯示要求。1602利用8位數據線進行數據傳輸，剛好占用單片機的一個端口；共有三個控制信號，即寄存器選擇、讀寫控制以及起用。顯示的主要內容包括顯示系統工作的狀態、提示輸入以及確定轉速等。 

3.4 顯示加工時間。本系統加工時間的動態顯示是利用數碼管來實現的，通過單片機中的2號定時器控制加工時間。數碼管時鐘顯示的原理為動態顯示，這種顯示方法一次只顯示一個數碼管，每位數碼管顯示時間約為1～2 ms，不過受數碼管余暉效應以及人的視覺暫留的影響，通過肉眼看過去每位數碼管均是亮的。這種動態顯示的方法解決了顯示變化以及端口不足的問題。

4 結論 

完成本系統的研制后可以得出以下結論：第一，基于單片機控制器的步進電機控制系統實現后，體現了單片機在數據系統開發領域的可靠性、經濟性、實用性以及簡捷性，其作為應用最廣泛的微控制器的一種，是小型控制系統開發研制的首選；第二，步進電機轉向時所產生的沖擊問題，可以通過S曲線加減速模型解決，從而保證了設備動運的平穩性及準確性；第三，系統的快速性要求可以通過S曲線參數的調整來實現。

參考文獻

[1] 趙俊生.單片技術項目化原理與實訓[M].電子工業出版社，2009，(9)

[2] 趙俊生.數控機床控制技術基礎[M].化學工業出版社，2006，(1)