ARM單片機的步進電機控制系統設計

摘 要：現如今人們生活中已廣泛的涉入單片機的控制系統，隨著大家對此技術的追捧使得該功能也越來越強大。在步進電機控制系統設計中有許多的樣式，文章將對ARM單片機系統的設計進行探討，在對于企業的生產成本上來講ARM單片機不僅是能夠降低成本同時還能夠提高產品的精度，這將使電機控制系統能夠更好改善并獲得一條提高工業效益的有效途徑。

關鍵詞：ARM；控制系統；步進電機

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-02

在增強數字控制系統中步進電機是個重要執行元件，在機電一體化設備和自動化設備中得到廣泛的應用。步進電機在許多制造業中成為了核心地位，例如在機器人、打印機、數控機床和繪圖儀等設備上都是以步進電機為核心。在工業中也是同樣，但是由于工業中的一些設備大多老舊跟不上時代的步伐，由于過時導致設備的儲容量小實用性不強，在此同時就應當實現步進電機驅動上的位移和速度的精密度顯示和控制。文章將采用ARM7TD MI內核的S3C44BOX處理器來實現步進電機的驅動上需要的條件。

一、工作原理

在電脈沖信號變換相應的直線位移和相應的角位移中需要通過步進電動機來執行該指令。在載重未超過要求范圍的情況下，電機的在轉動的速度和位置的停止都是取決于脈沖信號中的脈沖數和頻率，在負載上不會受到很大的影響；在電機側轉一個步距角秩序加一個脈沖的信號，在電機旋轉方向改變上也能通過通電順序的改變而改變。目前有較多種類的步進電機，其中結構可分為兩相和多相、反應式和激勵式兩種。

在步進機當中包含著眾多特性，步進機特性分別有這幾點：一、在步進電機當中的誤差是無累積誤差的，唯有周期性的誤差。二、步進電機并不受到負載變化上的影響，步進機中的脈沖數與步距角是成一個正比上的關系。三、在改變轉動方向上，可通過改變脈沖順序來實現。四、停止時的步進電機具有自鎖的能力。五、步進機在使用的過程中十分方便操作，他速度的響應性上較好，主要體現在停止、易于啟動、正反轉。

二、系統的控制組成與原理

在描述系統的控制與組成原理上，將例舉ARM步進機在控制方案結構中最典型的順序如下圖1所示。

在整個的系統中是通過步進電機、ARM單片機、控制面板和驅動電路進行組成。在交互界面上主要是通過控制面板來完成，通過與ARM的通信，實現對監控功能中的操作，脈沖信號由ARM單片機發出由信號分配，步進電機將功率放大來帶動負載。

（一）分配電機工作信號。在脈沖分配過程中可通過CPLD來進行控制器上的分配，選擇四相步進電機來對被控對象。有兩種方式在常用四相電機工作中，步角距為9度的四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB，步距角為18度的四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB[1]。

（二）產生的脈沖信號。脈沖信號的產生是由S3C44BOX完成，在占空比例上一般脈沖信號約占0.3～0.4左右，占空比越大那么電機轉速就越高。

（三）驅動器上的細分。在使用中若步進機的步距角不能夠滿足條件時，可對步進電機采用細分驅動的方式，通過改變細分驅動器中相鄰電流的A、B，以此來控制步進電機的運轉改變合成磁場中的夾角。

（四）功率。在步進電機驅動系統中最為重要的部分是將功率放大。在步進電機中動態平均電流能夠讓步進電機保持一定的轉速，并不是靜態電流下能夠保持。在電機中力矩若越大那么平均電流則越大，要想達到平均電流都大那便需要驅動系統來盡量的克制電機反電勢。所以在驅動方式上應當根據不同場合來采用，驅動的方式到目前為止有以下幾種：細分數、恒電壓、恒電流、恒壓串電阻和高低壓驅動等。通過這些方式來提高步進電機的動態性能，將功率放大和信號分配組成步進電機的驅動電源。

三、步進電動機系統軟件設計

在軟件開發平臺上選用了ADS1.2作為系統開發的工具。C語言的標準特性在ADS1.2編譯器上得到提供，在擴展功能上增加了較多的專用工具利用例如ARM S3C44BOX來設計。提供了強大的調試系統和友好的用戶界面，在開發ARM單片機應用程序上十分便捷[2]。

在控制脈沖信號上是有控制系統ARM S3C 44BOX發出，再由可編程的邏輯CPLD器件來進行分配性的脈沖，在可編程邏輯器件中CPLD是一個較豐富的可編程I/O。可編程在系統中，操作起來十分的靈活方便，在邏輯器件上不但可以實現常規的該功能，還可以在實現時序邏輯較為復雜的功能，與單片機接口一樣都能夠作為一個外設來實現對單片機中所需要的功能。在連接信號上CPLD芯片管腳主要有以下幾種信號：JTAG接口信號、I/O口、電源信號、外部時鐘信號、地信號和片選控制信號。8MHz外部的有源晶體振蕩器在系統CPLD模塊中采用，在CPLD中接入了全局時鐘并輸入管腳[3]。

系統在對控制步驟和電機驅動中如上所述。首先系統由AD S1.2來作為開發工具的軟件，對步進電機經過在線開發出控制的程序，在調試成功后將S3C44BOX寫到FLASH開發板上。

四、結束語

通過RAM單片機的步進電機控制系統設計中，實現在轉動距離和轉速上的監測和精確控制，在步進電機的系統數據處理上速度較快、產品成本低且精密度高等可靠性的優點。能夠降低整個系統中的體積便于攜帶并且性價比高，在簡單的操作上十分適用于大家并且維護過程更加方便。

參考文獻：

[1]宣財鑫.PLC脈沖控制步進電機技術[J].機車車輛工藝，2012（11）：33-34.

[2]周立功.ARM微控制器基礎與實戰[M].北京：航空大學出版社，2011（13）：45-46.

[3]張永華.步進電機運動控制系統硬件部分的設計[J].裝備制造技術，2010（05）：71-72.

[作者簡介]秦秀常（1980-），男，河南商丘人，講師，在職研究生，研究方向：電路與系統、電氣自動化。