步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化控制探究

謝正剛

摘 要：本文主要研究步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化控制，首先介紹了步進(jìn)電機(jī)的工作原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了對應(yīng)的硬件電路，通過ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)其運(yùn)轉(zhuǎn)，最后通過設(shè)計(jì)專門的軟件流程來實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；自動(dòng)化；單片機(jī)

一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)有很多種，按照不同的實(shí)現(xiàn)原理可以分為反應(yīng)式、永磁式、永磁感應(yīng)式三類，不同類型的步進(jìn)電機(jī)通過不同的工作原理，來實(shí)現(xiàn)相同的制動(dòng)動(dòng)力，最終實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)以固定的旋轉(zhuǎn)角為基本步長的動(dòng)力類型。三類步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)不同的旋轉(zhuǎn)角，以磁阻式步進(jìn)電機(jī)為例，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角為1°到

15°，甚至更小的步距角，有效地為其他提供了固定步距的動(dòng)力。如圖1所示，為三相步進(jìn)電機(jī)的工作原理圖。

如圖所示，三相步進(jìn)電機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，二者之間通過磁場力來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子按照固定步距的旋轉(zhuǎn)。如圖可知，三相步進(jìn)電機(jī)定子分別為AABBCC，如果對其依次通電，那么A定子對應(yīng)的轉(zhuǎn)子為了使磁阻最小，就會帶動(dòng)轉(zhuǎn)子使其與A對其，如果此時(shí)停止對A通電，對B開始通電，那么與B對應(yīng)的轉(zhuǎn)子為了減少磁阻而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與B對其，以此類推即可知道，如果對轉(zhuǎn)子的通電順序和時(shí)間間隔都是固定的，那么轉(zhuǎn)子就會在固定的時(shí)間內(nèi)，按照固定的旋轉(zhuǎn)角度帶動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而提供固定旋轉(zhuǎn)角度的動(dòng)力。

二、步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化控制

由步進(jìn)電機(jī)的工作原理可知，主要連續(xù)地對定子進(jìn)行有序的固定時(shí)長的通電，那么步進(jìn)電機(jī)就會按照一定的旋轉(zhuǎn)角度和選裝方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。如果改變通電時(shí)間間隔，那么步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的每一步之間的時(shí)間間隔就會發(fā)生變化，如果對定子通電的順序發(fā)生變化，那么轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向就會發(fā)生變化，對外界產(chǎn)生的動(dòng)力也就隨之產(chǎn)生變化。單片機(jī)是常見的產(chǎn)生產(chǎn)生脈沖信號的有效控制器件，而51系列的單片機(jī)以其價(jià)格低、性能高、穩(wěn)定性好而在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對于步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化控制，主要思想就是通過單片機(jī)生成穩(wěn)定的脈沖信號，通過脈沖信號驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的通電狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化控制，而人為地通過編程，來控制脈沖信號的頻率、占空比以及其他特性，來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、步長時(shí)間的有效控制。

（一）單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的硬件設(shè)計(jì)圖。使用單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，主要是通過AT89C51數(shù)據(jù)輸入輸出端口連接到步進(jìn)電機(jī)，為步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖信號即可。如圖2所示，為基于AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)化控制的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

由圖2.可知，步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化控制主要由AT89C51完成，通過該單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸入輸出端口，連接ULN2003芯片，進(jìn)而連接到步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)該電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于AT89C51單片機(jī)屬于低電壓驅(qū)動(dòng)的COMS控制器，數(shù)據(jù)輸出信號的功率較小，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要有ULN2003芯片最為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，將單片機(jī)的功率較小的脈沖信號進(jìn)行放大，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

（二）單片機(jī)的軟件流程邏輯設(shè)計(jì)。步進(jìn)電機(jī)的控制，最終是通過單片機(jī)生成數(shù)字脈沖信號來實(shí)現(xiàn)，而單片機(jī)生成脈沖信號，則是通過人為的編程來實(shí)現(xiàn)，按照步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯，可以為單片機(jī)進(jìn)行編程。

單片機(jī)的軟件流程設(shè)計(jì)，目標(biāo)是為了配合硬件電路，生成脈沖信號實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。首先，對單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)組件進(jìn)行初始化設(shè)置，如對連接ULN2003芯片的端口設(shè)置成數(shù)據(jù)輸出端口，對開關(guān)控制連接的端口設(shè)置成數(shù)據(jù)接收端口，并且對定時(shí)器進(jìn)行初始化操作，對單片機(jī)外的各種工作芯片發(fā)送控制字，使其處在工作狀態(tài)，然后檢測步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，如果處在停止?fàn)顟B(tài)，則可開始發(fā)送控制脈沖，使其工作。

數(shù)字脈沖的生成原理，可以采用最近本的時(shí)間控制改變輸出端口電壓的原理，即在ULN2003芯片連接端口，首先使其處在高電壓，然后啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器到達(dá)固定時(shí)間后，在為該端口發(fā)送電壓，在初始化定時(shí)器并且啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)固定時(shí)間后，再將其變成高電壓，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖的信號的生產(chǎn)，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

總結(jié)：步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化控制，主要是通過單片機(jī)生成脈沖信號，通過ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)力。所以在實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路，使ULN2003芯片連接步進(jìn)電機(jī)，并且在單片機(jī)編程，通過定時(shí)器定時(shí)改變輸出端口電壓來實(shí)現(xiàn)脈沖信號生成，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 成新. 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J]. 電子技術(shù)與軟件工程. 2015（05）