基于單片機的高精度步進電機控制研究

付家翰

【摘要】 本文重點對步進電機細分驅動原理進行了分析，通過對細分電流波形的合理選擇，以及以AT89C51單片機作為核心的選擇，經過對步進電機驅動芯片L297/298的結合，實現了步進電機的斬波恒流細分驅動控制系統的設計。

【關鍵詞】 步進電機 細分驅動控制 單片機 精度

步進電機在實際的應用過程中具有價格低、容易控制、無積累誤差、計算機接口簡單等特點，所以，步進電機作為一種將離散的電脈沖信號轉化為角位移的電磁機械設備裝置實現了對機械、儀表、工業控制等領域的有效應用。隨著我國各項技術的不斷發展，我國工業行業中對各個自動化控制及精密機械加工等都需要步進電機具有非常高的精度。

一、基于單片機的高精度步進電機控制研究現狀

步進電機在實際的應用過程中具有自身獨特的特征，即能夠在沒有速度、位置傳感器的情況下一樣可以對開環狀態下的定位工作或同步運行工作進行精確的實現。同時，通過對步進脈沖數量多少的調節，就能夠有效實現對位移或者角度定位的實現，對于步進脈沖來說，就愛好似驅動器發送給步進電機的電脈沖信號，所以，想要實現對速度的有效調節，就可以通過對步進脈沖頻率高低的調節進行控制，這樣就能夠有效實現相關裝置及設備的廣泛應用。

二、基于單片機的高精度步進電機控制系統設計

2.1 硬件設計

此系統中，對于硬件設計所采用的主要是以AT89C51單片機作為核心，步進電機中驅動芯片的使用用主要是L297和L298N，然后運用驅動雙相步進電機中AT89C51單片機對兩個DAC0832轉換器進行控制，并對轉換器中每相繞組對應的L297的參考電壓進行改變，在保證了電路正常使用的同時，并不能有效的實現在實際中的應用，所以，這就需要進行一些外圍輔助電路的添加。

2.2 軟件設計

在此系統中，對于系統中軟件的設計，會應用到定時器，定時器主要的作用就是能夠將控制信號進行有效的發射，而此控制信號主要是通過脈沖產生的，這樣就能夠保證在定時器中運用單片機，就可以實現對DAC0832系統有效的控制，并通過相關器械設備，保證階梯形電壓的有效產生，當所產生的階梯形電壓與L297電機控制芯片中第十五號引腳連接時，就能夠保證所產生的電壓在L297斬波對步進電機線圈電流進行有效的控制。與此同時，定時器1控制單片機引腳P0.0產生控制轉速的脈沖信號E1。定時器0產生步進電機所需的細分脈沖，脈沖頻率為E0，使其具有E0=N* E1的關系（N為細分數）。對于每個信號周期來說，單片機能夠對兩片DAC0832輸出經過運算放大器的變壓輸出峰值電壓實現有效的控制，這樣就會保證L297端口的參考電壓會發生一定順次的變化，此時將結果與L298N反饋出來的電壓相比，進而實現對線圈電流的逐漸增大或減少，并不是簡單的一次性通入或切斷。對于高精度步進電機驅動電壓的計算方法來說，有一定的計算公式可以進行運用，即：Vref=Vmax*si（nn*II/2N）。其中N為細分步數，n為細分第n步。

通過對脈沖頻率或換向周期進行有效的控制，就能夠實現控制系統對步進電機運行速度的有效控制，對于步進電機的速度控制來說，其主要的控制方法就在單片機系統中運用定時器的方法進行實現。為了完成此目的，首先需要做的工作就是要對所需要的定時器初值進行存儲，并存儲在單片機中，其后在通過開關實現對定時器初值不同的選取工作，進而實現對步進電機速度的有效控制。

2.3 系統整體分析

此系統能夠有效實現對日常應用的滿足，但是，當需要步進電機進行進行高精度細分時，還是會有一些亂序的問題出現，而此問題的產生一般都是因為一些延遲造成的。在實際的定時器使用過程中，因為會有申請中斷或取消中斷的過程中會有時間誤差的存在，這樣就會造成亂序問題的出現，而這樣的問題時不可避免的。所以，為了保證對步進電機的精確定時，首先就需要保證軟件的充分應用，簡單的說，當進行軟件操作過程中，就需要對定時器的初值進行有效的調整。所以，為實現精確定時，就需要通過軟件設計完成，具體的需要在進行軟件操作時，可以實現對定時器的初值進行不同程度的調整。與此同時，還需要對相關的兩個因素進行考慮，即：首先，當有中斷出現時，要保證有一定的中斷時間響應；其次，當在定時器中進行初值裝載時，還需要將裝載初值所用到的時間考慮在內，想要實現對電機的有效控制，首先需要解決的一個問題就是要減除抖動，當抖動問題存在時，就不能有效實現準確的定位。這樣，就可以從宏觀上發現問題的所在，而解決的方法則是可以通過對驅動電路的改善進行解決，同時還可以對轉速進行提高，當轉速越高時，所出現的抖動也就越清晰，這樣就能夠通過加減速度來實現對問題的解決。

三、結束語

綜上所述，運用鍵盤可以實現對步進電機的轉向、加減步數及停止等操作，然后，再進行軟件程序中語言的編寫，這樣就能夠保證單片機所輸出的控制信號在經過驅動電路時，實現對步進電機精確的控制。

參 考 文 獻

[1] 廖宇，高林.基于單片機的步進電機運動控制系統設計[J].電子測量技術，2012，31（05）：150-154.

[2] 郭士軍，康春花，張占立，等.基于單片機的步進電機控制系統 [J]. 電機與控制應用，2011，11（03）：150-151.