基于單片機(jī)的機(jī)械控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)

張 政 楊海鵬 呂昊軒

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110159）

基于單片機(jī)的機(jī)械控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)

張 政 楊海鵬 呂昊軒

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110159）

單片機(jī)具有體積小、控制功能強(qiáng)、功耗低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、擴(kuò)展靈活和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、無(wú)線感知系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、機(jī)器人等應(yīng)用控制系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。本文針對(duì)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)來探討一下機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。

單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；機(jī)械控制系統(tǒng)

一、單片機(jī)在步進(jìn)機(jī)機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的作用

單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如下圖所示，正是因?yàn)槠鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)大的功能，所以在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

圖為單片機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1、單片機(jī)能夠提升步進(jìn)電機(jī)的整體性能

目前的步進(jìn)機(jī)只要分為三種，反應(yīng)式、永磁式和混合式。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以選用不同的步進(jìn)機(jī)，其中混合式步進(jìn)機(jī)應(yīng)用最為廣泛，控制效果較好。但在實(shí)際即系控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，這三種步進(jìn)機(jī)的反應(yīng)原理都是相對(duì)獨(dú)立、分別運(yùn)作的，使步進(jìn)機(jī)缺少整體性，一定程度上影響步進(jìn)機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。而單片機(jī)的應(yīng)用，則能夠針對(duì)金不記得運(yùn)行環(huán)境、基本原理、和機(jī)械特性進(jìn)行小范圍的優(yōu)化升級(jí)，能夠有效的提升步進(jìn)機(jī)的整體性，使步進(jìn)機(jī)各個(gè)構(gòu)件能夠相互彌補(bǔ)，從側(cè)面增強(qiáng)了步進(jìn)機(jī)的工作效率。

2、單片機(jī)能減少步進(jìn)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)成本

通常步進(jìn)機(jī)的內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會(huì)產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)的直流或正弦波，還會(huì)產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場(chǎng)中也會(huì)產(chǎn)生損耗，損耗的大小與材料、電流、頻率、電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會(huì)以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，從而影響電機(jī)的效率。這就需要及時(shí)對(duì)步進(jìn)機(jī)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，但是由于步進(jìn)機(jī)的制成材料都比較昂貴，所以維護(hù)成本都比較高。而單片機(jī)的應(yīng)用則能夠使步進(jìn)機(jī)在結(jié)構(gòu)和功能上協(xié)調(diào)平衡，減少部分構(gòu)件的功耗，進(jìn)而減少步進(jìn)機(jī)的維護(hù)成本，節(jié)約投入資金。

二、單片機(jī)在步進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用原則

1、必須遵循科學(xué)性的原則

單片機(jī)在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)許必須要貫徹科學(xué)性的原則，只有保持科學(xué)性，才能全面的分析步進(jìn)機(jī)的反應(yīng)原理、機(jī)械控制流程、興建生產(chǎn)等流程，才能保證步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。只有在科學(xué)技術(shù)和科學(xué)精神的指引下，我們才能在現(xiàn)有工藝而生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)上，更好的開展單片機(jī)的步進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究工作。

2、必須遵循實(shí)用性的原則

工業(yè)生產(chǎn)的目的就是為了方面人們的生產(chǎn)生活，蓋面人們的身纏生活方式，加快生產(chǎn)生活效率。因此，單片機(jī)在步進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用中必須要遵循實(shí)用性的原則，這樣才能最大限度的減少投入成本，減少資源消耗，保證工業(yè)生產(chǎn)和機(jī)械控制的高效開展。

三、功能模塊設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)的步進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需要，在設(shè)計(jì)中要考慮到一些工嗯呢該模塊的實(shí)際應(yīng)用，如下圖所示：

圖為基于單片機(jī)的步進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與單片機(jī)的接口

單片機(jī)是性能極佳的控制處理器，在控制步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)中，接口部件必須要

鞥具有電壓隔離功能、信息傳遞工以及產(chǎn)生不同頻率的功能。

（1）電壓隔離功能

單片機(jī)工作在5V，而步進(jìn)電機(jī)是工作在幾十V，甚至更高。一旦步進(jìn)電機(jī)的電壓串到單片機(jī)中，就會(huì)損壞單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)會(huì)干擾單片機(jī)，也可能導(dǎo)致系統(tǒng)工作失誤，因此接口器件必須有隔離功能。

（2）信息傳遞功能

接口部件應(yīng)能夠把單片機(jī)的控制信息傳遞給步進(jìn)電機(jī)回路，產(chǎn)生工作所需的控制信息，對(duì)應(yīng)于不同的工作方式，接口部件應(yīng)能產(chǎn)生相應(yīng)的工作控制波形。

（3）產(chǎn)生所需的不同頻率

為了使步進(jìn)電機(jī)以不同的速度工作，以適應(yīng)不同的目的，接口部件應(yīng)能產(chǎn)生不同的工作頻率。

2、電壓隔離接口

電壓隔離接口專用于隔離低壓部分的單片機(jī)和高壓部分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，以保證它們的正常工作。電壓隔離接口可以用脈沖變壓器或光電隔離器，基本上是采用光電隔離器。單片機(jī)輸出信號(hào)可以通過TTL門電路或者直接送到晶體管的基極，再由晶體管驅(qū)動(dòng)光電耦合器件的發(fā)光二極管。發(fā)光二極管的光照到光電耦合器件內(nèi)部的光敏管上，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功率放大電路，電流放大接口是步進(jìn)電機(jī)功放電路的前置放大電路。它的作用是把光電隔離器的輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大，以便向功放電路提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流。

3、工作方式接口和頻率發(fā)生器

用單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，需要在輸入輸出接口上用3條I/0線對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，這時(shí)，單片機(jī)用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三相。

四、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于單片機(jī)的進(jìn)步電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要我們不斷努力進(jìn)行探索，尋找更好的 設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化合理的資源配置，才能設(shè)計(jì)出更加合理的接卸控制系統(tǒng)，才能更好的為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

[1]姜培昌，盧軍霞，趙慶志.基于 PCI-1750 數(shù)據(jù)采集卡的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，24（01）：93-95.

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TU7

B

1007-6344（2017）01-0072-01

張政（1995.04--）男，甘肅省金昌市人，本科學(xué)歷，專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

楊海鵬(1994.06--) 男，黑龍江省大慶市人，本科學(xué)歷，專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。

呂昊軒(1992.01--) 男，遼寧省大連市人，本科學(xué)歷，專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。