基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的研究

曹旻罡

摘要：步進電機控制作為一種電機控制系統(tǒng)的重要模式，屬于現(xiàn)代數(shù)字化控制的重要手段，其應(yīng)用已經(jīng)相當廣泛。步進電機屬于感應(yīng)電機類，利用電子電路將直流電分為分時供電、多相時序供電控制電流，利用這種電流為電機供電，驅(qū)使電機工作。步進電機不能夠在常規(guī)模式下使用，必須通過雙環(huán)形脈沖信號驅(qū)動電路，因此在使用的過程中必將涉及多方面學(xué)科知識，目前已經(jīng)成為電機一體化控制關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：單片機；步進電機；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0020-01

步進電機的啟動運行直接影響到數(shù)字控制的準確性和穩(wěn)定性，因此在對單片機控制的過程中必須有效渡過加速度運行階段，以保障電機精準、高效運行。目前的步進電機驅(qū)動技術(shù)主要采用了斬波恒流控制和正弦脈寬調(diào)制技術(shù)進行電機控制，極大限度的提高了電機的運行速度和運行精度[1]。另外，單片機的電路設(shè)計上，其驅(qū)動器電路通常會采用單片機加外圍電路方式，通過專用的SPWM芯片實現(xiàn)數(shù)字信號處理。本文針對單片機中利用步進電機控制系統(tǒng)進行電機運行控制，為提高單片機的電機運行速度和準確度提供建議。

1 理論概述

1.1 步進電機控制原理

步進電機和普通的電機組成基本一樣，其主要的組成有：定子、轉(zhuǎn)子等主要的組件。步進電機的主要控制原理在于通過磁通尋找最短路徑，以此來一步步實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)動控制。步進電機運行可分為四個階段，每個階段轉(zhuǎn)子的兩極有多個牙齒，轉(zhuǎn)子軸上多齒，因此電機運行中可能會出現(xiàn)錯齒問題[2]。

1.2 步進電機系統(tǒng)組成

步進電機控制系統(tǒng)一般都是采用開環(huán)控制方式，其裝置的成本低、結(jié)構(gòu)相對簡單、運行穩(wěn)定。步進電機作為自動化控制裝置，其被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人、智能控制、工業(yè)自動化等自動化控制領(lǐng)域。單片機的步進控制系統(tǒng)作為一種常用的步進電機控制系統(tǒng)，采用典型的步進電機控制驅(qū)動，主要包含了：步進控制器、驅(qū)動器以及步進電機三個部分。單片機選型為AT89S51時，其具備128字節(jié)的ram和4字節(jié)的flash閃存儲存器。采用標準兼容的8051系統(tǒng)指令和引腳，可實現(xiàn)在線編程和傳統(tǒng)方式編程。驅(qū)動器將單片機的輸出脈沖加大，通過驅(qū)動步進電機實現(xiàn)電機運行，驅(qū)動器實現(xiàn)了輸出功率放大的同時輸出反相。步進電機采用了四相反應(yīng)式步進電機，通過兩種勵磁方式推動運行[3]。

2 步進電機控制系統(tǒng)

2.1 基本組成

步進電機控制系統(tǒng)作為一個控制整體，其具有操作控制和運動控制系統(tǒng)之分，二者之間相互輔助共同形成了控制單片機電機運行。操作系統(tǒng)控制主要是將操作者的操作轉(zhuǎn)化為運動系統(tǒng)能夠接受分析的電信號，運動系統(tǒng)隨之做出反應(yīng)，完成操作者的規(guī)定、規(guī)范動作。運動控制則屬于一種實實在在的控制技術(shù)，完成了物體的位置運動和速度控制操作。運動控制系統(tǒng)在一般的步進電機控制系統(tǒng)中由驅(qū)動、控制以及執(zhí)行三個部分組成，運動控制系統(tǒng)在控制操作員的指令之下，驅(qū)動電機，通過電機完成執(zhí)行任務(wù)操作。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，步進電機控制系統(tǒng)技術(shù)變得日益成熟，由操作系統(tǒng)的運營商提供操作規(guī)范，然后再通過運動控制系統(tǒng)接受電信號，驅(qū)動控制系統(tǒng)完成全套反應(yīng)動作。目前，單片機的電機進行步進控制的時候，主要關(guān)注點在于控制對象的位置和速度，總結(jié)起來整個控制過程分為了控制、驅(qū)動以及執(zhí)行等幾個重要部分[4]。

2.2 驅(qū)動控制系統(tǒng)組成

單片機進步電機控制系統(tǒng)主要分為了脈沖信號產(chǎn)生、脈沖信號分為兩個主要部分，其中脈沖信號產(chǎn)生作為步進電機控制的重要開始。脈沖信號產(chǎn)生主要通過單片機完成，常規(guī)脈沖為0～5V，通過增加發(fā)電功率和時間延長時序以此控制軟件編程。脈沖信號的分為則分為硬件法和軟件法兩種方式：其一，硬件法。硬件法則主要是通過一種特殊的脈沖分配裝置控制脈沖信號的分布，如，常用的PMM8713可以很好實現(xiàn)單片機輸出脈沖信號分布，通過邏輯方式組合相繞組。硬件法利用特殊的脈沖控制分配器和觸發(fā)器，通過這些裝置來控制指令信號，然后直接通過放大器按照邏輯關(guān)系驅(qū)動電機運動。其二，軟件法。通過軟件法編寫程序，可以控制電機的電流轉(zhuǎn)變過程按照一定的順序來完成具體程序，利用單片機的輸入輸出接口驅(qū)動電路，并判斷輸出的具體的脈沖信號。脈沖信號控制的時候，往往是通過旋轉(zhuǎn)方式來控制脈沖，整個過程會縮短CPU運行時間。通過軟件法搭建步進電機控制系統(tǒng)可以降低生產(chǎn)成本。因此，很多單片機的電機進行控制的時候選擇軟件法，其更加實惠。我國工業(yè)生產(chǎn)不斷實現(xiàn)數(shù)字化，利用軟件法來實現(xiàn)步進電機控制系統(tǒng)搭建的相關(guān)技術(shù)也將變得更加成熟，符合于未來的電機控制系統(tǒng)開發(fā)發(fā)展方向。

2.3 功率放大器

單片機的輸出脈沖電流比較小，因此需要功率放大操作，因此放大器被用于單片機的步進電機控制系統(tǒng)中。實現(xiàn)單片機的驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵就是選擇合適的功率放大器，具體的驅(qū)動步進電機控制進行旋轉(zhuǎn)需放大脈沖信號。平均電流和電機轉(zhuǎn)矩要盡可能保障電動機驅(qū)動系統(tǒng)選擇額定平均電流更大目標。通過高功率放大器來控制和驅(qū)動特殊設(shè)備，也可以根據(jù)不同的需求制定出不同的驅(qū)動模式[5]。

3 單片機步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計

步進電機控制電路采用四相步進電機，其具備良好的負載能力，其可以控制電機的安全、穩(wěn)定、準確運行。步進電機定子繞組方案按照一定的順序進行排列，轉(zhuǎn)子則沿著固定方向一步一步轉(zhuǎn)動。步進電機運行的四個階段，必須滿足電力秩序八拍，具體的順序為：A--AB--B--BC--C--CD--D--DA--A。

上述的程序設(shè)計按照步進電機運行的四個階段，必須滿足電力秩序八拍順序而成，其能夠滿足單片機步進電機控制系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)語

單片機在數(shù)控機床以及機械自動化中的應(yīng)用相當廣泛，而步進電機控制系統(tǒng)又是當前主流的脈沖控制系統(tǒng)。利用步進電機控制系統(tǒng)實現(xiàn)了將電子技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)等融合在一起，可以實現(xiàn)對電機的穩(wěn)步、準確控制。單片機的步進電機控制系統(tǒng)最為主要的注意點在于電脈沖信號控制，通過控制相繞組實現(xiàn)對整個電流控制。步進電機控制系統(tǒng)必須突出其精確控制功能，同時還要盡可能減少累積誤差，否則設(shè)計的步進電機控制系統(tǒng)則存在著系統(tǒng)缺陷，無法在市場上站穩(wěn)腳跟或?qū)⑹ジ偁幜Α?/p>

參考文獻

[1]賽恒吉雅.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)研究[J].橡塑技術(shù)與裝備，2015（24）：194-195.

[2]陳曉紅.基于嵌入式單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計的分析[J].無線互聯(lián)科技，2014（10）：61.

[3]白正勤，韓震，劉旭東.基于單片機的步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)研究總結(jié)[J].科技視界，2014（29）：101-102.

[4]李磊.基于單片機的步進電機升降速控制研究[J].微電機，2011（11）：84-86.

[5]董圣英.基于THB7128和單片機的步進電機定位控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣傳動，2011（06）：57-60.endprint