基于單片機的步進電機控制探討

摘? 要：在步進電機的運行過程中，來自于單片機的電子脈沖信號可以控制其轉動角度，而借助于單片機硬件電路以及軟件編程等形式，則可實現步進電機的啟動、停止以及正反轉等動作，以此來實現對步進電機的有效控制。基于此，本文分析了基于單片機的步進電機控制方法，以期為步進電機的應用與控制提供相應參考。

關鍵詞：單片機;步進電機;控制策略;控制系統

中圖分類號：TM383.6? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）07-0000-00

0 引言

步進電機的系統結構簡單，對轉動定位控制精準，因此步進電機在儀表控制和過程控制中發揮著至關重要的作用，且在當今的自動化控制、電動閥控制、數控機床以及醫療設施等各領域中得到了廣泛應用。而在步進電機的具體應用過程中，單片機可以對其起到更加精準的控制作用，以此來實現應用效果的顯著提升。因此，在步進電機的應用與研究中，應加大對單片機控制的研究，以此來實現步進電機的良好應用與發展。

1 步進電機工作原理

在步進電機的運行過程中，電子脈沖信號數量及其頻率對其轉動速度以及停止位置起到決定性作用。在步進電機運行過程中，如果給定一個脈沖信號，其轉子便可經過相應角度，我們將該角度叫做步距角。就目前的步進電機來看，步距角一般按照半步和一步進行劃分，具體情況如表1所示。

按照以上劃分方式，每給定一個脈沖信號，步進電機就可以轉動0.9°，隨著脈沖信號書的連續給定，可控制步進電機實現連續運轉。

2 基于單片機的步進電機控制

2.1控制系統框架分析

2.1.1硬件系統設計構架分析

在本次所研究的步進電機控制系統中，應用到的單片機為51單片機，主控制器型號為80C51，該控制器屬于一種有著高效性的微控制器，通過該控制器的應用，可以為嵌入形式的控制系統提供出價格低廉、靈活度高的方案，其組成部分及其個數如表2所示。

在本次研究中，主要選擇的步進電機是四相六線形式的步進電機，其額定電壓是12V，這種步進電機可以在單拍模式下工作，也可以在單雙拍混合模式下工作。但是通常情況下，在該步進電機工作在單拍模式下時，其轉動相角過度比較少，轉動角度比較大，而且轉動也并不十分連貫[1]。因此，為了保障該步進電機轉動的連貫性，通常會將其設計為單拍以及雙拍相互混合的工作模式。

由于80C51型號的單片機有著較小的信號輸出功率，所以不能有效滿足步進電機的實際驅動需求。在這樣的情況下，就需要進行相應驅動電路的添加，以此來滿足步進電機實際的驅動需求，讓步進電機維持在一個正常的工作狀態中。因此，在本次設計中，將ULN2003A芯片用來作為其驅動芯片，這種芯片有著比較高的工作電壓和比較寬的溫度范圍，同時也有著非常強的負載能力。該芯片的每一路驅動器輸出信號平均為500mA，最大的輸出信號可以達到600mA[2]。同時，該芯片也可以借助于級聯的形式來實現驅動能力的提升。在對按鍵進行控制的電路中，應用的是一種十分簡單的單片機輸入設備，并進行了三個按鍵的設置，借助于鍵盤上的相關指令對步進電機進行啟停以及正反轉的控制。

2.1.2軟件系統設計構架分析

在完成了硬件系統的設計與搭建之后，基于單片機形式的步進電機控制系統已經具備了初步的控制條件，接下來就是軟件系統的設計。在本次設計中，借助于C語言或者是Keil軟件匯編語言等形式，可控制步進電機的初始化、驅動以及按鍵輸入等模塊，以此來實現步進電機的啟動、停止以及正反轉等功能。

在具體的軟件系統設計過程中，可借助于軟件編程形式的演示程序來對步進電機進行轉向控制。在此過程中，步進電機內部的繞組通電順序將會對其轉向起到決定性作用。借助于軟件編程的形式，可以對單片機向步進電機繞組所施加的相序脈沖電流進行控制，以此來控制步進電機的具體轉向。在具體的控制過程中，為了進一步提升系統對負載的帶動能力，并保障步進電機的平穩運行，在本次設計中，將驅動方式設置為四相八拍形式。

2.2控制系統設計流程分析

首先是單片機的初始化，在此過程中，需要對計數器、定時器、外圍芯片以及傳送數據的端口進行初始化，并對初始數據進行賦值。

其次是對步進電機的實際運行狀態進行檢查，保障其處在使能狀態。

再次是對鍵盤按鍵信號的讀取窗口進行狀態檢查，具體步驟如下：

（1）若按下正轉按鈕，對定時器給定一個比初始數據大的最小值，然后進行信號發送，讓步進電機使能，并將定時器的定時功能開啟。

（2）若按下加速按鈕，對定時器給定一個比初始數據小的最大值，并將定時器的定時功能開啟。

（3）若按下減速按鈕，對定時器給定一個比初始數據大的最小值，并將定時器的定時功能開啟。

（4）若按下停止按鈕，計數器或定時器停止工作，與步進電機連接的端口值也不再改變，讓步進電機使能無效。

（5）按下反轉按鈕，對定時器進行檢查。

（6）最后，在定時器結束定時的情況下，應該將當前與步進電機相互連接的端口值取反。

2.3步進電機工作流程分析

在打開了步進電機以及單片機電源開關之后，提示“停止”的指示燈將會亮起;在將“正轉”開關按下之后，才可以按“加速”開關，此時，提示“停止”的指示燈將會熄滅，提示“正轉”的指示燈將會亮起，然后，步進電機將會以一個比較小的速度開始運轉。此時，要想讓步進電機的轉動速度進一步加快，需要再次按下“加速”按鈕，再多次按動該按鈕，步進電機加速到一定速度之后將不再繼續加速，而是始終處在一個高度運轉的狀態下運行。此時，如果將“減速”按鈕按下，步進電機的轉動速度將會降低，如果繼續按這個按鈕，步進電機速度會持續降低，一直到不再運轉為止。如果將“反轉”按鈕按下，提示“正轉”的指示燈將會熄滅，提示“反轉”的指示燈將會亮起。反轉的加速和減速與正轉的加速和減速工作流程一致。

3 結語

綜上所述，在步進電機的使用過程中，單片機可以對其運轉起到有效的控制作用。因此，在具體的應用過程中，應該按照步進電機實際工作特點，并根據實際需求來進行程序代碼的編寫，然后借助于相應的芯片來實現步進電機的驅動。同時，在通過芯片對步進電機進行控制的過程中，也需要注意到很多細節，比如反轉過程中的轉速應該控制得相對較小一些，這樣才可以讓步進電機得到更好的保護，以免步進電機被破壞，同時也可以有效保障單片機信號的穩定性，以此來控制步進電機的穩定運行。

參考文獻

[1]袁煒，張寶，吳饒，等.基于單片機的步進電機控制系統設計[J].電腦知識與技術，2020（18）：214-216.

[2]孫巧智.基于單片機的步進電機控制系統研究[J].電子世界，2020（11）：86-87.

收稿日期：2020-06-01

作者簡介：陳永飛（1984—），男，浙江東陽人，本科，工程師、高級技師，研究方向：機械設計制造及自動化、非標自動化設計、微特電機制造。

Discussion on Step Motor Control Based on Single Chip

CHEN Yongfei

（Zhejiang Lianyi Motor Co.， Ltd.， Dongyang? Zhejiang? 322100）

Abstract： During the operation of the stepper motor， the electronic pulse signal from the single-chip microcomputer can control its rotation angle， and with the help of the single-chip hardware circuit and software programming form， the stepper motor can be started， stopped， and forward and reverse Action to achieve effective control of the stepper motor. Based on this， this article analyzes the stepper motor control based on the single-chip microcomputer to provide a reference for the application and control of the stepper motor.

Keywords： single chip microcomputer; stepper motor; control strategy; control system