基于單片機的步進電機控制電路設計

范月圓+劉華勇+李玉蘭

摘要：隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。而步進電機的優(yōu)勢也極為明顯，它與現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益呈現(xiàn)直接相關性。本文設計了基于單片機的步進電機電路控制電路，首先明確步進電機工作原理及優(yōu)勢之后，采用單片機對其模塊進行有效控制，以達到良好的設計效果，不斷提升步進電機工作性能。

關鍵詞：單片機 控制電路 步進電機 驅動模塊

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0019-02

1 前言

近年來，步進電機在多個領域得到了開發(fā)和應用，并取得了良好的使用效果。步進電機是一種常見的執(zhí)行元件無論是結構還是操作方法，都比較簡單，其性能也與工業(yè)生產(chǎn)控制要求相適應，在工業(yè)技術中對其進行應用，已是一種既定的趨勢。步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。與此同時步進電機調(diào)控也發(fā)生了相應的升級和轉變，本文對單片機和步進電機進行同步應用，以控制軟、硬件，不斷提高步進電機工作效率。

2 單片機的應用意義及原則

2.1 單片機的應用意義

單片機與步進電機進行同步應用，既能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，又是步進電機電路設計過程中的基本訴求。單片機的性質(zhì)是集成電路芯片，以具體技術為依托，對中央處理器、隨機存儲器、只讀存儲器、中斷系統(tǒng)和定時器等子系統(tǒng)功能進行實現(xiàn)。它能夠對數(shù)據(jù)信息進行收集、分析和處理，在步進電機控制系統(tǒng)中極具應用優(yōu)勢，達到良好的應用效果。

首先，提高步進電機性能。依據(jù)實際情況，對反應式、永磁式和混合式等步進電機類型進行合理選擇，充分發(fā)揮它的設計功能，適應社會需要。如果對該三種反應原理進行單一應用，步進機將喪失其整體性能，也會對步進電機的工作質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響，使它的應用效果大打折扣。單片機能夠依據(jù)步進電機的工作環(huán)境、運動特性、控制性能和實際功用等，對它進行局部性的優(yōu)化和升級，以補強步進電機控制系統(tǒng)整體，實現(xiàn)步進電機結構層面上的一體化，充分發(fā)揮它的使用性能，為工業(yè)生產(chǎn)提供物質(zhì)及技術支持。

其次，降低步進電機維護及保養(yǎng)成本，節(jié)省資金。步進電機的材質(zhì)一般比較昂貴。接收電信號脈沖之后，長期工作周期背景下，運動軌跡會發(fā)生明顯變動。對步進電機的使用效果和結構產(chǎn)生直接性影響，產(chǎn)生裂紋或在記錄過程中出現(xiàn)失誤，使步進電機維護更加困難。在實際應用中需要在特定周期內(nèi)，對步進電機進行維護和保養(yǎng)，確保其具備良好的應用效果及安全性。單片機能夠從結構和功能上對步進電機進行協(xié)調(diào)，使電機不再受局部區(qū)域干擾，避免出現(xiàn)運動差錯，對步進電機的維護和保養(yǎng)成本進行有效控制，實現(xiàn)資源節(jié)約。

2.2 單片機在步進電機電路中的實用性原則

設計單片機步進電機控制系統(tǒng)的時候，需要考慮資金要素，要依據(jù)實際情況，對設計成本進行有效控制，減少不必要的資金浪費，使單片機在步進電機電路中得到充分應用。

3 步進電機概述

3.1 步進電機發(fā)展

步進電機別名階躍電動機或脈沖電動機，它能夠對脈沖信號進行轉換，使其成為角位移或直線位移電機，也使它的分析過程更加便利。該種步進電機發(fā)展較早，無論是位移量與脈沖數(shù)，還是位移速度與脈沖頻率都呈現(xiàn)正相關。

步進電機的最初研發(fā)時間是上世紀二十年代，距今已有很長年限。上世紀五十年代，人們開始在步進電機上對晶體管技術進行應用，實現(xiàn)了對步進電機的數(shù)字化控制，使其控制過程更加快捷便利。此后，研究人員再次對步進電機性能進行升級和改善，使其具備分解性、響應性、精度性和可依賴性等多方面優(yōu)勢。加之，微電子技術和計算機技術的發(fā)展，自動化控制系統(tǒng)中開始對步進電機進行頻繁應用，使其逐漸成為機電一體化中的重要執(zhí)行元素。步進電機的優(yōu)勢非常明顯，它既能夠提升工作效率，實現(xiàn)自動化，也能夠使位置控制更加快捷、準確，不斷提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化[1]。

步進電機廣泛應用在生產(chǎn)實踐的各個領域。它最大的應用是在數(shù)控機床的制造中，因為步進電機不需要A/D轉換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉化成為角位移，所以被認為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進電機輸出轉矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術的發(fā)展，步進電動機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上進行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進電動機用作數(shù)控銑床進給伺服機構的驅動電動機，在這個應用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅動電動機。除了在數(shù)控機床上的應用，步進電機也可以并用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅動器的馬達，也可以應用在打印機和繪圖儀中等等。

3.2 步進電機的工作原理

定子和轉子是步進電機的主要元件。正常工作狀態(tài)下，如果有電流經(jīng)過，定子繞組會產(chǎn)生一個矢量磁場，繼而對轉子產(chǎn)生帶動，使其在具體作用下旋轉，轉子和定子的磁極磁場方向會發(fā)生偏差，形成相應的角度。步進電機主要對通過定子繞組的電流進行支配，實現(xiàn)轉子旋轉角度控制。一旦輸入脈沖信號，轉子即發(fā)生偏轉，即步距角。完成脈沖信號給出規(guī)律設定之后，電流的通過將會更具規(guī)律性，而轉子也會有規(guī)律的進行持續(xù)轉動，對電機進行帶動，使步進電機實現(xiàn)工作。如圖1所示，步進電機結構。

傳統(tǒng)電動機的轉動具有持續(xù)性特征，控制難度相對較大。當前的步進電動的驅動方式是數(shù)字信號，能夠依據(jù)實際情況，對它的定位和運轉等使用狀態(tài)進行有效調(diào)節(jié)。我們對輸入脈沖的電機繞組通電順序、頻率和數(shù)量等進行合理調(diào)整，對步進電機接受脈沖信號而旋轉指定的角度進行科學合理的指揮，使其滿足最初訴求。如今，步進電機的正常運行得益于脈沖信號。如果沒有輸入脈沖信號，步進電機將處于定位狀態(tài)。單片機能夠對步進電機這一特性進行有效控制。對單片機和步進電機進行同步應用，有助于提高其生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)電動機的主要功用是能量轉換，而步進電機則作為電路控制元件存在，極具精確性，對人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活具有正向性影響。

4 基于單片機控制步進電機電路的設計

步進電機可以以硬件系統(tǒng)實現(xiàn)控制。但是，基于市場因素考慮，硬件系統(tǒng)不具備經(jīng)濟性，而它的各項功能也不具備適用性。一旦發(fā)生設計變更，則需要對硬件電路進行整體性修改，加大了工作負擔，很難實現(xiàn)便利性。單片機具備可直接編程優(yōu)勢，能夠對運算功能進行有效執(zhí)行，在具體應用過程中，可對步進電機進行適應性控制，對具體的轉向、步數(shù)和速度等進行合理調(diào)節(jié)。借助軟件的更改，能夠滿足不同設計訴求。設計人員對顯示電路和鍵盤電路進行有效結合，能夠進行人機交換，最大程度降低外部干擾，使其更加可靠、高效。

4.1 系統(tǒng)硬件設計

4.1.1 單片機最小系統(tǒng)

電路設計中離不開單片機最小系統(tǒng)設計，它是步進電機電路的起始部分。主要功能是生成步進電機轉動需要的脈沖，并對其加以控制。我們可以借助單片機的軟件編程功能，對步進電機所需要的信號進行輸出，使單片機輸出脈沖數(shù)與步進電機旋轉角度呈現(xiàn)正相關，單片機輸出脈沖頻率與步進電機轉動速度也呈現(xiàn)正相關。同時，單片機也能夠對電流值進行有效處理，并借助數(shù)碼管明確顯示電機的轉速和方向。

單片機的主要模塊有復位電路和晶體振蕩電路。如圖2所示，單片機最小系統(tǒng)線路圖。

P0口主要對數(shù)碼管顯示情況進行控制，使其顯示結果更加明確，且極具準確度；P1口著重控制步進電機中單片機的編程，使芯片處于良好的讀寫狀態(tài)；P2口作為數(shù)碼管位選，對公共端工作進行有效控制。同時，它也能夠對掃描電路鍵盤工作情況進行合理控制。P3口著力于模數(shù)轉化成芯片的工作控制[2]。

4.1.2 數(shù)碼管顯示電路

數(shù)碼管顯示模塊的主要顯示內(nèi)容有步進電機選擇速度、旋轉方向、步進電機電流通過情況。該設計中，借助數(shù)碼管對設計進行顯示，直接點亮數(shù)碼管，實現(xiàn)位選部分，對單片機控制端的地輸出電壓問題進行有效控制。因而，需要將輔助三極管添加到位選和單片機控制端。

4.1.3 串口通信模塊

串口通信模塊的應用原理是對計算機和單片機進行連接，實現(xiàn)二者之間的信息交互和流通。它的應用原理是借助計算機對程序進行編程，然后對程序進行復制，在單片機芯片中對其進行應用。

4.1.4 電機驅動模塊

步進電機的信號功率比較小，很難對電機進行驅動，使其運行。因此要添加電機驅動模塊，使步進電機信號功率不斷放大。集成的驅動芯片價格比較低，控制難度相對較小，可以將其作為核心元件應用到電機驅動電路設計中。

如圖3所示，該電機驅動電路中，電機驅動核心由驅動芯片L298和其周圍的電路組成，L298N的管腳IN1，IN2，IN3，IN4和ENA，ENB與單片機的I/O端口P1口的六個管腳依次連接相連，接收脈沖信號。L298N的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機的一相。其中IN1，IN2，IN3，IN4管腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。ENA，ENB控制使能端，控制電機的停轉。而控制步進電機的運行速度只要控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。該種連接模式和驅動芯片與單片機和步進電機之間的串聯(lián)模式相符合，使電路控制和操作更加簡單和便利。

4.1.5 獨立按鍵電路

內(nèi)部電路中的按鍵是獨立的，在單片機端口上對其進行連接。將其作為外部性按鍵，使內(nèi)部各項模塊具有較好的中斷功能，以對步進電機旋轉方向進行科學合理的選擇，并對它的速度進行科學調(diào)控，使其電流呈現(xiàn)良好的現(xiàn)實狀態(tài)，對步進電機進行合理控制。它屬于步進電機電路設計中的輔助性裝置，具有不可或缺的重要作用。

4.2 系統(tǒng)軟件設計

軟件系統(tǒng)主要為硬件系統(tǒng)電路設計提供依托和支持。依據(jù)單片機本身的性質(zhì)和特點，對系統(tǒng)軟件進行合理編程和讀寫，以充分體現(xiàn)出設計功能，并對其進行合理更改，實現(xiàn)電路控制。系統(tǒng)軟件設計與硬件系統(tǒng)電路設計具有緊密相關性。軟、硬件中的任一設計模塊都直接關乎最終設計效果和步進電機電路的整體運行狀態(tài)。因而，需對系統(tǒng)軟件設計進行合理把控，以提升其整體性能。

4.2.1 紅外線編碼

遙控器編碼形式是32位二進制碼組，前16位是用戶識別碼，能夠對不同的電器設備進行有效區(qū)分，避免不同機種遙控編碼相互干擾。該芯片用戶識別碼固定高8位地址和低8位地址分別為OBFH和40H，后16位則是8位操作碼和它的反碼。單片機接收紅外線之后，可按以下方式開展解碼工作：中斷信號產(chǎn)生-EA清零-延時短-等待高電平-延時不足4.5ms-再次等待高電平-延時0.84ms-P3.2腳電平值讀取，對32位代碼進行依次讀取，前16位是識別碼，后18位中，數(shù)據(jù)碼和數(shù)據(jù)反碼均為8位[3]。

4.2.2 步進電機程序

步進電機程序設計的基本訴求是對旋轉方向進行判斷，再依據(jù)正確的順序，將其傳送給控制脈沖，繼而對所需控制步數(shù)進行判定，觀察其具體傳動情況，直至將要求控制步數(shù)傳送完畢。分別將步進電機和單片機作為具體執(zhí)行元件和控制器，并將檢測元件定義為光敏電阻傳感元件背景下的傳感器。而手動輸入信號則是手動按鈕，以紅外遙控裝置開展遙控操作，對時鐘控制和狀態(tài)顯示的步進電機控制系統(tǒng)進行綜合限定輔助，使步進電機的手動、自動和遙控多功能操作更加便利，保障其可靠性。

5 程序原理分析

5.1 程序設計思路

依據(jù)外圍電路設計，單片機的輸入和輸出分別為P1口的前6個管腳和P1口的后2個管腳及P2口的前4個管腳。首先，主程序部分向驅動電路輸出4路高電平，停轉電機。繼而對定時器T0的具體工作模式和允許中斷位置高電平進行合理設置，將“停轉”狀態(tài)顯示點亮，然后進行按鍵掃描，按下按鍵之后，實現(xiàn)程序段跳轉。如果沒有按下按鍵，即會回歸到程序的初始部分。正轉部分需對正轉狀態(tài)指示進行點亮，然后執(zhí)行起始脈沖輸出，繼而對按鍵進行掃描，并對不同狀態(tài)下的執(zhí)行情況進行合理判斷，調(diào)配到定時器T0賦初始值子程序，對累加器A中的數(shù)值進行累加。幾經(jīng)循環(huán)，使步進電機處于正轉狀態(tài)。反轉部分的設計過程亦是如此。加速和減速中，對定時時間進行改變，即可實現(xiàn)定時器定時初始值更改。

5.2 設定定時器計數(shù)初始值

程序設計中對定時器T0的定時中斷進行選用，以實現(xiàn)步進電機細部性時間控制。對T0的定時時間進行更改，即可改變步進電機轉速。假定步進電機的步距角為7.5°，轉一圈耗費的脈沖數(shù)量為48。將轉速假設為N（r/min），而每一分鐘脈沖數(shù)據(jù)輸送數(shù)量為48N，每送一個脈沖信號需要花費的時間為s。

定時器T0的技術初值為。將步進電機最低轉速假定為20r/min，最高轉速為100r/min，速度級的界定為5r，共17級。

6 結語

步進電機在應用層面極具優(yōu)越性，在工業(yè)設備中已經(jīng)得到了廣泛應用，有助于提高生產(chǎn)質(zhì)量及效率。我們要結合具體操作背景，對單片機的優(yōu)越性進行重點分析，在步進電機電路控制系統(tǒng)中對它進行全面應用，使步進電機工作性能得到充分提升。伴隨著不同的數(shù)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。

參考文獻

[1]洪新華，陳建鋒，等.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計[J].湛江師范學院學報，2010，（06）：84-87.

[2]令朝霞.基于單片機的遙控步進電機控制的設計[J].自動化技術與應用，2012，（04）：78-80+91.

[3]劉建南.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設計研究[J].科技廣場，2016，（03）：61-63.

收稿日期：2016-09-08

作者簡介：范月圓（1981—），女，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，講師，主要從事控制工程及電子技術研究。