浅谈单片机的步进电机控制系统

黄 斌

中航工业自控所

浅谈单片机的步进电机控制系统

黄 斌

中航工业自控所

市面上有各种不同类型的电机，与那些电机相比，步进电机具有无误差、精确的开环控制的优点。因此，采用基于单片机的步进电机控制系统可以在实际的控制系统中得到更加可靠的性能，同时相对于其他控制系统而言，这类控制系统有价格低廉、人机交互性强、操作方便的突出特点。本文简要分析了步进电机的基本概念、单片机技术和控制系统等内容，有助于整体控制系统方案的设计和人们在生产活动中的应用。

单片机；步进电机；控制系统

引言

步进电机对于实现脉冲信号的转换有着重要的意义，传统步进电机控制模式是通过触发器进行控制，如果改变了步进电机的参数可以更好地设计控制器。这种触发器有利于控制系统，而且控制的电路比较复杂，精度也不会很高，而且生产过程中可能产生比较高的成本。电子功率作为一种执行机构，需要步进电机的转速控制才能运作，然后根据人们希望的规律进行运动，最终克服传统控制器的不足。这种运行方式符合工业生产的基本需求，并且有利于提升生产积极性，在数字系统的控制过程中的应用也很广泛。

1、步进电机概述

1.1 反应式步进电机原理

步进电机结构差不多和普通电机一样，如转子﹑定子和反应式步进电机的定子绕组电动机基本组件也有。一般来说，反应式步进电机的工作原理是使用物理“磁通总是试图使它通过磁阻最小的路径”磁阻转矩，一步一步由电动机可以出现。只是步进电机定子绕组可分为阶段，每个阶段的两极，有许多牙齿，转子轴上有很多齿。下面探究的步进电机旋转的最关键因素是错齿。

1.2 四相步进电机

1.2.1 四相步进电机结构。四相步进电机和普通电机一样，转子和定子绕线机的一些基本的步进电机也有反应。四相步进电机定子绕组在这里是可以分为四个阶段，这里说到的每个阶段的极性，有许多牙齿，另外我们可以知道相同的转子轴上都有非常多的齿。

1.3 四相步进电机通电原理

1.3.1 控制步进电机的速度。我们知道对于步进电机转速直接相关于单片机输出的具体脉冲频率值，倘若想要改变步进电机的整个旋转速度的大小，那么我们也是只需转变这里的控制单片机输出的具体脉冲频率值。

1.3.2 控制步进电机的转向。步进电机旋转方向与内部绕组电顺序关系密切，因此，这里需要改变步进电机的整个转动，那么只要改变每相绕组电先后的这样顺序。又或者是改变每相绕组电流的顺序来掌握整个的步进电机的转动过程。

2、基于单片机的步进电机控制系统的分析

基于电子电路控制系统﹑基于PLC控制系统和基于单片机控制系统，这三类是常见的步进电机控制系统。与单片机控制系统相比，电子电路控制系统工作原理是脉冲控制信号在驱动电路中进行功率放大后驱动步进电机。但这类控制系统要消耗大量元器件﹑安装调试过程复杂，并且不利于系统的改造和升级。在PLC控制系统中，步进电机无法实现高速控制，同时受PLC扫描周期影响，导致它的频率响应范围较小，控制精度也降低了，不利于实际应用。在生产实际中，越来越多的自动化控制系统要求高定位精度，大多数采用步进电机来控制系统，因此，提高系统定位精度必须改善步进电机的控制方式。单片机能在各种恶劣条件下工作，适用的温度范围广，非常强的抗干扰能力，易于组装多种控制设备，实现多机控制。单片机的种类繁多，依据系统功能要求，选择合适的单片机，例如：我们可以利用AT89S52单片机控制步进电机的各种运行方式，如实现精确地开环控制﹑无级调速控制等功能。这类控制系统是采用模块化设计，通过人机交互界面可设定各功能，CPU运行速度加快，响应速度提升，操作简单，灵活性与通用性提高了，便于人们掌握，这是软件与硬件相结合的控制方法。系统是由AT89S52单片机﹑外围电路﹑驱动电路和步进电机等组成，通过外围设备上的按键控制步进电机启动﹑停止等相关操作，振荡与失步现象得到了较好的消除，调速范围较广。系统中采用并行控制，脉冲分配由软件编程直接实现，将编写好的程序写入单片机硬件芯片里，脉冲电流有序地给绕组施加，按照程序执行有关操作，控制电机转动，并实现数字与角度的转换。单片机的输出脉冲电流太小，但步进电机需要的驱动电流较大，所以单片机需连接上驱动电路后才能连步进电机。不同的驱动方式是在不同场合下依据不同需求而产生，常用的驱动有单电压﹑高低压﹑斩波恒流﹑升频升压﹑细分驱动这五种方式。一般适用于小功率步进电机驱动是单电压，它是通过改变电路的时间常数来提高电机的高频特性，具有结构简单﹑成本低的优点。高低压驱动方式描述的是输出力矩能否提升是用加大绕组电流的注入量来控制，无论电动机处于什么样的工作频率下。

目前，最广泛应用于实际生活中的驱动方式是斩波恒流，它利用斩波技术，使形成的锯齿形波动在绕组电流的额定值上下浮动，让流过绕组的有效电流得到增长，并使得电机的输出转矩增大，功耗下降，效率较高。但是这类驱动也存在着缺点，在低速时，易出现过冲或共振现象。因此，为改善恒流驱动的缺点，设计了一个由脉冲频率控制的可变输出电压的开关稳压驱动，在实际运行时，针对不同的速度，调整相应的压力驱动，从而避免了振荡现象的产生，这就是升频升压驱动。细分驱动是指每次脉冲切换时，只改变相应阶梯波式绕组电流的一部分，让步距角只能旋转一部分，在电动机合成磁势的作用下。这种驱动技术是步进电机驱动的一个飞跃，相对于其他驱动技术而言，步进电机的分辨率提高了，减弱了低频振动，优化了启动性能。

[1]付艺豪，许建明，李忠.基于单片机的步进电机系统设计[J].电子世界，2016，04：149-150.

[2]刘建南.基于单片机的步进电机控制系统的设计研究[J].科技广场，2016，03：61-63.

[3]李松源.基于单片机的步进电机控制系统设计[J].工程塑料应用，2016，03：49-50.

[4]魏印龙，张向阳，孔令扬.基于AT89C51单片机的步进电机控制系统设计[J].科技广场，2016，08：184-189.