汪利華

摘要：本文主要是單片機對步進電機的控制系統(tǒng)，首先介紹了步進電機的工作原理原理，而后詳細闡述了基于單片機的控制系統(tǒng)的硬件結構、人機交互電路和步進電機控制邏輯，從而實現對步進電機的控制。

關鍵詞：單片機；步進電機；電子脈沖；人機交互

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）34-0240-02

1 步進電機的工作原理

在傳統(tǒng)的直流電機的基礎上，步進電機在電脈沖的控制下，可以實現固定轉角距的運動，也就是說，在一定的電脈沖控制下，步進電機能夠按照固定的角度和時間間隔，朝著一個既定的方向依次旋轉一個角度來提供動力，從而形成固定“步距角”的位移。對于某一型號的步進電機來說，其“步距角”在其設計生產之初就已經固定了，這一指標也是作為該型號的步進電機的固定屬性來展現出來，在電源的作用下和電子脈沖的控制下，步進電機按照固有的步距一步一步向固定方向運動，從而提供源源不斷的動力來源。那么對于步進電機的控制，主要集中在電子脈沖的設定上面，頻率越高，步進電機按照固定步伐運動的越快，從而在固定的步距下運動的速度就更快，進而實現步進電機在電子脈沖下的角位移和角速度的變化。

1.1 步進電機的分類

步進電機的動力來源于其他原理相似，但是在設計結構上和選擇材料上根據實際的功能需求有所不同，一般來說，可分為反應磁阻式、永磁式、永磁感應混合式三種不同工作原理的步進電機。

1） 反應磁阻式步進電機。該類型的步進電機是在轉子鐵心、定子鐵心的表面，按照設計的布局有規(guī)律地設定齒槽，定轉子的齒槽與齒槽之間在旋轉過程中位置發(fā)生變化，磁路磁阻就會發(fā)生變化，從而生成固定的轉矩力。反應磁阻式步進電機在設計結構上非常簡潔，步距角的精度非常高，可是實現1到15度甚至更小的步距角，但是其動態(tài)性能比較差，效能較低，步進性能難以令人滿意。

2） 永磁式步進電機是使用永磁材料制作成轉子，而在定子上通過多相繞組纏繞定子鐵心上，從而在電流的作用下形成電磁場，與永磁材料的磁場相互作用產生磁轉矩。根據永磁材料選擇的不同，一般的永磁式步進電機可以實現7.5、11.25、15、18以及45、90等多種固定轉角的步進電機。永磁式電機在動力輸出上優(yōu)勢非常明顯，其動態(tài)性能也非常優(yōu)越，但是在步進精度上很難滿足要求較高產品的需求。

3） 永磁感應混合式步進電機。在反應磁阻式步進電機和永磁式步進電機的基礎上，永磁感應混合式步進電機通過使用軸向磁化的磁鐵作為轉子，通過復極的形式來形成磁極，從而使得步進電機在強大的轉矩力前提下還能保證較高的精度。但是該類型點擊在設計上結構非常復雜，設計和生產成本也非常高。

1.2 步進電機的工作原理

步進電機在具體實現上基本相同，是在電子脈沖的作用下，通過步進電機的定子、轉子的角度位移轉化成線位移，從而提供既定方向上的動力。如圖1所示，為三相步進電機的基本結構和工作原理示意圖。

三相步進電機是常見的步進電機動力提供方式，通過三條電源線來為步進電機提供電源力，在圖1中AA、BB、CC分別對應一相電源線連接形成回路，而三相電源之間的相位差則是120度，最終三相電源一次通電形成一個動力周期。

假如首先在AA相路上進行通電，那么產生的電磁場的作用力下會促使轉定子形成閉合的磁力線，促使AA上的齒進行對齊，此時BB、CC的齒處在為對齊狀態(tài)，如果依次在BB、CC上進行通電，那么也會為了磁力線閉合來轉動轉子。當轉子AA的齒與定子AA齒對齊時，轉子上與定子B 相中間應該對齊的齒號為120°/9°=13.33，不是整數，即轉子與定子上的齒未對齊，則磁阻大，為減小磁阻，轉子要旋轉。所以按照預定的相位差，依次為定子的A→B → C → A → B 相路進行通電時，轉子會進行順時針旋轉，反之則逆時針旋轉。

2 單片機對步進電機的控制

2.1 步進電機控制系統(tǒng)的結構設計

使用單片機對步進電機進行控制，本質上提供外部人機交互接口，在單片機的判斷和控制下產生不同頻率的電子脈沖來驅動步進電機旋轉。由于控制邏輯相對比較簡單，所以可以采用穩(wěn)定的、高效的、性價比較高的AT89C51單片機為核心控制部件，通過編程來實現該單片機對外部人機交互結構電路的輸入判斷，并改變相應的輸出電子脈沖頻率，在驅動芯片的作用下為步進電機提供動力來源。

為了滿足上述設計需求，在搭建整個控制系統(tǒng)硬件電路時，首先要滿足AT89C51單片機工作的最低要求，配備時鐘電路、電源電路等，人機交互電路開關按鈕電路來讀取控制人員的控制指令，步進電機驅動芯片采用ULN2003來為步進電機提供功率，為了滿足AT89C51單片機外部數據的交互，使用8255作為擴展芯片來讀取各種信號以及對步進電機進行數據控制。如圖2所示，步進電機控制系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件框架設計圖。

2.2 AT89C51單片機

其中，AT89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的核心，能夠對外部開關控制電路的輸入信號進行讀取和判斷，能夠對步進電機的狀態(tài)進行讀取，并對顯示電路進行顯示控制，同時生成步進電機的電子脈沖控制信號，在ULN2003驅動芯片的驅動下來為步進電機提供控制信號和動力來源。

在AT89C51單片機中，提供了兩個可編程的定時器和計數器，通過編程人員對這兩個定時器計數器進行控制設定并初始化，而后通過啟動指令來開啟定時，從而為電子脈沖產生固定的頻率。在對定時器/計數器進行編程時，主要是對控制字TMOD和TCON進行設計，通過在控制字中寫入數據來實現對定時器/計數器的控制，其中TMOD是選定其工作模式，而后設定初始化數據，TCON則是啟動或停止其工作。當然AT89C51單片機中的定時器/計數器在一個循環(huán)周期內最大定時時長是一定的，最大約為131ms，如果步進電機所需要的脈沖周期時間長度大于131ms而超過了定時器/計數器的定時期限，即需要在軟件設計上，通過定義循環(huán)次數，來滿足步進電機的電子脈沖頻率的設定。

2.3 步進電機的控制邏輯設計

在ULN2003芯片的驅動下，當AT89C51單片機上電后，即可產生固定頻率的脈沖信號，來驅動步進電機旋轉。

1） AT89C51單片機上電，系統(tǒng)初始化各種數據，包括定時器、擴展芯片使能和初始化賦值等；2）判斷步進電機狀態(tài)，將其置于非工作狀態(tài)；3）將P0的停止二極管的燈端口至于低電平，使二極管顯示為步進電機停止狀態(tài)；4）檢測P3口，檢測開關按鈕是否按下：如果正轉按鈕按下，預設固定低頻率發(fā)送正向電子脈沖，趨使步進電機開始順時針旋轉，同時將P0口正轉二極管對應端口電壓至0，停止和反轉二極管對應端口電壓至1；如果反正按鈕按下，預設固定低頻率發(fā)送反向電子脈沖，趨使步進電機開始逆時針旋轉，同時將P0口反轉二極管對應端口電壓至0，停止和正轉二極管對應端口電壓至1；如果加速按鈕按下，提升電子脈沖頻率，趨勢步進電機加速；如果停止按鈕按下，將發(fā)送的電子脈沖頻率降低至0，即不發(fā)送電子脈沖，從而使步進電機停止，同時將P0口停止二極管對應端口電壓至0，正轉和反轉二極管對應端口電壓至1。

3 總結

作為第三類電動機，步進電機繼承了交流電動機和直流電動機的優(yōu)秀特性之后，在數字化控制支持方面也表現得特別優(yōu)秀，從而實現了嵌入式系統(tǒng)與步進電機系統(tǒng)的良好融合。采用單片機對步進電機的進行控制系統(tǒng)的研究與分析，加快人們在工業(yè)生產和社會生活發(fā)展中的數字化信息化控制的發(fā)展進程，極大提提升了人們的生產效率和生活質量。

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