毛學英

摘要：伴隨著科學技術(shù)的發(fā)展，計算機和微電子技術(shù)得到了長足的進步，我國各經(jīng)濟領(lǐng)域?qū)Σ竭M電機的需求也隨之擴大，使用量呈上升趨勢。出現(xiàn)此番現(xiàn)象的原因應(yīng)該歸結(jié)于步進電機的優(yōu)點所為各經(jīng)濟領(lǐng)域帶來的便利。對于步進電機的研究關(guān)系到一個企業(yè)生產(chǎn)效率的提升，經(jīng)濟效益的增加，因此，圍繞步進電機進行設(shè)計研究，有著重要的作用。在本文中，筆者從分析步進電機的工作原理及優(yōu)點入手，著重分析了由單片機控制的步進電機電路的各設(shè)計模塊。

關(guān)鍵詞：單片機控制；步進電機；電路設(shè)計；硬件系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）09-2104-03

世界上各國的數(shù)控技術(shù)正在加大開發(fā)與運用，我國當然也不例外，通過這些年的發(fā)展取得了可喜的成果。雖然我國的數(shù)控技術(shù)與國外還有一定的差距，但數(shù)控技術(shù)已成為我國的一項重要應(yīng)用技術(shù)，我國也在將其作為重點進行研究與應(yīng)用。步進電機便是利用數(shù)字信號實現(xiàn)作用的執(zhí)行元件，所以在數(shù)控技術(shù)中得到了廣泛的關(guān)注與使用。步進電機結(jié)構(gòu)較為簡單，操作方便，在性能上也容易滿足工業(yè)生產(chǎn)控制的需求，所以，將步進電機應(yīng)用到生產(chǎn)中成為了一種趨勢。近幾年，隨著科技的進步，人們將計算機技術(shù)和微電子技術(shù)運用到步進電機上，使得步進電機的調(diào)控實現(xiàn)了革命性的改變。在本文中，筆者就以單片機為例，將單片機與步進電機結(jié)合，實現(xiàn)軟件硬件的共同控制，將步進電機的效率進一步擴大。接下來介紹關(guān)于步進電機電路的設(shè)計。

1 關(guān)于步進電機的概述

1.1步進電機的定義及發(fā)展

步進電動機又叫做階躍電動機或者脈沖電動機，顧名思義，它是一種可以把電脈沖信號轉(zhuǎn)變成形象的、便于分析比較的角位移或者直線位移的電機。這種較早的步進電機所能表現(xiàn)出來的特性是其位移量與脈沖數(shù)成正比，位移速度與脈沖頻率成正比。

步進電機是由英國人早在1920年所研發(fā)的，距今已有90多年的歷史了。在1950年后，人們將所新研究出來的晶體管技術(shù)逐漸運用到步進電機上，以此來使步進電機的控制通過數(shù)字化的形式表現(xiàn)出來，從而實現(xiàn)較為方便清晰的控制效果。此后，人們又對步進電機的性能進行了進一步的改善，從而形成了如今的步進電機具有較高的分解性、較高的精度性、快速的響應(yīng)性以及可依賴性等。步進電機隨著相關(guān)計算機技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今在各種自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛，其已成為機電一體化中重要的執(zhí)行元件之一。通過步進電機的使用，可以在實現(xiàn)自動化、高效率的基礎(chǔ)上，保證較高的速度、準確的位置控制以及更加精細的操作，滿足人們對高效率生產(chǎn)的需求，提高經(jīng)濟效益。

1.2步進電機的工作原理

步進電機是由定子和轉(zhuǎn)子組成的整體結(jié)構(gòu)。步進電機在工作時，由于電流的經(jīng)過，定子繞組便會產(chǎn)生一個矢量磁場，磁場的出現(xiàn)便會帶動轉(zhuǎn)子，使其旋轉(zhuǎn)一定的角度，這樣便會使轉(zhuǎn)子與定子的磁極磁場方向出現(xiàn)偏差形成一定角度。所以，步進電機的工作原理就是基于控制通過定子繞組的電流來控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度的。每當輸入一個脈沖信號，就會引起轉(zhuǎn)子的一次偏轉(zhuǎn)，這稱之為一步（旋轉(zhuǎn)角度稱為步距角）。根據(jù)我們先設(shè)定好的脈沖信號的給出規(guī)律，電流就會有規(guī)律地通過，轉(zhuǎn)子也就隨之有規(guī)律地一步接一步地持續(xù)轉(zhuǎn)動進而帶動電機轉(zhuǎn)動，這也就是“步進電機”的由來。

我們以前所使用的電動機在轉(zhuǎn)動時是不間斷的，控制并不夠方便。而現(xiàn)在的步進電機直接由數(shù)字信號驅(qū)動，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)其使用狀態(tài)，包括定位及運轉(zhuǎn)。通過調(diào)節(jié)輸入脈沖的電機繞組通電的相應(yīng)順序、頻率以及數(shù)量，就可以指揮步進電機接受脈沖信號而旋轉(zhuǎn)指定的角度，達到最初要求。當然，沒有脈沖信號的輸入步進電機便不會運行，保持在定位狀態(tài)。步進電機的這一特性便于由單片機來控制，因此單片機與步進電機的結(jié)合將大大提高生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的電動機是一種能量轉(zhuǎn)換的裝置，而步進電機可以作為一種電路的控制元件，精度幾乎達到100%，在人們的生產(chǎn)和生活中起著至關(guān)重要的作用。

2 電路設(shè)計

步進電機的控制一般會采用硬件系統(tǒng)來實現(xiàn)，但是總體來說，硬件系統(tǒng)的價格偏貴，功能是適應(yīng)性不強，如果需要根據(jù)要求改變設(shè)計，就不得不對整個硬件電路進行修改，這樣便增加了工作量，不夠方便。該文中，結(jié)合單片機擁有的可直接編程又可執(zhí)行運算功能的優(yōu)點，能在使用過程中對步進電機進行適應(yīng)性控制，調(diào)節(jié)不同步數(shù)、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速執(zhí)行情況。通過改變軟件就可以靈活地實現(xiàn)對不同設(shè)計要求的適應(yīng)。而且，在本文的設(shè)計中，達到顯示電路和鍵盤電路的合理結(jié)合，能做實現(xiàn)一定人機交換的要求，將干擾盡量降到最低，保證其可靠性、高效性。

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)是整個電路設(shè)計中的核心部分，它是整個電路的起始，主要的工作便是產(chǎn)生并控制步進電機轉(zhuǎn)動所需要的脈沖。我們可以采用單片機的軟件編程功能，將脈沖信號靠編程的控制輸出步進電機所需要的信號，保證單片機所輸出的脈沖數(shù)與步進電機旋轉(zhuǎn)的角度大小成正比，單片機所輸出的脈沖頻率與步進電機轉(zhuǎn)動的速度成正比。除此之外，單片機還將處理電流值，并同時把電機的轉(zhuǎn)速及方向通過數(shù)碼管顯示的方式表現(xiàn)出來。

復(fù)位電路和晶體震蕩電路是組成單片機最基本的模塊。如圖是單片機最小系統(tǒng)的線路圖：

P 0口：主要控制數(shù)碼管的顯示情況，保證數(shù)碼管顯示的準確性。

P 1口：主要控制步進電機中單片機的編程，保證芯片的正常讀寫功能。

P 2口：主要作為數(shù)碼管的位選，控制其公共端工作。除此之外，控制用以掃描電路的鍵盤正常工作。

P 3口：主要控制將模數(shù)轉(zhuǎn)換成芯片的工作。

2.1.2 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計

數(shù)碼管顯示模塊是用來顯示步進電機旋轉(zhuǎn)速度及旋轉(zhuǎn)方向以及通過步進電機電流大小的重要模塊。在本次設(shè)計中，我們選用數(shù)碼管顯示設(shè)計，為實現(xiàn)位選部分可以直接將數(shù)碼管點亮，解決單片機控制端的輸出電壓過低的情況，所以在位選及單片機控制端添加輔助三極管。數(shù)碼管的顯示電路設(shè)計如圖所示：

2.1.3串口通信模塊設(shè)計

串口通信模塊顧名思義，便是計算機與單片機之間的連接通道，保證兩者之間信息的順暢流通。這一通信的功能是通過計算機編完程序，然后再將程序拷貝到單片機芯片之中實現(xiàn)的。該文中的電路設(shè)計如圖所示：

2.1.4 電機驅(qū)動模塊設(shè)計

由于步進電機的信號功率較小不足以驅(qū)動電機的運行，所以需要添加電機驅(qū)動模塊來放大步進電機的信號功率。集成的驅(qū)動芯片由于其具有價格低、易控制的優(yōu)點可以直接作為核心元件進行電機驅(qū)動電路設(shè)計。

在如圖的電機驅(qū)動電路中，驅(qū)動芯片和驅(qū)動芯片周圍的電路組成了重要的電機驅(qū)動核心，驅(qū)動芯片的2、3、13、14腳按照順序組成一個插座，依次接到步進電機的四根線上。而其他的驅(qū)動芯片接口就同單片機P1口的六個管腳依次連接起來。這樣的連接方式滿足了驅(qū)動芯片同單片機和步進電機之間的串聯(lián)方式，便于整個電路的控制與操作。電路設(shè)計如圖所示：

2.1.5 獨立按鍵電路設(shè)計

獨立按鍵相對于內(nèi)部電路是獨立的，它連接在單片機的端口上，作為一個外部按鍵，可以實現(xiàn)內(nèi)部各項模塊的中斷功能，利于實現(xiàn)步進電機的旋轉(zhuǎn)方向的選擇、速度的調(diào)控以及電流的顯示等，最終實現(xiàn)對步進電機的控制，雖然是個輔助裝置，但是不可或缺的。

2.2系統(tǒng)軟件的介紹

硬件系統(tǒng)電路設(shè)計的實現(xiàn)是離不開軟件系統(tǒng)的支持的，所以，結(jié)合單片機本身的特點，電路的控制就應(yīng)該由系統(tǒng)軟件的編程、讀寫實現(xiàn)對于設(shè)計功能的體現(xiàn)和對于設(shè)計功能的改變。因此，系統(tǒng)軟的設(shè)計與硬件系統(tǒng)電路的設(shè)計是緊密相連的，無論是軟件和是硬件中每個設(shè)計模塊對于設(shè)計效果的實現(xiàn)都是至關(guān)重要的，軟件系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣關(guān)乎著整個步進電機電路的運行情況。所以在系統(tǒng)軟件的設(shè)計中，要結(jié)合起來考慮，在本文中將不再做過多介紹。

3 結(jié)束語

由于步進電機有著突出的優(yōu)點，所以在我國已被大量地運用在了許多的設(shè)備中，實現(xiàn)高效地生產(chǎn)。因此，關(guān)于步進電機電路的設(shè)計已成為一項重要的研究課題。通過分析單片機的優(yōu)點，我們看到將單片機應(yīng)用到步進電機電路的控制中，是一項可行并能明顯提高步進電機工作性能的舉措。所以，基于單片機控制的步進電機電路設(shè)計的研究值得更多的相關(guān)學者專家進行分析與探究，希望本文可以為此提供一些建議。同時也相信，隨著科技的進步，我國的步進電機技術(shù)將實現(xiàn)新一高度的飛躍，將為我國經(jīng)濟的發(fā)展帶來更多的便利。

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