摘? 要：在步進(jìn)電機(jī)的運行過程中，來自于單片機(jī)的電子脈沖信號可以控制其轉(zhuǎn)動角度，而借助于單片機(jī)硬件電路以及軟件編程等形式，則可實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟動、停止以及正反轉(zhuǎn)等動作，以此來實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的有效控制?；诖耍疚姆治隽嘶趩纹瑱C(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制方法，以期為步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用與控制提供相應(yīng)參考。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);步進(jìn)電機(jī);控制策略;控制系統(tǒng)

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

0 引言

步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對轉(zhuǎn)動定位控制精準(zhǔn)，因此步進(jìn)電機(jī)在儀表控制和過程控制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，且在當(dāng)今的自動化控制、電動閥控制、數(shù)控機(jī)床以及醫(yī)療設(shè)施等各領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。而在步進(jìn)電機(jī)的具體應(yīng)用過程中，單片機(jī)可以對其起到更加精準(zhǔn)的控制作用，以此來實現(xiàn)應(yīng)用效果的顯著提升。因此，在步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用與研究中，應(yīng)加大對單片機(jī)控制的研究，以此來實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的良好應(yīng)用與發(fā)展。

1 步進(jìn)電機(jī)工作原理

在步進(jìn)電機(jī)的運行過程中，電子脈沖信號數(shù)量及其頻率對其轉(zhuǎn)動速度以及停止位置起到?jīng)Q定性作用。在步進(jìn)電機(jī)運行過程中，如果給定一個脈沖信號，其轉(zhuǎn)子便可經(jīng)過相應(yīng)角度，我們將該角度叫做步距角。就目前的步進(jìn)電機(jī)來看，步距角一般按照半步和一步進(jìn)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(jìn)電機(jī)就可以轉(zhuǎn)動0.9°，隨著脈沖信號書的連續(xù)給定，可控制步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)連續(xù)運轉(zhuǎn)。

2 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制

2.1控制系統(tǒng)框架分析

2.1.1硬件系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架分析

在本次所研究的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，應(yīng)用到的單片機(jī)為51單片機(jī)，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(yīng)用，可以為嵌入形式的控制系統(tǒng)提供出價格低廉、靈活度高的方案，其組成部分及其個數(shù)如表2所示。

在本次研究中，主要選擇的步進(jìn)電機(jī)是四相六線形式的步進(jìn)電機(jī)，其額定電壓是12V，這種步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)工作在單拍模式下時，其轉(zhuǎn)動相角過度比較少，轉(zhuǎn)動角度比較大，而且轉(zhuǎn)動也并不十分連貫[1]。因此，為了保障該步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的連貫性，通常會將其設(shè)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(jī)有著較小的信號輸出功率，所以不能有效滿足步進(jìn)電機(jī)的實際驅(qū)動需求。在這樣的情況下，就需要進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動電路的添加，以此來滿足步進(jìn)電機(jī)實際的驅(qū)動需求，讓步進(jìn)電機(jī)維持在一個正常的工作狀態(tài)中。因此，在本次設(shè)計中，將ULN2003A芯片用來作為其驅(qū)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(fù)載能力。該芯片的每一路驅(qū)動器輸出信號平均為500mA，最大的輸出信號可以達(dá)到600mA[2]。同時，該芯片也可以借助于級聯(lián)的形式來實現(xiàn)驅(qū)動能力的提升。在對按鍵進(jìn)行控制的電路中，應(yīng)用的是一種十分簡單的單片機(jī)輸入設(shè)備，并進(jìn)行了三個按鍵的設(shè)置，借助于鍵盤上的相關(guān)指令對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行啟停以及正反轉(zhuǎn)的控制。

2.1.2軟件系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架分析

在完成了硬件系統(tǒng)的設(shè)計與搭建之后，基于單片機(jī)形式的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)具備了初步的控制條件，接下來就是軟件系統(tǒng)的設(shè)計。在本次設(shè)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(jìn)電機(jī)的初始化、驅(qū)動以及按鍵輸入等模塊，以此來實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟動、停止以及正反轉(zhuǎn)等功能。

在具體的軟件系統(tǒng)設(shè)計過程中，可借助于軟件編程形式的演示程序來對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。在此過程中，步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的繞組通電順序?qū)ζ滢D(zhuǎn)向起到?jīng)Q定性作用。借助于軟件編程的形式，可以對單片機(jī)向步進(jìn)電機(jī)繞組所施加的相序脈沖電流進(jìn)行控制，以此來控制步進(jìn)電機(jī)的具體轉(zhuǎn)向。在具體的控制過程中，為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)對負(fù)載的帶動能力，并保障步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)運行，在本次設(shè)計中，將驅(qū)動方式設(shè)置為四相八拍形式。

2.2控制系統(tǒng)設(shè)計流程分析

首先是單片機(jī)的初始化，在此過程中，需要對計數(shù)器、定時器、外圍芯片以及傳送數(shù)據(jù)的端口進(jìn)行初始化，并對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值。

其次是對步進(jìn)電機(jī)的實際運行狀態(tài)進(jìn)行檢查，保障其處在使能狀態(tài)。

再次是對鍵盤按鍵信號的讀取窗口進(jìn)行狀態(tài)檢查，具體步驟如下：

（1）若按下正轉(zhuǎn)按鈕，對定時器給定一個比初始數(shù)據(jù)大的最小值，然后進(jìn)行信號發(fā)送，讓步進(jìn)電機(jī)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)器或定時器停止工作，與步進(jìn)電機(jī)連接的端口值也不再改變，讓步進(jìn)電機(jī)使能無效。

（5）按下反轉(zhuǎn)按鈕，對定時器進(jìn)行檢查。

（6）最后，在定時器結(jié)束定時的情況下，應(yīng)該將當(dāng)前與步進(jìn)電機(jī)相互連接的端口值取反。

2.3步進(jìn)電機(jī)工作流程分析

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

3 結(jié)語

綜上所述，在步進(jìn)電機(jī)的使用過程中，單片機(jī)可以對其運轉(zhuǎn)起到有效的控制作用。因此，在具體的應(yīng)用過程中，應(yīng)該按照步進(jìn)電機(jī)實際工作特點，并根據(jù)實際需求來進(jìn)行程序代碼的編寫，然后借助于相應(yīng)的芯片來實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。同時，在通過芯片對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的過程中，也需要注意到很多細(xì)節(jié)，比如反轉(zhuǎn)過程中的轉(zhuǎn)速應(yīng)該控制得相對較小一些，這樣才可以讓步進(jìn)電機(jī)得到更好的保護(hù)，以免步進(jìn)電機(jī)被破壞，同時也可以有效保障單片機(jī)信號的穩(wěn)定性，以此來控制步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定運行。

參考文獻(xiàn)

[1]袁煒，張寶，吳饒，等.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2020（18）：214-216.

[2]孫巧智.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)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(jī)械設(shè)計制造及自動化、非標(biāo)自動化設(shè)計、微特電機(jī)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