一种单片机控制的步进电机设计与分析

摘要：文章对步进电机及其控制方法进行了论述，通过修改相应的电路及相关程序实现，提高了系统控制的灵活性。此种方法高效、方便、成本低廉，在实际应用中有着很高的利用价值。

关键词：步进电机 单片机 控制系统

步进电机能将输入的电脉冲信号转换成输出轴的角位移或直线位移，这种电机每输入一个脉冲信号，输出轴便转动一定的角度或前进一步，因此又被称作脉冲电机或步级电机。步进电机输出轴的角位移量与输入脉冲数成正比，不受电压以及环境温度的影响，也没有累积的定位误差，因此控制输入的数字脉冲数即可实现电机的精确定位；而步进电机输出轴的转速与输入的脉冲频率成正比，控制输入的脉冲频率就能准确的控制步进电机的转速，可以实现在宽广的范围内精确调速。

1 步进电机的工作原理

按照转子结构及材料的不同,步进电机分为反应式、永磁式和混合式三类。其中,反应式步进电机因其性价比高,应用非常广泛,在单片机系统中应用较多。步进电机实际上是一个数字/角度转换器。步进电机的励磁绕组可以制成各种相数,常见的有单相、三相、四相和五相等多种。电机分为转子和定子两部分。定子由电工硅钢片叠压而成,有6个等分的磁极:U、U'、V、V'、W和W'。相对的两个磁极组成一对,共有三对。每对磁极上都绕有同一绕组,也就形成了一相。这样,三对磁极有三个绕组,形成三相。类似地,四相步进电机有四对磁极、四个绕组,以此类推。每个磁极的内表面分布着大小相同、间距相同的多个小齿。转子圆周表面也均匀分布着与定子小齿形状相似、齿间距相同的小齿。反应式步进电机运动的动力来自于电磁力。当某一相定子绕组通电时,其对应的磁极就产生了磁场,并与转子形成磁路。

2 步进电机的控制方式

为了控制步进电机的转动,使其实现数字到角度的转换,可以由单片机按顺给电机绕组施加有序的脉冲电流。转过的角度数正比于脉冲个数,转动的速度正比于脉冲频率,转动的方向则与脉冲顺序有关。对三相步进电机施加电流脉冲可有如下三种方式:①单相三拍:按单相绕组顺序施加电流脉冲,一周期加电3次,顺序如下:正转:UVW(U);反转:UWV(U)②双相三拍:双相即每次对两相绕组同时通电。按双相绕组顺序施加电流脉冲,一周期加电3次,顺序如下: 正转:UVVWWU(UV);反转:UWWVVU(UW)③单双相六拍:按单相绕组与双相绕组交替方式施加电流脉冲,一周期加电6次(单相3次、双相3次),顺序如下:正转:UUVVVWWWU(U);反转:UUWWWVVVU(U)。单相三拍或双相三拍两种方式,每拍步进角均为3°,转子转过一个齿距角(9°)要用三拍;单双相六拍方式每拍步进角均为1.5°,转子转过一个齿距角(9°)要用六拍。六拍方式比三拍方式运行平稳,但六拍驱动脉冲的频率需要提高一倍,要求驱动开关管有更好的开关特性。另外双相与单相相比,每一拍中,双相方式都有两相通电,每一相通电时间都持续两拍。因此,双相三拍比单相三拍消耗的电功率大,当然获得的电磁转矩也大。

3 控制系统的实现

3.1 加减速曲线的分析与实现。其实所谓的加减速就是速度变化的过渡过，在起动阶段，控制频率以特定的规律慢慢增加，从而速度可以平稳的升至预定值；而停止时控制频率再以相应的规律慢慢减小，从而速度平稳的降低直至完全停止。一般加减速算法有梯形曲线和指数曲线以及S曲线三种，其中S曲线算法加减速平稳，而且有较好的快速性及柔性，因此在数控系统中应用广泛。本文采用S曲线算法。单片机中有三个定时器，其中两个需要分别控制两个步进电机，而剩下的一个则用于实现数码管显示加工时间。所以在设计程序的过程中，只需把采样周期T转换为N，即在一个采样周期内，其脉冲个数只需要对定时器的溢出次数加以控制，就可以控制采样周期T。因此只需将最大速度及最大加速度两个参数给定，就可以实现S加减速。

3.2 换向控制。本系统中工作台移动方向的控制是利用行程开关与单片机相结合的办法来实现的，其具体步骤如下：当工作台开始加速至预定值时进行匀速动动，一旦行程开关被挡块触动，单片机就开始换向，即按照S曲线对电机的加减速过程加以控制。这种换向方法不但可以防止机械系统换向时的冲击，而且工作台不会由于单片机的程序错误而发生故障。

3.3 转速控制及显示。在进行程序设计时就已经采用数组的形式给出了步进电机的转速，利用键盘按钮进行选择即可，所以系统中需要设置相应的按键以实现对设备的控制，即“选择-输入”键、“确定-启动”键等。其中设备所需的转速可以通过“输入-选择”键先进行选择，再利用“输入-启动”键加以确定。再分别另设一个“急停”键及“停止”键。本系统的显示采用LCD来实现，其型号为1602，这种型号的LCD可以显示两行字符，每行共有16个，可以满足系统的显示要求。1602利用8位数据线进行数据传输，刚好占用单片机的一个端口；共有三个控制信号，即寄存器选择、读写控制以及起用。显示的主要内容包括显示系统工作的状态、提示输入以及确定转速等。

3.4 显示加工时间。本系统加工时间的动态显示是利用数码管来实现的，通过单片机中的2号定时器控制加工时间。数码管时钟显示的原理为动态显示，这种显示方法一次只显示一个数码管，每位数码管显示时间约为1～2 ms，不过受数码管余晖效应以及人的视觉暂留的影响，通过肉眼看过去每位数码管均是亮的。这种动态显示的方法解决了显示变化以及端口不足的问题。

4 结论

完成本系统的研制后可以得出以下结论：第一，基于单片机控制器的步进电机控制系统实现后，体现了单片机在数据系统开发领域的可靠性、经济性、实用性以及简捷性，其作为应用最广泛的微控制器的一种，是小型控制系统开发研制的首选；第二，步进电机转向时所产生的冲击问题，可以通过S曲线加减速模型解决，从而保证了设备动运的平稳性及准确性；第三，系统的快速性要求可以通过S曲线参数的调整来实现。

参考文献

[1] 赵俊生.单片技术项目化原理与实训[M].电子工业出版社,2009,(9)

[2] 赵俊生.数控机床控制技术基础[M].化学工业出版社,2006,(1)