基于單片機控制步進電機電路的設計

毛學英

摘要：伴隨著科學技術的發(fā)展，計算機和微電子技術得到了長足的進步，我國各經濟領域對步進電機的需求也隨之擴大，使用量呈上升趨勢。出現此番現象的原因應該歸結于步進電機的優(yōu)點所為各經濟領域帶來的便利。對于步進電機的研究關系到一個企業(yè)生產效率的提升，經濟效益的增加，因此，圍繞步進電機進行設計研究，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計模塊。

關鍵詞：單片機控制；步進電機；電路設計；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

世界上各國的數控技術正在加大開發(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。雖然我國的數控技術與國外還有一定的差距，但數控技術已成為我國的一項重要應用技術，我國也在將其作為重點進行研究與應用。步進電機便是利用數字信號實現作用的執(zhí)行元件，所以在數控技術中得到了廣泛的關注與使用。步進電機結構較為簡單，操作方便，在性能上也容易滿足工業(yè)生產控制的需求，所以，將步進電機應用到生產中成為了一種趨勢。近幾年，隨著科技的進步，人們將計算機技術和微電子技術運用到步進電機上，使得步進電機的調控實現了革命性的改變。在本文中，筆者就以單片機為例，將單片機與步進電機結合，實現軟件硬件的共同控制，將步進電機的效率進一步擴大。接下來介紹關于步進電機電路的設計。

1 關于步進電機的概述

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出來的特性是其位移量與脈沖數成正比，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逐漸運用到步進電機上，以此來使步進電機的控制通過數字化的形式表現出來，從而實現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、快速的響應性以及可依賴性等。步進電機隨著相關計算機技術、微電子技術的發(fā)展，現今在各種自動化控制系統(tǒng)中的應用十分廣泛，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，可以在實現自動化、高效率的基礎上，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的需求，提高經濟效益。

1.2步進電機的工作原理

步進電機是由定子和轉子組成的整體結構。步進電機在工作時，由于電流的經過，定子繞組便會產生一個矢量磁場，磁場的出現便會帶動轉子，使其旋轉一定的角度，這樣便會使轉子與定子的磁極磁場方向出現偏差形成一定角度。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子的旋轉角度的。每當輸入一個脈沖信號，就會引起轉子的一次偏轉，這稱之為一步（旋轉角度稱為步距角）。根據我們先設定好的脈沖信號的給出規(guī)律，電流就會有規(guī)律地通過，轉子也就隨之有規(guī)律地一步接一步地持續(xù)轉動進而帶動電機轉動，這也就是“步進電機”的由來。

我們以前所使用的電動機在轉動時是不間斷的，控制并不夠方便。而現在的步進電機直接由數字信號驅動，可以根據需要調節(jié)其使用狀態(tài)，包括定位及運轉。通過調節(jié)輸入脈沖的電機繞組通電的相應順序、頻率以及數量，就可以指揮步進電機接受脈沖信號而旋轉指定的角度，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合將大大提高生產效率。傳統(tǒng)的電動機是一種能量轉換的裝置，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%，在人們的生產和生活中起著至關重要的作用。

2 電路設計

步進電機的控制一般會采用硬件系統(tǒng)來實現，但是總體來說，硬件系統(tǒng)的價格偏貴，功能是適應性不強，如果需要根據要求改變設計，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性控制，調節(jié)不同步數、轉向和轉速執(zhí)行情況。通過改變軟件就可以靈活地實現對不同設計要求的適應。而且，在本文的設計中，達到顯示電路和鍵盤電路的合理結合，能做實現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)是整個電路設計中的核心部分，它是整個電路的起始，主要的工作便是產生并控制步進電機轉動所需要的脈沖。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與步進電機旋轉的角度大小成正比，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，并同時把電機的轉速及方向通過數碼管顯示的方式表現出來。

復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：主要控制數碼管的顯示情況，保證數碼管顯示的準確性。

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：主要控制將模數轉換成芯片的工作。

2.1.2 數碼管顯示電路設計

數碼管顯示模塊是用來顯示步進電機旋轉速度及旋轉方向以及通過步進電機電流大小的重要模塊。在本次設計中，我們選用數碼管顯示設計，為實現位選部分可以直接將數碼管點亮，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。數碼管的顯示電路設計如圖所示：

2.1.3串口通信模塊設計

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的。該文中的電路設計如圖所示：

2.1.4 電機驅動模塊設計

由于步進電機的信號功率較小不足以驅動電機的運行，所以需要添加電機驅動模塊來放大步進電機的信號功率。集成的驅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動電路設計。

在如圖的電機驅動電路中，驅動芯片和驅動芯片周圍的電路組成了重要的電機驅動核心，驅動芯片的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動芯片同單片機和步進電機之間的串聯方式，便于整個電路的控制與操作。電路設計如圖所示：

2.1.5 獨立按鍵電路設計

獨立按鍵相對于內部電路是獨立的，它連接在單片機的端口上，作為一個外部按鍵，可以實現內部各項模塊的中斷功能，利于實現步進電機的旋轉方向的選擇、速度的調控以及電流的顯示等，最終實現對步進電機的控制，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)電路設計的實現是離不開軟件系統(tǒng)的支持的，所以，結合單片機本身的特點，電路的控制就應該由系統(tǒng)軟件的編程、讀寫實現對于設計功能的體現和對于設計功能的改變。因此，系統(tǒng)軟的設計與硬件系統(tǒng)電路的設計是緊密相連的，無論是軟件和是硬件中每個設計模塊對于設計效果的實現都是至關重要的，軟件系統(tǒng)設計的優(yōu)劣關乎著整個步進電機電路的運行情況。所以在系統(tǒng)軟件的設計中，要結合起來考慮，在本文中將不再做過多介紹。

3 結束語

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備中，實現高效地生產。因此，關于步進電機電路的設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計的研究值得更多的相關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將實現新一高度的飛躍，將為我國經濟的發(fā)展帶來更多的便利。

參考文獻：

[1] 季維發(fā)，過潤秋，嚴武升，等. 機電一體化技術[M] .北京：電子工業(yè)出版社，1995.

[2] 王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設計大全[M] . 北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[3] 何立民.單片機應用技術選編[M] . 北京：北京航空航天大學出版社，1993.

[4] 潘新民.單片微型計算機實用系統(tǒng)設計[M].北京： 人民郵電出版社， 1992.