從永磁式步進(jìn)電機(jī)看單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制

黃紹成

摘 要：近年來，在我國(guó)的工業(yè)發(fā)展過程中，單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，這一控制系統(tǒng)可以在很大程度上提高轉(zhuǎn)速調(diào)整的精細(xì)度。這篇文章對(duì)于在永磁式進(jìn)步電機(jī)基礎(chǔ)上單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；步進(jìn)電機(jī)；控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.130

現(xiàn)在，著眼全球科技領(lǐng)域，在實(shí)際應(yīng)用中最為普遍、發(fā)展前景最好、能夠獲得最大經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)之一就是自動(dòng)化技術(shù)。單片步進(jìn)電機(jī)控制體統(tǒng)就是一項(xiàng)專門服務(wù)于工業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，并且這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)的工業(yè)發(fā)展中得到非常廣泛的應(yīng)用，而且取得了非常不錯(cuò)的成績(jī)。但是在實(shí)際應(yīng)用中想要加強(qiáng)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的有效控制，還有很多事項(xiàng)需要優(yōu)化和完善。

1 步進(jìn)電機(jī)的單片控制原理

步進(jìn)電機(jī)屬于數(shù)控電機(jī)的一種，其主要運(yùn)行原理就是通過脈沖信號(hào)來控制轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和角度，簡(jiǎn)單講就是向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送一次脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)改變一次運(yùn)行角度，這一控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)就是通過脈沖信號(hào)的指令來進(jìn)行控制，簡(jiǎn)單而言就是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)角度的調(diào)整是由輸入的脈沖數(shù)據(jù)來決定的，而決定電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的則是脈沖信號(hào)的頻率，因此，這一控制系統(tǒng)尤其適合單片機(jī)控制[1]。單片機(jī)對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、負(fù)載以及單片機(jī)I/O組成。

對(duì)于步進(jìn)電機(jī)而言單片機(jī)的主要作用就是為其提供運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力和指令，并且將脈沖信號(hào)輸送給驅(qū)動(dòng)電路，讓控制信號(hào)指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)角度和運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制。而在實(shí)際操作過程中就需要完成相應(yīng)的編程，才能夠有效的實(shí)現(xiàn)這一操作，首先，要將單片機(jī)所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的循環(huán)次序進(jìn)行調(diào)整和改變，來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)角度的改變；通過對(duì)單片機(jī)所傳輸?shù)拿}沖信號(hào)頻率的改變，來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的調(diào)整。

2 永磁式步進(jìn)電機(jī)的工作原理分析

如圖1所示，當(dāng)電機(jī)始終處于兩相通電狀態(tài)就會(huì)讓電機(jī)實(shí)現(xiàn)雙相通電步進(jìn)，但是，在進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換時(shí)一次只能實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)[2]。①給電機(jī)的b相和a相同時(shí)通電，依據(jù)異性相吸、同性相斥的物理原理，通過電磁場(chǎng)的作用將轉(zhuǎn)子調(diào)整到圖a的位置上；②然后將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖b的位置上，同時(shí)改變a相的極性，給b相和a相同時(shí)通電；③之后再將b相的極性進(jìn)行轉(zhuǎn)變，再給b相和a相同時(shí)通電，轉(zhuǎn)子的位置就會(huì)如圖c顯示的那樣；④給b相和a相進(jìn)行同時(shí)通電，轉(zhuǎn)子的位置就會(huì)如圖d顯示的那樣。這樣我們就可以看到，想要讓電機(jī)的電子轉(zhuǎn)動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢弥恍枰淖兺姺绞郊纯?。因?yàn)椋琣b兩相的定子和轉(zhuǎn)子之間的軸線狀態(tài)始終對(duì)直，當(dāng)這兩相始終處于通電的狀態(tài)下就可以獲取更多的力矩。

不僅如此，也可以在步進(jìn)電機(jī)的相位轉(zhuǎn)換處關(guān)閉一個(gè)相位讓電機(jī)的運(yùn)行角度“轉(zhuǎn)一半”，即將整個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)換角度一分為二，讓電機(jī)的工作方式呈半步步進(jìn)形式，其具體的操作方式就是將兩相電機(jī)的雙相通電和單相通電方式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

3 單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制方式分析

（1）對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)而言，給其一個(gè)脈沖信號(hào)，它就會(huì)運(yùn)行一下，在給它一個(gè)脈沖信號(hào)，再運(yùn)行一下，依次循環(huán)。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和發(fā)射脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔的長(zhǎng)短有著緊密的聯(lián)系，脈沖信號(hào)傳遞的時(shí)間間隔越短電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快?？偠灾?，就是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度取決于脈沖信號(hào)的發(fā)送頻率。對(duì)單片機(jī)發(fā)射脈沖信號(hào)的頻率進(jìn)行調(diào)整，就能夠在很大程度上提升步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。因此，想要控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，只要改變單片機(jī)的脈沖信息傳送頻率就可以有效實(shí)現(xiàn)。這一調(diào)控方式主要是依靠系統(tǒng)軟件來完成，將脈沖信號(hào)的傳輸時(shí)間進(jìn)行改變，就可以縮短脈沖信號(hào)的傳遞頻率。

（2）控制步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控裝置中的位置。步進(jìn)電機(jī)每運(yùn)行一次，設(shè)置的脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)減一，如果步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行情況正常，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行指令到達(dá)指定目標(biāo)位置時(shí)，即所設(shè)置的脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)為零時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)接到停止運(yùn)行的信號(hào)，因此，利用脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)是否為零，來作為判定步進(jìn)電機(jī)是否到達(dá)指定位置的依據(jù)，同時(shí)，這也是其停止運(yùn)行的信號(hào)。控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行位置，就是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下，精準(zhǔn)的從一個(gè)位置運(yùn)行到指定位置。能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)在數(shù)控裝置中的位置進(jìn)行控制，是單片機(jī)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)之一，這樣就可以在數(shù)控裝置中減少位置傳感器的應(yīng)用，僅需通過單個(gè)開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置的控制，因此，這一系統(tǒng)在工業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用范圍非常廣。

（3）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示及其控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速顯示和控制，即通過控制、調(diào)控對(duì)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制，并且對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行逐一設(shè)定和顯示，可以便于對(duì)相關(guān)聯(lián)的機(jī)器進(jìn)行控制操作。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的控制是以控制系統(tǒng)給出的數(shù)據(jù)組合為標(biāo)準(zhǔn)，只需要通過計(jì)算機(jī)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行改變就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效控制。因此，便于單片機(jī)控制系統(tǒng)的操作，需要設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備控制按鍵：選擇按鍵、確定按鍵、輸入按鍵、輸出按鍵以及開始按鍵，通過輸入按鍵和選擇按鍵對(duì)機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制；之后在通過確定按鍵和開始按鍵來對(duì)其需要進(jìn)行的工作速度進(jìn)行確定；其他按鍵都是為了電機(jī)的工作和運(yùn)行而設(shè)置的，其中就包括停止按鍵和緊急停止按鍵。單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)可以通過選擇機(jī)器的型號(hào)來滿足工作需求。

4 結(jié)束語

綜上所述，這篇文章通過對(duì)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制方式進(jìn)行分析，可以在一定程度上將步進(jìn)電機(jī)的傳統(tǒng)復(fù)雜的控制線路進(jìn)行簡(jiǎn)化，有效解決了其控制難、改變其運(yùn)轉(zhuǎn)方向和運(yùn)轉(zhuǎn)速度難的問題。這一控制方式只需要通過系統(tǒng)按鍵對(duì)其所需數(shù)據(jù)組的改變就可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)的控制，可以在很大程度上方便步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和方向控制，可以讓控制形式更加的方便、靈活。同時(shí)，在其控制系統(tǒng)中加入中斷功能，可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。近年來，這項(xiàng)控制系統(tǒng)已經(jīng)在我國(guó)的工業(yè)發(fā)展中得到廣泛應(yīng)用，并且可以讓步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)角度和運(yùn)轉(zhuǎn)速度更加的精準(zhǔn)、快速，這在科技發(fā)展上是非常大的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅勝華，蔣燕，陳文明.永磁式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息，2016（03）：106-107.

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