徐遠哲

步進電機是機電數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，由于其精度高、體積小、控制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應用。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及單片機技術(shù)的迅速普及，為設計功能強，價格低的步進電機控制驅(qū)動器提供了先進的技術(shù)和充足的資源。本文利用51單片機，達到控制步進電機的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、兩檔速度和狀態(tài)顯示的目的，使步進電機控制更加靈活。

一、步進電機原理及控制技術(shù)

圖1是一種四相可變磁阻型的步進電機結(jié)構(gòu)示意圖。這種電機定子上有八個凸齒，每一個齒上有一個線圈。線圈繞組的連接方式，是對稱齒上的兩個線圈進行反相連接，如圖中所示。八個齒構(gòu)成四對，所以稱為四相步進電機。

（a） （b） （c）

圖1 步進電機結(jié)構(gòu)示意圖

它的工作過程是這樣的：當有一相繞組被激勵時，磁通從正相齒，經(jīng)過軟鐵芯的轉(zhuǎn)子，并以最短的路徑流向負相齒，而其他六個凸齒并無磁通。為使磁通路徑最短，在磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子被強迫移動，使最近的一對齒與被激勵的一相對準。在圖1（a）中A相是被激勵，轉(zhuǎn)子上大箭頭所指向的那個齒，與正向的A齒對準。從這個位置再對B相進行激勵，如圖1中的（b），轉(zhuǎn)子向反時針轉(zhuǎn)過15°。若是D相被激勵，如圖1中的（c），則轉(zhuǎn)子為順時針轉(zhuǎn)過15°。下一步是C相被激勵。因為C相有兩種可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一種為反時針轉(zhuǎn)動；另一種為順時針轉(zhuǎn)動。但每步都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動15°。

步進電機的控制主要包括：換相順序的控制、步進電機的換向控制、步進電機的速度控制、步進電機的起?？刂?、步進電機的加減速控制等控制

二、控制電路設計思想

步進電機和普通電動機不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。即步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為機械角位移的執(zhí)行元件。步進電機的控制可以用硬件，也可以用軟件通過單片機實現(xiàn)。硬件方法是采用脈沖分配器芯片進行通用換相控制；而軟件方法是用單片機產(chǎn)生控制脈沖來控制步進電機的運行狀態(tài)，這種方法可簡化電路，降低成本。

由于單片機的驅(qū)動電流一般都比較小，不能直接驅(qū)動電機工作，所以單片機的I/O口輸出必須接驅(qū)動電路，即功率驅(qū)動，才得以控制電機正常工作。控制框圖如下圖所示：

圖2 總體設計方框圖

根據(jù)以上的方案比較與論證確定總體方案，確定硬件原理圖。原理圖如下：

圖3 總體電路圖 圖4 主程序流程圖

三、系統(tǒng)軟件設計

主程序流程圖如圖4所示。可以將程序分為以下幾個部份：

1.鍵盤輸入程序設計

本系統(tǒng)使用的鍵盤較少，因此采用獨立式鍵盤接口設計。獨立式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較少的場合。獨立鍵盤工作原理：通過上拉電阻接到+5V上。無按鍵，處于高電平狀態(tài)，有鍵按下電平為低。在消除抖動影響上是可以采用了軟件消抖方法：在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時子程序后（約5ms），再確認電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平，則確認真正有鍵按下，進行相應處理工作，消除了抖動的影響。

2.步進電機運行步數(shù)控制程序

此方案采用單相和雙相交差通電處理方式。此方法具有運行速度穩(wěn)定，運行步數(shù)準確無誤等優(yōu)點。

四、結(jié)束語

本設計遵循實用、簡單、可靠和低成本的原則，設計了一種既可用于精度要求不高，但控制需完備的場合。對本次設計，有以下結(jié)論：

1.采用單片機為控制核心，利用其強大的功能，把鍵盤和顯示電路有機的結(jié)合起來，組成一個操作方便、交互性強的控制系統(tǒng)。而且整個系統(tǒng)所包含的技術(shù)幾乎包括了現(xiàn)本科學?？刂茖I(yè)所要求的知識，有利于實踐教學取得最大效果。

2.鍵盤電路和顯示電路采用了動態(tài)掃描技術(shù)，節(jié)約了單片機資源。

3.系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化設計，具有易維護性，根據(jù)用戶新的要求，對軟件系統(tǒng)進行少量的修改，使系統(tǒng)功能得到一定程度的提高。

參考文獻：

[1]羅飛等.電力拖動與運動控制系統(tǒng)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[2]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天出版社，2002.