基于单片机的高精度步进电机控制研究

付家翰

【摘要】 本文重点对步进电机细分驱动原理进行了分析，通过对细分电流波形的合理选择，以及以AT89C51单片机作为核心的选择，经过对步进电机驱动芯片L297/298的结合，实现了步进电机的斩波恒流细分驱动控制系统的设计。

【关键词】 步进电机 细分驱动控制 单片机 精度

步进电机在实际的应用过程中具有价格低、容易控制、无积累误差、计算机接口简单等特点，所以，步进电机作为一种将离散的电脉冲信号转化为角位移的电磁机械设备装置实现了对机械、仪表、工业控制等领域的有效应用。随着我国各项技术的不断发展，我国工业行业中对各个自动化控制及精密机械加工等都需要步进电机具有非常高的精度。

一、基于单片机的高精度步进电机控制研究现状

步进电机在实际的应用过程中具有自身独特的特征，即能够在没有速度、位置传感器的情况下一样可以对开环状态下的定位工作或同步运行工作进行精确的实现。同时，通过对步进脉冲数量多少的调节，就能够有效实现对位移或者角度定位的实现，对于步进脉冲来说，就爱好似驱动器发送给步进电机的电脉冲信号，所以，想要实现对速度的有效调节，就可以通过对步进脉冲频率高低的调节进行控制，这样就能够有效实现相关装置及设备的广泛应用。

二、基于单片机的高精度步进电机控制系统设计

2.1 硬件设计

此系统中，对于硬件设计所采用的主要是以AT89C51单片机作为核心，步进电机中驱动芯片的使用用主要是L297和L298N，然后运用驱动双相步进电机中AT89C51单片机对两个DAC0832转换器进行控制，并对转换器中每相绕组对应的L297的参考电压进行改变，在保证了电路正常使用的同时，并不能有效的实现在实际中的应用，所以，这就需要进行一些外围辅助电路的添加。

2.2 软件设计

在此系统中，对于系统中软件的设计，会应用到定时器，定时器主要的作用就是能够将控制信号进行有效的发射，而此控制信号主要是通过脉冲产生的，这样就能够保证在定时器中运用单片机，就可以实现对DAC0832系统有效的控制，并通过相关器械设备，保证阶梯形电压的有效产生，当所产生的阶梯形电压与L297电机控制芯片中第十五号引脚连接时，就能够保证所产生的电压在L297斩波对步进电机线圈电流进行有效的控制。与此同时，定时器1控制单片机引脚P0.0产生控制转速的脉冲信号E1。定时器0产生步进电机所需的细分脉冲，脉冲频率为E0，使其具有E0=N* E1的关系（N为细分数）。对于每个信号周期来说，单片机能够对两片DAC0832输出经过运算放大器的变压输出峰值电压实现有效的控制，这样就会保证L297端口的参考电压会发生一定顺次的变化，此时将结果与L298N反馈出来的电压相比，进而实现对线圈电流的逐渐增大或减少，并不是简单的一次性通入或切断。对于高精度步进电机驱动电压的计算方法来说，有一定的计算公式可以进行运用，即：Vref=Vmax*si（nn*II/2N）。其中N为细分步数，n为细分第n步。

通过对脉冲频率或换向周期进行有效的控制，就能够实现控制系统对步进电机运行速度的有效控制，对于步进电机的速度控制来说，其主要的控制方法就在单片机系统中运用定时器的方法进行实现。为了完成此目的，首先需要做的工作就是要对所需要的定时器初值进行存储，并存储在单片机中，其后在通过开关实现对定时器初值不同的选取工作，进而实现对步进电机速度的有效控制。

2.3 系统整体分析

此系统能够有效实现对日常应用的满足，但是，当需要步进电机进行进行高精度细分时，还是会有一些乱序的问题出现，而此问题的产生一般都是因为一些延迟造成的。在实际的定时器使用过程中，因为会有申请中断或取消中断的过程中会有时间误差的存在，这样就会造成乱序问题的出现，而这样的问题时不可避免的。所以，为了保证对步进电机的精确定时，首先就需要保证软件的充分应用，简单的说，当进行软件操作过程中，就需要对定时器的初值进行有效的调整。所以，为实现精确定时，就需要通过软件设计完成，具体的需要在进行软件操作时，可以实现对定时器的初值进行不同程度的调整。与此同时，还需要对相关的两个因素进行考虑，即：首先，当有中断出现时，要保证有一定的中断时间响应；其次，当在定时器中进行初值装载时，还需要将装载初值所用到的时间考虑在内，想要实现对电机的有效控制，首先需要解決的一个问题就是要减除抖动，当抖动问题存在时，就不能有效实现准确的定位。这样，就可以从宏观上发现问题的所在，而解决的方法则是可以通过对驱动电路的改善进行解决，同时还可以对转速进行提高，当转速越高时，所出现的抖动也就越清晰，这样就能够通过加减速度来实现对问题的解决。

三、结束语

综上所述，运用键盘可以实现对步进电机的转向、加减步数及停止等操作，然后，再进行软件程序中语言的编写，这样就能够保证单片机所输出的控制信号在经过驱动电路时，实现对步进电机精确的控制。

参 考 文 献

[1] 廖宇，高林.基于单片机的步进电机运动控制系统设计[J].电子测量技术，2012，31（05）：150-154.

[2] 郭士军，康春花，张占立，等.基于单片机的步进电机控制系统 [J]. 电机与控制应用，2011，11（03）：150-151.