基于单片机的步进电机控制探讨

摘  要：在步进电机的运行过程中，来自于单片机的电子脉冲信号可以控制其转动角度，而借助于单片机硬件电路以及软件编程等形式，则可实现步进电机的启动、停止以及正反转等动作，以此来实现对步进电机的有效控制。基于此，本文分析了基于单片机的步进电机控制方法，以期为步进电机的应用与控制提供相应参考。

关键词：单片机;步进电机;控制策略;控制系统

中图分类号：TM383.6   文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）07-0000-00

0 引言

步进电机的系统结构简单，对转动定位控制精准，因此步进电机在仪表控制和过程控制中发挥着至关重要的作用，且在当今的自动化控制、电动阀控制、数控机床以及医疗设施等各领域中得到了广泛应用。而在步进电机的具体应用过程中，单片机可以对其起到更加精准的控制作用，以此来实现应用效果的显著提升。因此，在步进电机的应用与研究中，应加大对单片机控制的研究，以此来实现步进电机的良好应用与发展。

1 步进电机工作原理

在步进电机的运行过程中，电子脉冲信号数量及其频率对其转动速度以及停止位置起到决定性作用。在步进电机运行过程中，如果给定一个脉冲信号，其转子便可经过相应角度，我们将该角度叫做步距角。就目前的步进电机来看，步距角一般按照半步和一步进行划分，具体情况如表1所示。

按照以上划分方式，每给定一个脉冲信号，步进电机就可以转动0.9°，随着脉冲信号书的连续给定，可控制步进电机实现连续运转。

2 基于单片机的步进电机控制

2.1控制系统框架分析

2.1.1硬件系统设计构架分析

在本次所研究的步进电机控制系统中，应用到的单片机为51单片机，主控制器型号为80C51，该控制器属于一种有着高效性的微控制器，通过该控制器的应用，可以为嵌入形式的控制系统提供出价格低廉、灵活度高的方案，其组成部分及其个数如表2所示。

在本次研究中，主要选择的步进电机是四相六线形式的步进电机，其额定电压是12V，这种步进电机可以在单拍模式下工作，也可以在单双拍混合模式下工作。但是通常情况下，在该步进电机工作在单拍模式下时，其转动相角过度比较少，转动角度比较大，而且转动也并不十分连贯[1]。因此，为了保障该步进电机转动的连贯性，通常会将其设计为单拍以及双拍相互混合的工作模式。

由于80C51型号的单片机有着较小的信号输出功率，所以不能有效满足步进电机的实际驱动需求。在这样的情况下，就需要进行相应驱动电路的添加，以此来满足步进电机实际的驱动需求，让步进电机维持在一个正常的工作状态中。因此，在本次设计中，将ULN2003A芯片用来作为其驱动芯片，这种芯片有着比较高的工作电压和比较宽的温度范围，同时也有着非常强的负载能力。该芯片的每一路驱动器输出信号平均为500mA，最大的输出信号可以达到600mA[2]。同时，该芯片也可以借助于级联的形式来实现驱动能力的提升。在对按键进行控制的电路中，应用的是一种十分简单的单片机输入设备，并进行了三个按键的设置，借助于键盘上的相关指令对步进电机进行启停以及正反转的控制。

2.1.2软件系统设计构架分析

在完成了硬件系統的设计与搭建之后，基于单片机形式的步进电机控制系统已经具备了初步的控制条件，接下来就是软件系统的设计。在本次设计中，借助于C语言或者是Keil软件汇编语言等形式，可控制步进电机的初始化、驱动以及按键输入等模块，以此来实现步进电机的启动、停止以及正反转等功能。

在具体的软件系统设计过程中，可借助于软件编程形式的演示程序来对步进电机进行转向控制。在此过程中，步进电机内部的绕组通电顺序将会对其转向起到决定性作用。借助于软件编程的形式，可以对单片机向步进电机绕组所施加的相序脉冲电流进行控制，以此来控制步进电机的具体转向。在具体的控制过程中，为了进一步提升系统对负载的带动能力，并保障步进电机的平稳运行，在本次设计中，将驱动方式设置为四相八拍形式。

2.2控制系统设计流程分析

首先是单片机的初始化，在此过程中，需要对计数器、定时器、外围芯片以及传送数据的端口进行初始化，并对初始数据进行赋值。

其次是对步进电机的实际运行状态进行检查，保障其处在使能状态。

再次是对键盘按键信号的读取窗口进行状态检查，具体步骤如下：

（1）若按下正转按钮，对定时器给定一个比初始数据大的最小值，然后进行信号发送，让步进电机使能，并将定时器的定时功能开启。

（2）若按下加速按钮，对定时器给定一个比初始数据小的最大值，并将定时器的定时功能开启。

（3）若按下减速按钮，对定时器给定一个比初始数据大的最小值，并将定时器的定时功能开启。

（4）若按下停止按钮，计数器或定时器停止工作，与步进电机连接的端口值也不再改变，让步进电机使能无效。

（5）按下反转按钮，对定时器进行检查。

（6）最后，在定时器结束定时的情况下，应该将当前与步进电机相互连接的端口值取反。

2.3步进电机工作流程分析

在打开了步进电机以及单片机电源开关之后，提示“停止”的指示灯将会亮起;在将“正转”开关按下之后，才可以按“加速”开关，此时，提示“停止”的指示灯将会熄灭，提示“正转”的指示灯将会亮起，然后，步进电机将会以一个比较小的速度开始运转。此时，要想让步进电机的转动速度进一步加快，需要再次按下“加速”按钮，再多次按动该按钮，步进电机加速到一定速度之后将不再继续加速，而是始终处在一个高度运转的状态下运行。此时，如果将“减速”按钮按下，步进电机的转动速度将会降低，如果继续按这个按钮，步进电机速度会持续降低，一直到不再运转为止。如果将“反转”按钮按下，提示“正转”的指示灯将会熄灭，提示“反转”的指示灯将会亮起。反转的加速和减速与正转的加速和减速工作流程一致。

3 结语

综上所述，在步进电机的使用过程中，单片机可以对其运转起到有效的控制作用。因此，在具体的应用过程中，应该按照步进电机实际工作特点，并根据实际需求来进行程序代码的编写，然后借助于相应的芯片来实现步进电机的驱动。同时，在通过芯片对步进电机进行控制的过程中，也需要注意到很多细节，比如反转过程中的转速应该控制得相对较小一些，这样才可以让步进电机得到更好的保护，以免步进电机被破坏，同时也可以有效保障单片机信号的稳定性，以此来控制步进电机的稳定运行。

参考文獻

[1]袁炜，张宝，吴饶，等.基于单片机的步进电机控制系统设计[J].电脑知识与技术，2020（18）：214-216.

[2]孙巧智.基于单片机的步进电机控制系统研究[J].电子世界，2020（11）：86-87.

收稿日期：2020-06-01

作者简介：陈永飞（1984—），男，浙江东阳人，本科，工程师、高级技师，研究方向：机械设计制造及自动化、非标自动化设计、微特电机制造。

Discussion on Step Motor Control Based on Single Chip

CHEN Yongfei

（Zhejiang Lianyi Motor Co.， Ltd.， Dongyang  Zhejiang  322100）

Abstract： During the operation of the stepper motor， the electronic pulse signal from the single-chip microcomputer can control its rotation angle， and with the help of the single-chip hardware circuit and software programming form， the stepper motor can be started， stopped， and forward and reverse Action to achieve effective control of the stepper motor. Based on this， this article analyzes the stepper motor control based on the single-chip microcomputer to provide a reference for the application and control of the stepper motor.

Keywords： single chip microcomputer; stepper motor; control strategy; control system