摘要：步进电机是一种常用的机电元件,它以精确的开环控制在工业各领域都得到了广泛应用。本文阐述了基于单片机控制的步进电机控制系统，为相关的工程设计提供了理论参考。
关键词：单片机；步进电机；控制系统
1单片机与步进电机的概述
1.1单片机概述
单片微型计算机简称单片机（MCU），是典型的嵌入式微控制器，单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。
它最早是被用在工业控制领域，由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
1.2步进电机
步进电机是通过电脉冲信号控制的，属于一个过程控制以及仪表中常用的主要控制元件。由于步进电机的控制精度极高，无累积误差，所以被广泛应用于精确定位系统。步进电机控制较为方便，以“步”为单位旋转，具有明显的数字特征，能够用数字信号直接进行开环控制，不需要专门进行数模转换，位移与输入脉冲信号相对应，可以组成开环或闭环控制系统。目前，市场上较为常见的电磁式步进电机主要分为三种：一是永磁式步进电机。这种步进电机的转子和定子都由于永磁材料制造而成，其工作原理就是对定子进行绕组通电，从而形成电磁场带动转子运动；二是反应式步进电机。这种步进电机的转子上分布很多小齿，其工作原理是由磁性转子通过与定子产生磁场相互作用；三是混合式步进电机。这种步进电机融合了前两种步进电机的优点，其机械性能更好，在运行方式上和反应式步进电机相同，在控制绕组上和永磁式步进电机相同，控制精度非常高，应用也最为广泛。
2基于单片机的步进电机控制系统设计的原则
2.1科学性
该系统的设计需落实到实践中，在实践中完成整体的设计，以满足科学性提出的要求。即从科学的教学制定目标，综合考量单片机设计的原理、操作流程与使用的硬件，才可以让系统满足工业生产提出的要求，符合实践。也就是说，只有运用科学的理念与精神，才可在现有技术的基础上不断创新，有科学性的探索。
2.2实用性
人们会用工业生产改造自然，促进社会发展，让自然环境有大量的变化，而工业发展也经历了漫长的过程。这个过程中，需得到充足资金支持，而资金是否充足也会决定控制系统的设计是否完备，达到要求的质量与水平，所以控制系统的设计必须满足实用性提出的要求，尽量控制投入成本，减少部分投资，以让投资运用到其他方面。
3基于单片机的步进电机控制系统的总体设计与原理
3.1总体设计
该控制系统中由五部分构成，包括按键控制电路、单片机控制系统等，这几部分分别负责不同的工作。系统的驱动电路使用的是FT5754芯片，该芯片有四组PNP达林斯顿电路，每个电路都对应一个二极管，但为满足系统经济性提出的要求，且使用的电机额定功率偏小，会把二极管换为三极管。当电机产生脉冲后，信号随即触发三极管，电流经过三极管后可以让电机通过绕组得电，并形成一定的位移，随后用这一方式循环，控制电机旋转。
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3.2原理
3.2.1步进电机系统
该系统是操作系统，负责把所有的操作转化电信号，使运动系统接收，运动系统接收后做出反应，完成系统要求的任务，运动系统控制的物体位置的变化与整体速度的移动。在控制系统中，步进电机的任务是执行，所以在控制系统中为准确定位，执行动作的操作是把电信号转化为位移，并借助脉冲的控制让电机移动。而步进电机的运行需要驱动器配合，其原因是，脉冲信号较小，只有把信号放大，才能让步进电机运动。
3.2.2单片机与最小的系统
用单片机很容易实现步进电机的操作，且它也有很多优势。脉冲具体分配时，可以用脉冲分配器完成，但单片机与它相比，操作更加简单，即它的结构简单，使用的成本较少，可在某个范围内调整步进电机的操作，同时，它也可满足不同使用者的要求。所以，为简化电路，控制使用的成本，操作人员会用软件完成，由此，能够实现软件与硬件驱动的结合，优化对电机的控制。控制系统有很多优势，并有着明确的目标：①把成本最小化；②完善系统功能；③硬件设施无需过多调整；④清楚显示各部分的运行状态；⑤保证系统的稳定性与抗干扰性。
3.2.3按键电路
案件电路有多个开关，步进电机实际运行时共有五种状态，比如正转、反转与加速等，这五种状态由对应的按钮控制。即设计人员会在系统中设计五个按钮，分别是S1、S2、S3、S4、S5，当电机需要某个状态时，随即按下按键，形成电回路，传输信号。
3.2.4步进电机状态的显示
显示步进电机的状体需要特定的电路完成，故其设计电路时，需在电路中安装可以发出散光的二极管，负责显示步进电机的状态。步进电机的几个状态中，分别对应不同的颜色，比如正转对应的颜色是绿色，反转对应的颜色是黄色，停止对应的颜色是红色，而每个发光的二极管都需要稳定的电压，故其会把电压控制为3V，限流电阻是1k。其具体操作需注意的是，进行动态扫描时，可能会出现闪烁的情况，对此，可以把频率调到16Hz；数码管的亮度不足；出现“虚影”，只有预防上述三种情况的出现，才能够保证步进电机运行状态的准确显示。
3.2.5步进电机的驱动电路
选择恒流斩波电路作为驱动电路，虽然会增加系统设计与完成的难度，但会让电路运行符合质量要求。这个电路的优势是，电路中流经的电流较小，电源可多次利用，音响整体的效果良好。而整个电路中，脉冲信号的传输方式是，信号从单片机输出后，经过四路脉冲信号传输，并控制其产生的电平，若是输出的是低电平，经过非门后会自动转化为高电平，但如果是高电平，其传输后会变成低电平。
4基于单片机的步进电机控制系统的程序原理
4.1程序设计
它根据外围电路的设计，在系统中设置P1、P2两个端口，前者有五个管脚，后者有四个管脚。其程序运行时，首要完成的目标是让电机在适当的时间停转，并完成驱动电路的工作，这项工作完成后，需根据系统设置定时器，当电机停转时实时显示其运行的状态，接着完成按键扫描的操作，如果按下停止键，或是没有按任意一个按键，系统自动回到初始的操作。
4.2程序设计
其程序设计是系统开始运行后，点击程序初始化，并把所有的数据清零，待全部数据清零后，按键扫描。随后，设定延时的时间10ms，用电流带动设备运行，把状态灯点亮，接着，向外输出脉冲信号，扫描后决定加速或减速，设定定时器，决定位移的方向。
结语
总而言之，采用单片机为控制核心的步进电机控制系统的控制性能更高，但是在现实生活中，基于单片机的步进电机控制系统设计和开发还处于初步阶段，使用者在操作时还存在很大缺陷，有些系统的人机交互性不强，操作比较复杂。所以，我们有必要结合基于单片机的步进电机控制系统的研究现状，综合分析单片机与步进电机控制系统的设计要点，尽可能地设计出功能强大、适应性强、性能可靠、操作简单的基于单片机的步进电机控制系统。
参考文献
[1]李冰.基于单片机的煤矿步进电机驱动控制系统设计[J].煤矿机械，2014，35（5）.
[2]邵现京，董金才，赵龙章，等.基于新型加减速曲线的多步进电机控制的研究[J].自动化与仪表，2013.
论文作者:伍艳雄
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/28
标签：步进电机论文; 单片机论文; 控制系统论文; 电路论文; 系统论文; 脉冲论文; 操作论文; 《电力设备》2018年第2期论文;