摘要：随着电气自动化技术以及数控技术的不断发展，电机控制技术不断被改进，如今，比较先进的电机控制方式当属步进电机控制，其不仅占据了电机控制的前沿，而且能够将数字化与电机控制紧密的结合，因此被广泛的应用到现代化的生产实践中。作为感应类电机的一种，步进电机能够利用电子电路，将直流电进行功能划分为分时供电、多项时序供电电流，以保证进电机的正常工作，当前已经是电机一体化控制过程中的重要技术。
关键词：单片机；步进电机；控制系统
背景
步进电机是自动控制装置，在生产中广泛的被使用，主要应用于各种数控车床、机器人、自动化机器设备以及机械自动化领域中。在运行过程中，随着步进电机的启动，系统的数字控制的精度以及工作可靠性将会有所波动，因此，步进电机通常不会直接启动，而是首先通过单片机控制渡过加速度运行阶段，这样才能保证电机稳定高效的运行。从目前的生产实践来看，最为普遍的步进电机驱动技术主要有两种，第一种是斩波恒流控制技术，该技术能够有效的减少共振的产生频率；第二种是正弦脉宽调制技术，该技术能够对步进电机的精度与运行速度起到很大的促进作用。此外，除了步进电机驱动技术外，其控制技术——单片机控制，则是通过不断的改善处理数字信号的芯片来提高控制的精度与信号处理的速度。
1.理论概述
1.1 步进电机控制原理
与传统的电机相比，步进电机拥有同样的组成部件，分别是定子以及转子等。在具体的转动控制中，电流首先经过定子绕组，使之产生一定的矢量磁场，而所产生的磁场会带动永磁体的转子旋转，使两者的磁场方向始终保持一致，正是因为磁场的作用而使得步进电机产生转动。
1.2 步进电机系统组成
步进电机的组成如下：
（1）控制系统：控制系统通过开环控制这种无反馈控制形式对步进电机的运转进行控制，采用该控制方式能够降低控制装置的成本，同时简化控制装置的结构，提高运行的稳定性；
（2）步进电机：步进电机是自动控制装置，在生产中广泛的被使用，主要应用于各种数控车床、自动化机器设备以及机械自动化领域中，最为常见的步进控制系统是基于单片机的控制系统，单片机选型的过程中具备128字节以及4字节的闪存存储器，使用了标准的8051系统指令以及引脚，可以同时进行在线以及传统方式的编程；
（3）驱动器：驱动器的主要作用是将单片机的输出脉冲进行方法，然后再驱动步进电机的运行。此外，值得一提的是，在将功率放大的同时，驱动器也输出一个反相。
1.3步进电机的特点
（1）步进电机精度较高。
步进电机在运行时能够有效地控制误差，因此其运行精度相对较高，且在运行时误差不会累积，通常，步进电机的误差在3%-5%的步进角范围内。
（2）步进电机外壳能够耐受一定的温度，但又最高温度限制，通常为80-90℃。
在工作时，步进电机的温度会对其工作可靠性产生一定的影响，具体来说，温度会影响电机的磁性材料，温度越高，材料的磁性越弱，当温度高于一定的数值后，磁性材料会产生退磁现象，因此，需要对步进电机的表面最高温度做出一个限制，而这一限制主要取决于材料的退磁特性。通常，磁性材料的退磁点为130℃，但是不排除耐高温的磁性材料的存在，极少数的磁性材料甚至能够耐受200℃的高温。从以往的生产实践来判断，最合理的温度通常在80-90℃之间波动。
（3）步进电机的力矩会受转速的影响。
一般来讲，步进电机的力矩会随着工作条件以及各个相关参数的变化而改变，影响其力矩的主要因素就是转速。转速越高，步进电机的转动频率就会越高，产生的反向电动势对转子的阻碍作用就会越明显，最终使得力矩降低。
（4）步进电机运行时应当有一定的速度限制。
步进电机能够在转速较低的情况下保持运行的稳定性与工作的可靠性，但是，随着转速的升高，电机运行的稳定性会大大下降，在过高速的情况下甚至出现无法启动、噪声、丢步以及堵转等情况。基于此，为了步进电机的工作可靠性，会提前设定一个标准参数——空载启动频率，而在负载的，更应当参考空载启动频率适当的降低启动频率。如果想让步进电机在高转速的条件下稳定运行，必须有一定的加速过程，即在低启动频率的基础上，设定适当的加速度，逐渐提速到理想转速，实现低速到高速的转变。
2.步进电机控制系统
2.1基本组成
（1）操作控制系统：操作控制系统主要通过接收工作人员的动作指令，并将不同的动作指令进行信号转换，使其转变成运动系统能够识别的电信号。与此同时，操作控制部分还能实时的反馈操作者的动作信息，一经发现操作失误，系统就能够根据操作控制系统反馈的信息及时的对操作者的错误操作进行规范；
（2）运动控制系统：运动控制则是一种实实在在的控制方式，通过驱动、控制以及执行三个构件，完成对物体位置、速度等参数的控制。
2.2 驱动控制系统组成
步进电机控制系统可以被划分为两个组成部分，第一部分名称为脉冲信号产生部分，另外一部分名称为脉冲信号部分。其中后者的内容主要是来自于前者，前者能够产生脉冲信号的设备基础是单片机，一般来说脉冲的范围区间为0伏到5伏，可以通过改变发电功率的方法，使得时序加以延长，对软件编程加以控制。硬件法以及软件法均为控制脉冲信号的方法，其中，硬件法的工作原理是采用特殊的脉冲装置来对脉冲信号进行理想型控制，比如可以采用更加适宜的相绕组组合方式使得脉冲信号的控制过程更加合理有效，其次也可以采用特殊的分配器和触发器来控制信号；
软件法的工作原理是通过编写程序来使得电机电流的转变得到有效控制，利用单片机的数据传输端口来驱动计算机，并且利用计算机对输出的脉冲信号进行有效分析。采用软件法控制脉冲信号时，使用的控制方式为旋转法，这个过程会极大的减少计算机中央处理器的运行时间，当采用软件法构建软件控制系统时会使得相应产品的成本急剧下降，因此众多的单片机厂商会选择更加实惠的软件法来对电机实施控制。随着我国国内工业水平的日益提高和体系的逐渐完善，选择软件法控制电机也正在成为未来很长一段时期内电机在此领域的一个发展方向，它也可以使得单片机系统搭建技术得到迅速提升。
2.3 功率放大器
单片机输出脉冲电流必须经过功率放大作用后才能够满足某些特殊设备的需求，所以功率放大的步骤将必不可少，而功率放大器就很好的承担了这项工作。所以，众多的步进电机控制系统都选择使用了功率放大器这一功能，单片机系统是否能够变得更加完备的关键之处在于是否能够使用性能更加优越以及稳定可靠的功率放大器。
3.单片机步进电机控制系统设计
3.1硬件系统的组成
硬件系统的核心部分为步进电机控制系统，该系统由两部分组成，第一部分为控制核心部分，由单片机作为系统的控制核心部件；第二部分为执行部分，步进电机为系统的主要执行元件，其主要执行来自于单片机的各个指令。除此之外，硬件系统还包括了许多其他的模块，系统总体框图详见图3-1。
1）系统控制模块———最小系统
最小系统在单片机控制系统中起到了核心的作用，其最主要的工作是利用单片机的软件编程取代原有的步进电机的脉冲信号的方式来控制步进电机的脉冲工作。而这一脉冲信号是由步进电机输出的环形脉冲信号。单片机与步进电机之间信号的互换性基于两者之间参数的相关性：首先，前者的脉冲数与后者的转角成正比；其次，前者的输出脉频率与后者的转速成正比；最后，前者的脉冲顺序与后者的转向有一定的一致性。
2）驱动模块
系统驱动电路的组成可以分为两大部分，第一部分为外部电路，第二部分为集成驱动芯片，驱动电路的结构部分相对比较简单，经济性能也比较优异，驱动模块的主要功能是通过单片机向电机发送所需要的信号功率，它也可以进一步提升步进电机的性能。驱动模块比较重要的部分是通过4个二极管构成的保护电路，该电路在步进电机的运行中起到了重要的保护作用，能够有效的防止由于步进电机转速上升而产生的自感对系统芯片的损害。
3）电机驱动电流检测模块
检测模块的主要功能是对电流进行一系列检测，该模块运行过程中的第一步为检测驱动芯片的电流，第二步是将电信号通过运放功能进行放大，最后达到完成电信号转换的目的。
4）其他模块
串口下载模块的主要作用是通讯，通过该模块在计算机、单片机之间建立通讯，能够保障计算机的程序传输到单片机中；数码管显示模块的功能比较多，主要用来向用户呈现电机转向、电机转动速度以及关于电机中通过电流的相关信息；独立按键被设置在外部，起到中断的作用，通过单片机数据传输端口与其连接，通过该按键实现电机的正反转，或者达到电机加减速的功能，调用中断服务程序时要有效结合中断和查询两大功能，以此来达到对电机实现良好控制的目标。
3.2 系统软件设计
对于单片机而言，需要软件的编程才能够真正运行整个系统，而关于系统的软件设计，应当从整体上进行，在保证整体功能完整性的同时也要确保各个部分的功能衔接性。因此，软件设计的好坏将直接决定了系统运行的质量。系统软件的设计工作主要为如下几步：
第一，系统软件的主流程图设计；
第二，系统初始化流程图设计；
第三，按键子程序设计；
结 论
单片机的应用范围非常广泛，数控机床领域以及机械自动化领域都大范围性的使用了大量单片机，步进电机控制系统作为最重要的一个脉冲系统，使得电子技术能够与系统技术产生良好的化学反应，实现完美的结合，增加了电机的准确性，提高了电机的运转可靠性。单片机步进控制系统需要对电脉冲信号施加有效的控制，采用控制相绕组的方式来得到对电流的控制，该系统需要进行些许优化来减少累积误差，避免该系统出现因累计误差而导致的问题，否则会使得产品在市场竞争中处于极大的劣势使企业处于不利的地位。
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论文作者:苗凯
论文发表刊物:《科技中国》2017年11期
论文发表时间:2018/5/2
标签：步进电机论文; 单片机论文; 控制系统论文; 脉冲论文; 电机论文; 系统论文; 信号论文; 《科技中国》2017年11期论文;