单片机如何实现对步进电机的控制

[导读]单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，广泛应用于数控机床、机器人，定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域。

单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，广泛应用于数控机床、机器人，定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域。步进电机是数字控制电机，将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下，根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差，因此步进电机适用于单片机控制。步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。

1 系统设计原理

步进电机控制系统主要由单片机、键盘LED、驱动/放大和PC上位机等4个模块组成，其中PC机模块是软件控制部分，该控制系统可实现的功能：1)通过键盘启动/暂停步进电机、设置步进电机的转速和改变步进电机的转向;2)通过LED管显示步进的转速和转向等工作状态;3)实现三相或四相步进电机的控制：4)通过PC上位机实现对步进电机的控制(启停、转速和转向等)。为保护单片机控制系统硬件电路，在单片机和步进电机之间增加过流保护电路。图l为步进电机控制系统框图。

2 系统硬件电路设计

2.1 单片机模块

单片机模块主要由MSP430FG4618单片机及外围滤波、电源管理和晶振等电路组成。MSP430FG4618单片机内部的8 KB RAM和116 KB Flash满足控制系统的存储要求，P1和P2端口在步进电机工作过程中根据按键状态判断是否跳入中断服务程序来改变步进电机的工作状态，USART模块实现单片机和PC上位机之间的通信，实现PC机对步进电机控制。电源管理电路提供稳定的3.3 V和5 V电压，分别给单片机、晶振电路和驱动和功率放大电路供电。32 kHz晶振给单片机、键盘/显示接口器件8279和脉冲分配器PMM8713提供时钟;当采用USART模块时需开启8MHz晶振设置通信模块。

2.2 键盘/LED模块

为实现人机对话，该系统设计扩展了3x4按钮矩阵键盘和4片8段LED数码管，可手动直接操作该控制系统。系统上电后，通过键盘输入步进电机的启停、步数转速和转向等，由LED管动态显示步进电机的转速和转向。键盘的输入和LED管的输出由8279进行控制，减少单片机工作负担。8279编程工作在键盘扫描输入方式，读入键盘时具有去抖动功能，避免误触发。

‌步进电机控制系统设计‌是一个综合性的项目，涉及硬件和软件两个方面的设计。该系统以单片机为核心控制器，通过发送脉冲信号来控制步进电机的运动。步进电机是一种多极、多相、分步驱动电机，其工作原理是通过接收脉冲信号来驱动电机按设定的方向、速度和步数进行精确转动‌1。

硬件设计

‌单片机选型‌：根据项目需求和性能要求，选择合适的单片机型号，如AT89S51等。单片机作为整个系统的控制核心，负责接收输入信号、处理数据并输出控制信号‌1。

‌步进电机与驱动电路‌：选择适合的步进电机，如NEMA 17等，并设计相应的驱动电路。驱动电路通常采用电机驱动芯片，如L298等，以实现对步进电机的有效控制‌1。

‌按键与显示模块‌：设计按键电路，用于用户输入控制指令，如启停、正反转等。同时，可添加LED数码管或液晶显示屏等显示模块，用于实时显示步进电机的状态信息‌1。

‌电源模块‌：为整个系统提供稳定的工作电压，确保单片机、步进电机及驱动电路等各个部分的正常工作‌1。

软件设计

‌初始化设置‌：在系统启动时，对单片机进行初始化设置，包括IO端口配置、定时器设置等。同时，对步进电机进行初始化，确定其初始位置和状态‌1。

‌按键处理与指令解析‌：编写程序检测按键输入，并根据不同的按键组合解析出相应的控制指令，如启停、正反转、转速调节等‌1。

‌脉冲信号生成与控制‌：根据解析出的控制指令，通过单片机的定时器或PWM模块生成相应的脉冲信号。脉冲信号的频率和数量决定了步进电机的转速和转动角度。通过改变脉冲信号的极性，可以实现步进电机的正反转控制‌1。

‌状态监测与显示‌：实时监测步进电机的状态信息，并通过显示模块进行实时显示。同时，可添加故障检测与报警功能，确保系统的安全可靠运行‌1。

应用领域

步进电机控制系统广泛应用于各种需要精确控制转动角度和转速的场合，如机器人、自动化设备、精密仪器等。通过基于单片机的控制系统设计，可以实现步进电机的精确控制、灵活控制和可靠性高的特点‌1。

步进电机工工的铭牌通常只给出绕组电流，偶尔也给出电压和绕组电阻额定电压将产生DC的额定绕组电流：但这主要是无意义的额定值，因为所有现代驱动器都是电流限制且驱动电压大大超过电机额定电压。

制造商提供的数据表通常表示电感。反电动势同样重要，但很少列出(使用示波器测量很简单)。这些数据有助于更深入的电子设计，偏离标准电源电压，调整第三方驱动电子设备，或在选择具有其他类似尺寸，电压和扭矩规格的电机型号时获得洞察力。

步进器的低速扭矩将随电流直接变化。扭矩在更快的速度下下降的速度取决于绕组电感及其所连接的驱动电路，尤其是驱动电压。

步进器的尺寸应根据公布的扭矩曲线确定，曲线扭矩制造由商在特定驱动电压下或使用其自身的驱动电路指定。扭矩曲线中的下降表明可能存在共振，设计者该解其对应用的影响。

适用于恶劣环境的步进电机通常被称为IP65等级。

美国国家电气制造商协会(NEMA)标准化了步进电机的各个方面。它们通常用NEMA DD表示，其中DD是面板的直径，以英寸乘以10(例如，NEMA 17的直径为1.7英寸)。还有其他说明符来描述步进电机，这些细节可以在ICS 16-2001标准(第4.3.1.1节) )节)中找到。有关的的RepRap网站的有用摘要和更多信息。