步进电机的单片机控制系统设计研究

摘要：在科技快速发展的背景下，现阶段应用的步进电机所配置的齿轮箱、直线运动执行装置等较为先进，能实现难度较大、复杂程度较高的线性运动，这使步进电机得到了广泛应用与快速发展。在步进电机控制系统中，单片机具有至关重要的作用，作为核心部件，其性能质量会对步进电机的整体性能质量造成直接影响。所以，为保证步进电机功能正常发挥，需要合理设计单机片控制系统。基于此，主要探究了步进电机的单片机控制系统设计，以期为相关人员提供参考。

关键词：步进电机单片机控制系统PC上位机

中图分类号：TP368

DesignandResearchofOne-ChipComputerControlSystemforSteppingMotors

LIUZhongnanCHENGYi’anZHANGXiaoying

ShanxiJinzhongInstituteofTechnology，Jinzhong，ShanxiProvince，030600China

Abstract：Inthecontextofrapidtechnologicaldevelopment，thegearboxesandlinearmotionexecutiondevicesequippedwithsteppingmotorscurrentlyusedarerelativelyadvanced，whichcanachievedifficultandcomplexlinearmotion.Thishasledtothewidespreadapplicationandrapiddevelopmentofsteppingmotors.Inthesteppingmotorcontrolsystem，one-chipcomputerplaysacrucialrole.Asacorecomponent，itsperformancequalitywilldirectlyaffecttheoverallperformance&nbfb4070125fafd156d498bfc30129455f322c996921c9264c7f2e29749fa5d986sp;qualityofthesteppermotor.So，inordertoensurethenormalfunctioningofthesteppingmotor，itisnecessarytodesignareasonableone-chipcomputercontrolsystem.Basedonthis，thisarticlemainlyexploresthedesignofaone-chipcomputercontrolsystemforsteppingmotors，inordertoprovidereferenceforrelevantpersonnel.

KeyWords：Steppingmotor;One-chipcomputer;Controlsystem;PCuppercomputer

在当今时代，步进电机的应用较为广泛，如应用步进电机驱动机器人、应用步进电机驱动软磁盘、应用步进电机驱动机械加工设备等，其驱动电路具有微型化特点。2000年前后，步进电机的驱动控制开始以芯片为主，这使驱动装置体积显著减小，整机性能质量得到有效提高。而后随着步进电机的发展，又提出了较多驱动控制方法，其中较为常用的是单片机与芯片相结合的驱动控制方式。但在实际应用中，这种方式的驱动控制形式较为单一，且需要结合程序的不同做出改变。所以，为加强步进电机性能质量，相关人员应加大对步进电机单片机控制系统设计的研究力度。

1步进电机概述

步进电机通常由多个部件构成，其结构复杂程度较高，且各部件之间联系较为紧密，其中包括轴承、转子铁芯、定子铁芯、磁钢以及绕组绝缘等。在步进电机结构中，绕在定子齿槽上的金属丝被称为绕组、线圈或相，当其处于运行状态时，主要由驱动器结合逻辑电路与接收的控制脉冲信号，对绕组方向进行控制，以保证绕组良好通电。在步进电机正向通电时，其可正向旋转，而在步进电机反向通电时，其可反向旋转，且在运行过程还可结合实际需求对运行状态进行锁定。

以两相步进电机为例，当通电励磁同步作用在两相绕组上时，其输出轴通常会处于两种状态：静止和锁定，且保持最大力矩，在任一相绕组出现电流改变的情况下，步进电机会在现阶段旋转方向的基准上旋转一步。同时，在绕组电流发生改变而产生变向励磁的情况下，步进电机会在现阶段旋转方向的基准上持续旋转步进，往往具有较高的运行精度。

在步进电机运行过程中，为保证运行质量，需要有效控制位置与脉冲信号。一方面，步进电机以基本步距角为依据进行转动，且这个步距角为固定不变的，通常包括1.2°和1.8°两种形式；另一方面，在步进电机运行阶段，脉冲信号的电压会反复改变，需要具备精度较高的定位模块，通过控制器精准发送脉冲信号以准确控制步进电机的转动角度与速度。此外，针对步进电机而言，较为重要的两点分别是停止位置保持与闭环伺服控制。在步进电机绕组通电时，在停止位置保持的作用下，其会保持力矩，换而言之，即使不具备机械刹车，也能在停止状态保持。在步进电机上融合应用伺服控制技术，能优化步进电机结构，使其运行效率显著增强，提高控制系统的智能化水平[1]。

2步进电机的单片机控制系统设计分析

2.1硬件电路设计

在设计基于单片机的控制系统前，应对步进电机控制系统要求进行全面分析，立足整体角度，统筹规划设计方案，以保证设计的合理性、科学性。步进电机控制系统通常由多个部分构成，具体包括单片机、PC上位机以及驱动模块等。在步进电机控制系统中，主要通过PC上位机实现控制功能。在设计时，为有效保护单片机，针对单片机与步进电机，一般需要采取过流保护措施，在两者之间设置过流保护电路。步进电机控制系统的复杂程度较高，在硬件电路设计过程应重点设计单片机模块、LED模块、驱动模块3个部分。

2.1.1单片机模块

在具体设计时，应结合控制系统要求选择合适的单片机，并合理确定外围滤波、晶振等。现阶段，可选用MSP430FG4618单片机，其配置相对较高，能有效达到步进电机的存储要求，一方面，其内部设有116kBFlash；另一方面，其内部设有8kBRAM。同时，可选用两种晶振，分别是频率为8kHz晶振、频率为32kHz晶振，而这两种晶振的使用价值更高。在步进电机运行过程中，为高效、精准改变其运行状态，分别对P1端口与P2端口进行设置，基于跳入中端服务程序，在判断按键状态的情况下，以判断结果为依据，对步进电机运行状态予以调整改变。此外，在步进电机处于运行状态时，为有效发挥PC上位机的控制功能对步进电机进行控制，需要设计控制模块，通过此模块有效控制两者之间的通信。

2.1.2LED模块

人机对话功能是步进电机控制系统的必备功能。为实现这一功能，可在具体设计时采用LED数码管，并运用按钮矩阵键盘，支持步进电机操作人员通过手动方式对此功能进行操作。当步进电机控制系统处于运行状态时，操作人员可利用键盘输入步进电机的转向数据、转速数据以及启停数据等，由LED数码管将步进电机运行过程的转向信息、转速信息等动态展示出来。同时，在设计环节，对单片机的工作量予以考虑，尽可能将其工作负荷降低，并采用集中控制方式，对键盘与LED数码管进行控制，保证前者输入效果与后者输出效果。此外，结合单片机控制系统设计需求，可在设计键盘输入方式时，设计防抖动功能，以防出现键盘误触的现象[2]。

2.1.3驱动模块

在单片机控制系统硬件电路设计中，驱动模块设计难度较大，其原因在于驱动模块需要实现较多功能。在设计时，首先，对脉冲分配器进行合理选择，具体可采用PMM8713脉冲分配器，其集成电路性能较强，具有较高的驱动能力，脉冲电流能达到20mA，不仅能在三相步进电机中应用，也能在四相步进电机中应用，可同时满足两种步进电机的运行要求。其次，对激励方式进行合理确定。现阶段，常用激励方式较多，具体需要根据实际情况而定，无论是三相步进电机，还是四相步进电机，都可采用1相激励方式、2相激励方式以及1～2相激励方式。同时，在输入方式的选择上，可选择单时钟方式与双时钟方式，无论何种方式，都具备正反转控制功能、输入脉冲监视功能等多样化功能，能充分满足实际需求[3]。

2.2程序软件设计

在程序软件设计环节，主要包括两项内容：一是单片机程序软件设计；二是PC上位机模块设计。相比之下，前者的设计难度较大，为保证单片机控制系统功能的有效发挥，需要对此部分内容加大重视。

2.2.1单片机程序软件

在单片机控制系统运行中，会产生脉冲信号，为对脉冲信号进行有效处理，可运用定时器以实现中断反应，对步进电机的步数、圈数予以准确计算，以计算结果为依据进行高效控制、准确控制。单片机程序软件运行流程主要包括四个环节，一是启动并初始化；二是按键中断；三是取键值并显示；四是方向键处理。如果在此过程中，出现按键未中断的情况，则持续初始化，单片机向控制模块传递控制指令，并通过LED数码管，将步进电机的转向数据、转速数据等实时显示出来。在设计单片机程序软件时，需要为P1端口与P2端口设计不同的功能，以此实现功能的针对性。例如：可为P1端口设计关闭程序软件的功能，通过推入堆线的方式对步进电机进行控制，使其停止；可为P2端口设计中断功能，以此发挥转向控制功能与转速控制功能等[4]。

2.2.2PC上位机模块

在具体设计中，应保证PC上位机模块具有良好控制功能，能实现对步进电机运行情况的有效控制。具体可采用MSP430单片机，其内部设有USART模块，发挥此模块的作用，能与PC上位机建立良好通信关系，并通过PC上位机串口，向单片机传送控制指令，以此实现对步进电机的控制。在控制指令被单片机接收后，可在预设模块临时存放控制指令，并针对控制指令与Flash的中断程序入口地址进行对比，如果得到一致结果，则中断，进而控制步进电机。但在设计过程中，需要注意的是，应采用频率为8kHz的晶振启动PC上位机，并结合实际需求对波特率进行合理设置。在设计完成后，应对单片机控制系统功能予以检测，例如：对步进电机输出转矩进行测算，明确静转矩最大值，并通过生成曲线图的形式，直观呈现静转矩最大值与电流的相关性，以此对单片机控制系统设计的可行性、科学性进行综合评估。

2.2.3STC89C52单片机控制系统软件设计

以STC89C52单片机为例，在其程序软件设计上，首先，需要在步进电机通电后复位，并初始化处理各项参数；其次，需要决定是否向程序软件传送数据，在决定向程序软件传送数据的情况下，驱动子程序软件；在无须向程序软件传送数据的情况下，保证程序处在初始态势。在设计主程序时，需要按照以下流程进行：一是开始，初始化处理程序软件；二是确定是否进行数据传送；三是驱动子程序；四是结束[5]。

步进电机的单片机控制系统程序软件需要具备三项功能。首先，位置控制功能。为实现位置的精确转换，需要对步进电机运行距离与绝对位置两项参数进行控制。其次，转速控制功能。通常情况下，可运用3种方法来控制步进电机的速度，一是软件延迟法；二是定时器控制法，发挥定时器作用，控制脉冲周期；三是延时法，延时处理子程序，以此对步进电机进行控制。相比之下，定时器控制法更为有效，其无须过多CPU，且不影响步进电机运行，在定时器处于运行状态时，能在发生故障问题的瞬间实现相位的智能化中断，以此控制步进电机转速，这种方式可起到良好的控制效果[6]。最后，加速、减速控制功能。通过分析步进电机运行状态下的运行频率能发现，无论是处于运行状态，还是处于停机状态，对频率都具有一定的要求。在步进电机运行过程中，其转速需要低于系统转速，以此保证稳定运行并在终点停止。一般而言，步进电机的启动频率相对较低，需要单片机控制系统发挥作用对步进电机的加速、减速进行控制。所以在软件设计阶段，应合理编程，记录、存储步进电机每一步的速度，生成加速曲线、减速曲线，进而以实际速度要求为依据进行计算，对步进电机予以控制[7]。

3结语

具体而言，为保证步进电机功能的正常发挥，相关人员应在明确步进电机结构与工作原理的基础上，对单片机控制系统进行合理设计：首先，合理设计系统硬件电路；其次，合理设计系统程序软件；最后，合理设计系统电源电路。现阶段，针对单片机控制系统的研究逐渐增多，为进一步扩大步进电机应用范围，还应持续深入研究，对单片机控制系统的设计要求进行全面掌握，以使步进电机总体性能质量提升。

参考文献

[1] 梁晓宇.步进电动机步距角误差测试系统解决方案实现[J].计量与测试技术，2023，50（9）：49-51.

[2] 李瑾，杨昌永.基于51单片机的步进电机调速控制风扇系统设计[J].机械工程与自动化，2023（2）：173-175，178.

[3] 谭人铭，张仁杰，江涛.基于STM32的步进电机位置闭环控制系统设计[J].黑龙江工业学院学报（综合版），2023，23（1）：58-62.

[4] 孟宝星，王成勤.基于三角函数拟合的改进型S型加减速算法设计[J].装备制造技术，2023（8）：21-27.

[5] 王磊.基于速度给定曲线的步进电机控制方法的研究[D].内蒙古科技大学，2021.

[6] 金波，杨俊，唐宇翔.基于DSP的步进电机控制系统设计研究[J].通信电源技术，2022，39（5）：21-23.

[7] 孟婥孙，志军，杜诚杰，等.基于改进自适应遗传算法的小径短绳自动打捆机步进电机PID控制[J].东华大学学报（自然科学版），2024（1）：63-69.