單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)具有成本低、使用靈活的特點，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人，定量進給、工業(yè)自動控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等應(yīng)用領(lǐng)域。步進電機是數(shù)字控制電機，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，非超載狀態(tài)下，根據(jù)上述線性關(guān)系，再加上步進電機只有周期性誤差而無累積誤差，因此步進電機適用于單片機控制。步進電機通過輸入脈沖信號進行控制，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路是根據(jù)單片機產(chǎn)生的控制信號進行工作。因此，單片機通過向步進電機驅(qū)動電路發(fā)送控制信號就能實現(xiàn)對步進電機的控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

步進電機控制系統(tǒng)主要由單片機、鍵盤LED、驅(qū)動/放大和PC上位機等4個模塊組成，其中PC機模塊是軟件控制部分，該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能：1)通過鍵盤啟動/暫停步進電機、設(shè)置步進電機的轉(zhuǎn)速和改變步進電機的轉(zhuǎn)向;2)通過LED管顯示步進的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等工作狀態(tài);3)實現(xiàn)三相或四相步進電機的控制：4)通過PC上位機實現(xiàn)對步進電機的控制(啟停、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等)。為保護單片機控制系統(tǒng)硬件電路，在單片機和步進電機之間增加過流保護電路。圖l為步進電機控制系統(tǒng)框圖。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 單片機模塊

單片機模塊主要由MSP430FG4618單片機及外圍濾波、電源管理和晶振等電路組成。MSP430FG4618單片機內(nèi)部的8 KB RAM和116 KB Flash滿足控制系統(tǒng)的存儲要求，P1和P2端口在步進電機工作過程中根據(jù)按鍵狀態(tài)判斷是否跳入中斷服務(wù)程序來改變步進電機的工作狀態(tài)，USART模塊實現(xiàn)單片機和PC上位機之間的通信，實現(xiàn)PC機對步進電機控制。電源管理電路提供穩(wěn)定的3.3 V和5 V電壓，分別給單片機、晶振電路和驅(qū)動和功率放大電路供電。32 kHz晶振給單片機、鍵盤/顯示接口器件8279和脈沖分配器PMM8713提供時鐘;當(dāng)采用USART模塊時需開啟8MHz晶振設(shè)置通信模塊。

2.2 鍵盤/LED模塊

為實現(xiàn)人機對話，該系統(tǒng)設(shè)計擴展了3x4按鈕矩陣鍵盤和4片8段LED數(shù)碼管，可手動直接操作該控制系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，通過鍵盤輸入步進電機的啟停、步數(shù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等，由LED管動態(tài)顯示步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。鍵盤的輸入和LED管的輸出由8279進行控制，減少單片機工作負(fù)擔(dān)。8279編程工作在鍵盤掃描輸入方式，讀入鍵盤時具有去抖動功能，避免誤觸發(fā)。

?步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計?是一個綜合性的項目，涉及硬件和軟件兩個方面的設(shè)計。該系統(tǒng)以單片機為核心控制器，通過發(fā)送脈沖信號來控制步進電機的運動。步進電機是一種多極、多相、分步驅(qū)動電機，其工作原理是通過接收脈沖信號來驅(qū)動電機按設(shè)定的方向、速度和步數(shù)進行精確轉(zhuǎn)動?1。

硬件設(shè)計

?單片機選型?：根據(jù)項目需求和性能要求，選擇合適的單片機型號，如AT89S51等。單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)接收輸入信號、處理數(shù)據(jù)并輸出控制信號?1。

?步進電機與驅(qū)動電路?：選擇適合的步進電機，如NEMA 17等，并設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動電路。驅(qū)動電路通常采用電機驅(qū)動芯片，如L298等，以實現(xiàn)對步進電機的有效控制?1。

?按鍵與顯示模塊?：設(shè)計按鍵電路，用于用戶輸入控制指令，如啟停、正反轉(zhuǎn)等。同時，可添加LED數(shù)碼管或液晶顯示屏等顯示模塊，用于實時顯示步進電機的狀態(tài)信息?1。

?電源模塊?：為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，確保單片機、步進電機及驅(qū)動電路等各個部分的正常工作?1。

軟件設(shè)計

?初始化設(shè)置?：在系統(tǒng)啟動時，對單片機進行初始化設(shè)置，包括IO端口配置、定時器設(shè)置等。同時，對步進電機進行初始化，確定其初始位置和狀態(tài)?1。

?按鍵處理與指令解析?：編寫程序檢測按鍵輸入，并根據(jù)不同的按鍵組合解析出相應(yīng)的控制指令，如啟停、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等?1。

?脈沖信號生成與控制?：根據(jù)解析出的控制指令，通過單片機的定時器或PWM模塊生成相應(yīng)的脈沖信號。脈沖信號的頻率和數(shù)量決定了步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動角度。通過改變脈沖信號的極性，可以實現(xiàn)步進電機的正反轉(zhuǎn)控制?1。

?狀態(tài)監(jiān)測與顯示?：實時監(jiān)測步進電機的狀態(tài)信息，并通過顯示模塊進行實時顯示。同時，可添加故障檢測與報警功能，確保系統(tǒng)的安全可靠運行?1。

應(yīng)用領(lǐng)域

步進電機控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種需要精確控制轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)速的場合，如機器人、自動化設(shè)備、精密儀器等。通過基于單片機的控制系統(tǒng)設(shè)計，可以實現(xiàn)步進電機的精確控制、靈活控制和可靠性高的特點?1。

單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)具有成本低、使用靈活的特點，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人，定量進給、工業(yè)自動控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等應(yīng)用領(lǐng)域。步進電機是數(shù)字控制電機，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，非超載狀態(tài)下，根據(jù)上述線性關(guān)系，再加上步進電機只有周期性誤差而無累積誤差，因此步進電機適用于單片機控制。步進電機通過輸入脈沖信號進行控制，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路是根據(jù)單片機產(chǎn)生的控制信號進行工作。因此，單片機通過向步進電機驅(qū)動電路發(fā)送控制信號就能實現(xiàn)對步進電機的控制。

步進電機控制系統(tǒng)主要由單片機、鍵盤LED、驅(qū)動/放大和PC上位機等4個模塊組成，其中PC機模塊是軟件控制部分，該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能：1)通過鍵盤啟動/暫停步進電機、設(shè)置步進電機的轉(zhuǎn)速和改變步進電機的轉(zhuǎn)向;2)通過LED管顯示步進的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等工作狀態(tài);3)實現(xiàn)三相或四相步進電機的控制：4)通過PC上位機實現(xiàn)對步進電機的控制(啟停、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等)。為保護單片機控制系統(tǒng)硬件電路，在單片機和步進電機之間增加過流保護電路。

步進電機工工的銘牌通常只給出繞組電流，偶爾也給出電壓和繞組電阻額定電壓將產(chǎn)生DC的額定繞組電流：但這主要是無意義的額定值，因為所有現(xiàn)代驅(qū)動器都是電流限制且驅(qū)動電壓大大超過電機額定電壓。

制造商提供的數(shù)據(jù)表通常表示電感。反電動勢同樣重要，但很少列出(使用示波器測量很簡單)。這些數(shù)據(jù)有助于更深入的電子設(shè)計，偏離標(biāo)準(zhǔn)電源電壓，調(diào)整第三方驅(qū)動電子設(shè)備，或在選擇具有其他類似尺寸，電壓和扭矩規(guī)格的電機型號時獲得洞察力。

步進器的低速扭矩將隨電流直接變化。扭矩在更快的速度下下降的速度取決于繞組電感及其所連接的驅(qū)動電路，尤其是驅(qū)動電壓。

步進器的尺寸應(yīng)根據(jù)公布的扭矩曲線確定，曲線扭矩制造由商在特定驅(qū)動電壓下或使用其自身的驅(qū)動電路指定。扭矩曲線中的下降表明可能存在共振，設(shè)計者該 解其對應(yīng)用的影響。

適用于惡劣環(huán)境的步進電機通常被稱為IP65等級。

美國國家電氣制造商協(xié)會(NEMA)標(biāo)準(zhǔn)化了步進電機的各個方面。它們通常用NEMA DD表示，其中DD是面板的直徑，以英寸乘以10(例如，NEMA 17的直徑為1.7英寸)。還有其他說明符來描述步進電機，這些細節(jié)可以在ICS 16-2001標(biāo)準(zhǔn)(第4.3.1.1節(jié)) )節(jié))中找到。有關(guān)的的RepRap網(wǎng)站的有用摘要和更多信息。