單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有成本低、使用靈活的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人，定量進(jìn)給、工業(yè)自動(dòng)控制以及各種可控的有定位要求的機(jī)械工具等應(yīng)用領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號(hào)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(xiàn)性關(guān)系，再加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性誤差而無(wú)累積誤差，因此步進(jìn)電機(jī)適用于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是根據(jù)單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)進(jìn)行工作。因此，單片機(jī)通過(guò)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、鍵盤(pán)LED、驅(qū)動(dòng)/放大和PC上位機(jī)等4個(gè)模塊組成，其中PC機(jī)模塊是軟件控制部分，該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能：1)通過(guò)鍵盤(pán)啟動(dòng)/暫停步進(jìn)電機(jī)、設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向;2)通過(guò)LED管顯示步進(jìn)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等工作狀態(tài);3)實(shí)現(xiàn)三相或四相步進(jìn)電機(jī)的控制：4)通過(guò)PC上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制(啟停、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等)。為保護(hù)單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路，在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間增加過(guò)流保護(hù)電路。圖l為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊主要由MSP430FG4618單片機(jī)及外圍濾波、電源管理和晶振等電路組成。MSP430FG4618單片機(jī)內(nèi)部的8 KB RAM和116 KB Flash滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)要求，P1和P2端口在步進(jìn)電機(jī)工作過(guò)程中根據(jù)按鍵狀態(tài)判斷是否跳入中斷服務(wù)程序來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，USART模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC上位機(jī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)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(jī)、晶振電路和驅(qū)動(dòng)和功率放大電路供電。32 kHz晶振給單片機(jī)、鍵盤(pán)/顯示接口器件8279和脈沖分配器PMM8713提供時(shí)鐘;當(dāng)采用USART模塊時(shí)需開(kāi)啟8MHz晶振設(shè)置通信模塊。

2.2 鍵盤(pán)/LED模塊

為實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)擴(kuò)展了3x4按鈕矩陣鍵盤(pán)和4片8段LED數(shù)碼管，可手動(dòng)直接操作該控制系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，通過(guò)鍵盤(pán)輸入步進(jìn)電機(jī)的啟停、步數(shù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等，由LED管動(dòng)態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。鍵盤(pán)的輸入和LED管的輸出由8279進(jìn)行控制，減少單片機(jī)工作負(fù)擔(dān)。8279編程工作在鍵盤(pán)掃描輸入方式，讀入鍵盤(pán)時(shí)具有去抖動(dòng)功能，避免誤觸發(fā)。

?步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?是一個(gè)綜合性的項(xiàng)目，涉及硬件和軟件兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心控制器，通過(guò)發(fā)送脈沖信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是一種多極、多相、分步驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其工作原理是通過(guò)接收脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)按設(shè)定的方向、速度和步數(shù)進(jìn)行精確轉(zhuǎn)動(dòng)?1。

硬件設(shè)計(jì)

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

?步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路?：選擇適合的步進(jìn)電機(jī)，如NEMA 17等，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路通常采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，如L298等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的有效控制?1。

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

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

軟件設(shè)計(jì)

?初始化設(shè)置?：在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化設(shè)置，包括IO端口配置、定時(shí)器設(shè)置等。同時(shí)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)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(xiě)程序檢測(cè)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(hào)生成與控制?：根據(jù)解析出的控制指令，通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器或PWM模塊生成相應(yīng)的脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的頻率和數(shù)量決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。通過(guò)改變脈沖信號(hào)的極性，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制?1。

?狀態(tài)監(jiān)測(cè)與顯示?：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)信息，并通過(guò)顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，可添加故障檢測(cè)與報(bào)警功能，確保系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行?1。

應(yīng)用領(lǐng)域

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種需要精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，如機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備、精密儀器等。通過(guò)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確控制、靈活控制和可靠性高的特點(diǎn)?1。

單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有成本低、使用靈活的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人，定量進(jìn)給、工業(yè)自動(dòng)控制以及各種可控的有定位要求的機(jī)械工具等應(yīng)用領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號(hào)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(xiàn)性關(guān)系，再加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性誤差而無(wú)累積誤差，因此步進(jìn)電機(jī)適用于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是根據(jù)單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)進(jìn)行工作。因此，單片機(jī)通過(guò)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、鍵盤(pán)LED、驅(qū)動(dòng)/放大和PC上位機(jī)等4個(gè)模塊組成，其中PC機(jī)模塊是軟件控制部分，該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能：1)通過(guò)鍵盤(pán)啟動(dòng)/暫停步進(jìn)電機(jī)、設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向;2)通過(guò)LED管顯示步進(jìn)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等工作狀態(tài);3)實(shí)現(xiàn)三相或四相步進(jìn)電機(jī)的控制：4)通過(guò)PC上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制(啟停、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等)。為保護(hù)單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路，在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間增加過(guò)流保護(hù)電路。

步進(jìn)電機(jī)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(wú)意義的額定值，因?yàn)樗鞋F(xiàn)代驅(qū)動(dòng)器都是電流限制且驅(qū)動(dòng)電壓大大超過(guò)電機(jī)額定電壓。

制造商提供的數(shù)據(jù)表通常表示電感。反電動(dòng)勢(shì)同樣重要，但很少列出(使用示波器測(cè)量很簡(jiǎn)單)。這些數(shù)據(jù)有助于更深入的電子設(shè)計(jì)，偏離標(biāo)準(zhǔn)電源電壓，調(diào)整第三方驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備，或在選擇具有其他類(lèi)似尺寸，電壓和扭矩規(guī)格的電機(jī)型號(hào)時(shí)獲得洞察力。

步進(jìn)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(dòng)電路，尤其是驅(qū)動(dòng)電壓。

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

適用于惡劣環(huán)境的步進(jìn)電機(jī)通常被稱(chēng)為IP65等級(jí)。

美國(guó)國(guó)家電氣制造商協(xié)會(huì)(NEMA)標(biāo)準(zhǔn)化了步進(jìn)電機(jī)的各個(gè)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(shuō)明符來(lái)描述步進(jìn)電機(jī)，這些細(xì)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。