论文部分内容阅读
[摘 要]本研究从基础结构、驱动器组成部分两个角度对步进电机进行了简介，设计了步进电机单片机控制系统，构建了不同的步进电机加减速控制方案，对相关微机控制也开展了探究。本研究成果能够更好的指导实际步进电机控制系统的发展及运用。
[关键词]步进电机；单片机；控制系统；加减速控制
中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）20-0060-01
最为一种重要的机电元件，步进电机的定角转动原理在于借助电脉冲信号对相绕组电流进行控制，该执行元件属于开伺服系统。步进电机不同于其他电机，优势更加明显，包括不存在积累误差，开环精准控制较为简便，因此运用相对普遍。就当前研究发展现状来看，可以采用多种方式对步进电机进行控制，由于该电机具有较强的适用性、灵活性及操控性，而单片机这种特殊的控制器存在于可编程控制器、工控计算机二者中之中，所以能夠选用PLC控制、传统控制法中的任一种。其中，PLC凭借轻质、占用量小及费用低等优势不断转变为关键控制步进电机的装置，传统模拟控制法被基于单片机下的数字控制法所替代，形成了全新的电机控制法。
一、步进电机的结构和驱动器构成
控制器CP脉冲的接收装置为环形分配器，其可以参考步进电机的状态转换次序，规定形成各相截止信号、导通，经过处理器及信号放大器的加工，该信号得到了放大，从而得以进入推动级[1]。针对小信号进行放大，使放大后的输入信号，能够对功率放大器进行推动，并完成转换电平的操作，这个过程即为推动级的功能。电动机各相绕组可以同功率放大器连接起来，后者可以对推动级信号进行接收，也可以控制截止、导通电动机各相绕组。
单片机下的反应式步进电机包括永磁感应子式、永磁式及反应式三种类型，拥有多个优势，例如：频率响应速度较快、惯性比较高、使用时间长、结构简便化、允许双向旋转等等。
二、步进电机单片机控制系统的设计
在设计步进电机单片控制系统的过程中，必须要确保该控制系统满足操作简便、人机交互界面良好的要求，并达到了对步进电机转动角、转速及转向的可控性要求。
软件、硬件是组成步进电机单片控制系统的两大重要部分，其中驱动单元、输入单元、显示器及单片机共同组成了系统的硬件部分；而系统软件部分的具体结构图详见图1，其承担着控制步进电机转向记忆转动角、输入部分和转速的任务，同时还应具备控制显示部分的作用，即能够将步进电机的转动角度、转向、转动速度及转动时间等信息进行实时性的显示[2]。软件设计过程中，在编写单片机AT89S 51时需要借助计算机，由此可以确保控制系统拥有简洁、易读的优点，实现结构的最简化。
1）步进电机的工作流程。系统针对步进电机进行控制的基本原理为：基于单片机内对控制程序进行编写，连接电源后对单片机程序进行运行，特定波形脉冲能够在IO输出口进行发送，从而实现对步进电机不同动作的针对性操控。在这个过程中，步进电机的运行状态也能够在显示器中进行显示。
当步进电机处于运行状态下，要想对其开展灵活的控制，应将输入模块安装至单片机中，由此来调整各项操作参数，达到实时性控制步进电机的目的。这就要求要将P1接口在单片机中进行预留，便于对外部输入模块进行接入，并使参数输出模块同P2接口相连。即使在缺少外部电路的情况下，也能够输出、输入参数，大大提升了控制系统的可见性、操作性。在输出脉冲信号的过程中，需要将四个引脚接至单片机P3接口，步进电机在脉冲信号的控制下进行驱动，完成各项电机动作。
2）控制系统的软件设计。步进电机控制系统一方面要拥有完善的硬件结构，另一方面也要确保软件性能的优异性，并对其中隐藏的问题进行挖掘和分析。
3）若一些参数关系到特殊产品的电路可靠性，当出现设计窗口不宽，从而影响匹配工艺窗口的问题，需要针对设计窗口调整为内控规范，确保报警功能的良好，使产品工程师能够提高警惕，严格处理和操作。
4）若产品进入了投产阶段，这时发现存在PCM设计、工艺无法很好匹配的问题，理论上要根据工艺开展设计工作，因此一旦二者不匹配，就要对设计进行修改[3]。然而设计修改工作需要耗费较长的时间，所以没有结束新设计工作的过程中，也要合理化的调整工艺，以此使工作效率得到提升。
三、步进电机的加减速控制
对于步进电机控制系统而言，通常极限起动频率不高，都是规定运行速度较大，若控制系统在规定速度下开始运行，因为这一速度比极限启动频率要大，所以必然无法稳定运行，存在无法正常工作、丢步的隐患。系统到终点后，若在终点时刻，马上停发脉冲串，发出停止的指令，在惯性作用下，系统会出现超出终点的状况。所以，基于步进电机控制系统内，系统运行速度都会按照加速、恒速、减速、低恒速、停止的顺序开展。
系统运行速度在升速阶段，开始速度≤极限起动频率要小，并非从0起；在减速阶段，运行速度同起动速度相一致，也可以稍微小于起动速度，保持低速后会停止运行；在升速、降速的过程中，会应用按指数规律、按直线规律两种升降速方式，其中，在按指数规律升降速法下，加速度呈现不断降低的趋势，同电动机输出转矩响应速度变化规律相近似，可以对步进电机有效转矩进行有效运用，具有耗时短、响应速度快的优点；而在按直线规律升降速法下，加速度使固定的，因此具有良好的平稳程度，速度波动大的快速定位时主要采用这种方式，具有软件简便和可行性高的优点。
针对步进电机的加减速控制，能够借助微机来实现，主要是对输出脉冲时间间隔进行调整，减速、升速时分别对脉冲串进行不断稀疏、加密处理[4]。步进电机速度的变化依靠的是微机中断定时器，对其装载值进行调整，借助离散法达到最佳的升降速曲线。
结论
借助单片机能够高效完成步进电机的不同操作，达到工作目标，能够灵活、简便的控制步进电机的位置、速度。本研究对单片机中反应式步进电机原理进行了分析，发现通过这种速度调控法能够改善工作效率，使步进电机起始和停耗时降低，也能够提升运行部件的稳定程度和机床的定位准确性，能够在数控机床和工业自动化装备中进行运用。
参考文献
[1]古志坚.基于单片机的步进电机控制系统研究[D].华南理工大学，2013.
[2]张新丽.基于单片机控制的电子自动安平激光扫平仪的研制[D].西安理工大学，2007.
[3]赵轶彦.步进电机的智能控制在自动聚焦中的应用研究[D].太原理工大学，2008.
[4]刘炳良.“利用单片机控制步进电机”的项目法教学思路[J].中国高新技术企业，2007（08）：126-127.
作者简介
熊旻燕（1982.5），女，汉族，四川宜宾人，硕士学位，武汉铁路职业技术学院讲师，研究方向：电子信息工程，信号与信息处理，嵌入式技术，自动化技术
[关键词]步进电机；单片机；控制系统；加减速控制
中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）20-0060-01
最为一种重要的机电元件，步进电机的定角转动原理在于借助电脉冲信号对相绕组电流进行控制，该执行元件属于开伺服系统。步进电机不同于其他电机，优势更加明显，包括不存在积累误差，开环精准控制较为简便，因此运用相对普遍。就当前研究发展现状来看，可以采用多种方式对步进电机进行控制，由于该电机具有较强的适用性、灵活性及操控性，而单片机这种特殊的控制器存在于可编程控制器、工控计算机二者中之中，所以能夠选用PLC控制、传统控制法中的任一种。其中，PLC凭借轻质、占用量小及费用低等优势不断转变为关键控制步进电机的装置，传统模拟控制法被基于单片机下的数字控制法所替代，形成了全新的电机控制法。
一、步进电机的结构和驱动器构成
控制器CP脉冲的接收装置为环形分配器，其可以参考步进电机的状态转换次序，规定形成各相截止信号、导通，经过处理器及信号放大器的加工，该信号得到了放大，从而得以进入推动级[1]。针对小信号进行放大，使放大后的输入信号，能够对功率放大器进行推动，并完成转换电平的操作，这个过程即为推动级的功能。电动机各相绕组可以同功率放大器连接起来，后者可以对推动级信号进行接收，也可以控制截止、导通电动机各相绕组。
单片机下的反应式步进电机包括永磁感应子式、永磁式及反应式三种类型，拥有多个优势，例如：频率响应速度较快、惯性比较高、使用时间长、结构简便化、允许双向旋转等等。
二、步进电机单片机控制系统的设计
在设计步进电机单片控制系统的过程中，必须要确保该控制系统满足操作简便、人机交互界面良好的要求，并达到了对步进电机转动角、转速及转向的可控性要求。
软件、硬件是组成步进电机单片控制系统的两大重要部分，其中驱动单元、输入单元、显示器及单片机共同组成了系统的硬件部分；而系统软件部分的具体结构图详见图1，其承担着控制步进电机转向记忆转动角、输入部分和转速的任务，同时还应具备控制显示部分的作用，即能够将步进电机的转动角度、转向、转动速度及转动时间等信息进行实时性的显示[2]。软件设计过程中，在编写单片机AT89S 51时需要借助计算机，由此可以确保控制系统拥有简洁、易读的优点，实现结构的最简化。
1）步进电机的工作流程。系统针对步进电机进行控制的基本原理为：基于单片机内对控制程序进行编写，连接电源后对单片机程序进行运行，特定波形脉冲能够在IO输出口进行发送，从而实现对步进电机不同动作的针对性操控。在这个过程中，步进电机的运行状态也能够在显示器中进行显示。
当步进电机处于运行状态下，要想对其开展灵活的控制，应将输入模块安装至单片机中，由此来调整各项操作参数，达到实时性控制步进电机的目的。这就要求要将P1接口在单片机中进行预留，便于对外部输入模块进行接入，并使参数输出模块同P2接口相连。即使在缺少外部电路的情况下，也能够输出、输入参数，大大提升了控制系统的可见性、操作性。在输出脉冲信号的过程中，需要将四个引脚接至单片机P3接口，步进电机在脉冲信号的控制下进行驱动，完成各项电机动作。
2）控制系统的软件设计。步进电机控制系统一方面要拥有完善的硬件结构，另一方面也要确保软件性能的优异性，并对其中隐藏的问题进行挖掘和分析。
3）若一些参数关系到特殊产品的电路可靠性，当出现设计窗口不宽，从而影响匹配工艺窗口的问题，需要针对设计窗口调整为内控规范，确保报警功能的良好，使产品工程师能够提高警惕，严格处理和操作。
4）若产品进入了投产阶段，这时发现存在PCM设计、工艺无法很好匹配的问题，理论上要根据工艺开展设计工作，因此一旦二者不匹配，就要对设计进行修改[3]。然而设计修改工作需要耗费较长的时间，所以没有结束新设计工作的过程中，也要合理化的调整工艺，以此使工作效率得到提升。
三、步进电机的加减速控制
对于步进电机控制系统而言，通常极限起动频率不高，都是规定运行速度较大，若控制系统在规定速度下开始运行，因为这一速度比极限启动频率要大，所以必然无法稳定运行，存在无法正常工作、丢步的隐患。系统到终点后，若在终点时刻，马上停发脉冲串，发出停止的指令，在惯性作用下，系统会出现超出终点的状况。所以，基于步进电机控制系统内，系统运行速度都会按照加速、恒速、减速、低恒速、停止的顺序开展。
系统运行速度在升速阶段，开始速度≤极限起动频率要小，并非从0起；在减速阶段，运行速度同起动速度相一致，也可以稍微小于起动速度，保持低速后会停止运行；在升速、降速的过程中，会应用按指数规律、按直线规律两种升降速方式，其中，在按指数规律升降速法下，加速度呈现不断降低的趋势，同电动机输出转矩响应速度变化规律相近似，可以对步进电机有效转矩进行有效运用，具有耗时短、响应速度快的优点；而在按直线规律升降速法下，加速度使固定的，因此具有良好的平稳程度，速度波动大的快速定位时主要采用这种方式，具有软件简便和可行性高的优点。
针对步进电机的加减速控制，能够借助微机来实现，主要是对输出脉冲时间间隔进行调整，减速、升速时分别对脉冲串进行不断稀疏、加密处理[4]。步进电机速度的变化依靠的是微机中断定时器，对其装载值进行调整，借助离散法达到最佳的升降速曲线。
结论
借助单片机能够高效完成步进电机的不同操作，达到工作目标，能够灵活、简便的控制步进电机的位置、速度。本研究对单片机中反应式步进电机原理进行了分析，发现通过这种速度调控法能够改善工作效率，使步进电机起始和停耗时降低，也能够提升运行部件的稳定程度和机床的定位准确性，能够在数控机床和工业自动化装备中进行运用。
参考文献
[1]古志坚.基于单片机的步进电机控制系统研究[D].华南理工大学，2013.
[2]张新丽.基于单片机控制的电子自动安平激光扫平仪的研制[D].西安理工大学，2007.
[3]赵轶彦.步进电机的智能控制在自动聚焦中的应用研究[D].太原理工大学，2008.
[4]刘炳良.“利用单片机控制步进电机”的项目法教学思路[J].中国高新技术企业，2007（08）：126-127.
作者简介
熊旻燕（1982.5），女，汉族，四川宜宾人，硕士学位，武汉铁路职业技术学院讲师，研究方向：电子信息工程，信号与信息处理，嵌入式技术，自动化技术