基于单片机控制的步进电机串行开环控制系统设计与实施探讨

秦树鑫

伟创力珠海制造有限公司

摘要：抗扰性能高于电脑的根据工业测控环境条件设计制成的芯片（单片机）在步进电机控制系统中广泛应用。控制电路不受负载位置反馈的开环控制简单易实现，价格较低。本文对控制系统采用单片机制成的开环控制步进电机结合案例进行讨论分析。

关键词：单片机；步进电机；串行；开环控制；

1引言

微控制器（MCU，单片机）以小体积、多功能、高性价等优势在工业生产中占有重要的一席之地。MCU上集成CPU、RAM、ROM、定时计数器、I/O电路、串行接口等部件于一体芯片，换而言之即为独一芯片上的电脑，其作为一个部件完美融入在工业应用中，被称为称为EmbeddedMicrocontroller（嵌入式控制器）。

作为一类角位移由电脉冲形成的动力机构系统，步进电机通过脉冲信号驱动，每次按照生产设计预定的方向转动一个或倍数个步进角（设计时设定的一个固定角度）。步进角个数决定角位移，而步进角个数由受控脉冲数控制。电机调速时，同样以脉冲频率控制电机转动加速度，从而达到影响电机转速的目的。现今各类步进电机均具备快速启停功能，其构成的自动动力系统一般无需反馈调节即可控制动力输出速度及位置，同时通常不积累位置上的系统误差。而且，这种电机系统具备通用匹配的特点，能直接兼容数组设备以收受外部数字信号控制。

尽管比起开环控制来说，闭环控制相对而言较为可靠，然而闭环控制步进电机构成动力系统成本高于开环系统，且有不小的概率诱发动机系统的持续机械振荡。同时，若有对系统动态性能上的考虑，则交、直流电机伺服系统是更好的选择。综合性价比、需求目标等因素考虑开环控制系统属于步进电动机控制系统的多数选择。

2对单片机开环控制步进电机统各部分的分析

2.1电机开环控制系统

步进电动机的控制方式中开环控制最简单的即是玎环控制系统。图1所示即为一种步进电机开环控制系统示意图。玎环控制下，脉冲电流作为电机控制的介质，其不受电机转子位置的影响。相反，控制器遵循某一个预定不变的频率、波形控制脉冲的发射，发出的固定的脉冲电流是电机工作的独一依据。这一控制方式下的步进电机，同样存在一些对控制器性能的要求，例如其务必精准照应各励磁变化周程。倘若励磁变化快至电机无法同步对应位移，则预计和实际坐标将存在一个不可控差距，极易造成电机失步等事故的发生。

图2步进电机控制器各组成部分及其联系

控制系统换向周期、CP脉冲频率的步进脉冲产生电路本质是控制电机的运行速度。系统中以延时、定时两种方式对转速予以控制，延时法为每次换向后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向；而通过单定时器系统定时发射任意时周信号以控制CP脉冲输出周期的方法被称为定时法。当取用定时中断方式控制电机转速变化时，本质为不断变化定时器装定数值，控制中，基于离散原理逼近理想中的降、升速曲线。

以专用芯片L297、L298为例，步进电机的驱动电路为固定斩波频率恒流斩波驱动，其适于单极性四相步进电机及双极性二相电机。在这一系统中，最高可承受电压达46V，而每相电流为2A，当2片L298、1片L297组合选配时，大功率二相步进电机足以进行驱动。

3实际案例分析

3.1一种串行口控制步进电机系统的设计

广泛应用于仪器仪表控制中作为工业计算机系统标准接口配置的正是串行接口这一技术标准。这种串行口通用RS232标准生产，其标定逻辑1电平范围取为-3至-15V，逻辑0电平取为与逻辑1电平相应的+3～+15V，且其具有8个常用信号。其中，收、发数据信号代号RXD、TXD，能直连通讯RS232串口设备；控制、检测MODEM信号代号RTS、DTR、CD、DSR、CTS、BELL，发挥通讯中联络、控制的用途。

通常采用嵌入式单片机控制系统经连串行口控制步进电机驱动，此时单片机系统接受来自于计算机的控制信号，而运动系统直接受控由单片机。这一方案相对灵活性不足，无法进行任意改变。单片机要同时接受计算机命令和发送状态给计算机，乃至于个别时候尚需人工操作复位。此时，若设计以串行口直接控制运动系统则可避免上述缺点。通过改变串口波特率，无需MCU，以RS232串口中控制Modem状态的输出信号、输入信号而控制运动方向及不同的读入位置，即可直接控制电机的转速变化。

RS232标准9针串口除发送、接受数据涉及的TxD/RxD信号之外，尚且兼容原意控制Modem所用RTS/CTS、DTR/DSR、DCD等信号。此时以其输出方向信号、读入位置信号并进行维度选择。其中，信号DTR为输出维度选择信号，当信号为“1”，则表示这时的所有位移信号输入、输出均在X一维，反之则处于Y一维；信号RTS为运动方向控制信号，对电机转动方向进行控制；其余输入信号如DCD、CTS、DSR等则用于控制限位、零位开关的输入。

3.2一种普通简易步进电机系统的设计

本次电机系统的设计中，通过单片机开发系统Keil软件在集成开发环境（uVision）中组合借用C编译器、宏汇编、连接器、库管理及仿真调试器。而EDA工具软件采用的是Labcenterelectronics公司（英）的Proteus，其同时对外围器件和单片机进行仿真。

在对于驱动电路以及显示电路的取用方面，该设计方案选择了驱动芯片林顿ULN2003和LED数码管。ULN2003实质为一类7路反向器电路，意思是输入端为低电平时，ULN2003输出端为高电平；而输入端为高电平时输出端则相对应成为低电平。其中2003为极电极开路驱动芯片，可以驱动4相步进电机，同时，用多个2.7K基极电阻分别对每一对达林顿都进行串联。5V电压的工作环境中足可以和CMOS及TTL电路予以直连，亦即可非间接处理原需的标准逻辑缓冲器。ULN2003属于大电流高压达林顿阵列晶体管系产品之一，特点包括强带负载能力、宽温度范围、高工作电压、高增益电流等，各类要求驱动高速、功率大的电机均适益使用。当然，这一芯片同样存在电机不变则无法转向的缺陷。采用数码管显示方案在设计中是一个硬件连接上的复杂处，在不同的应用场合下配合使用的芯片也不同，但是对于LCD液晶显示来说，在成本方面占较大优势。

考虑该设计在数据反馈方面的需求并不高，仅需象征性显示转速在数码管上，而成本方面对于LCD液晶显示方案有很大的倾向。因此以LED数码管作为显示电路部分。

硬件设计方面，以单片机发出电机控制脉冲，信号输出自单片机P1口，考虑选取两相电机，故电机的四根电线上仅需与P1口低四位P1.0至P1.3