謝正剛

摘 要：本文主要研究步進電機的自動化控制，首先介紹了步進電機的工作原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了對應(yīng)的硬件電路，通過ULN2003芯片驅(qū)動其運轉(zhuǎn)，最后通過設(shè)計專門的軟件流程來實現(xiàn)對單片機運轉(zhuǎn)的自動控制。

關(guān)鍵詞：步進電機；自動化；單片機

一、步進電機的工作原理

步進電機有很多種，按照不同的實現(xiàn)原理可以分為反應(yīng)式、永磁式、永磁感應(yīng)式三類，不同類型的步進電機通過不同的工作原理，來實現(xiàn)相同的制動動力，最終實現(xiàn)了步進電機以固定的旋轉(zhuǎn)角為基本步長的動力類型。三類步進電機可以實現(xiàn)不同的旋轉(zhuǎn)角，以磁阻式步進電機為例，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角為1°到

15°，甚至更小的步距角，有效地為其他提供了固定步距的動力。如圖1所示，為三相步進電機的工作原理圖。

如圖所示，三相步進電機是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，二者之間通過磁場力來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子按照固定步距的旋轉(zhuǎn)。如圖可知，三相步進電機定子分別為AABBCC，如果對其依次通電，那么A定子對應(yīng)的轉(zhuǎn)子為了使磁阻最小，就會帶動轉(zhuǎn)子使其與A對其，如果此時停止對A通電，對B開始通電，那么與B對應(yīng)的轉(zhuǎn)子為了減少磁阻而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與B對其，以此類推即可知道，如果對轉(zhuǎn)子的通電順序和時間間隔都是固定的，那么轉(zhuǎn)子就會在固定的時間內(nèi)，按照固定的旋轉(zhuǎn)角度帶動轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)，進而提供固定旋轉(zhuǎn)角度的動力。

二、步進電機的自動化控制

由步進電機的工作原理可知，主要連續(xù)地對定子進行有序的固定時長的通電，那么步進電機就會按照一定的旋轉(zhuǎn)角度和選裝方向進行轉(zhuǎn)動。如果改變通電時間間隔，那么步進電機旋轉(zhuǎn)的每一步之間的時間間隔就會發(fā)生變化，如果對定子通電的順序發(fā)生變化，那么轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向就會發(fā)生變化，對外界產(chǎn)生的動力也就隨之產(chǎn)生變化。單片機是常見的產(chǎn)生產(chǎn)生脈沖信號的有效控制器件，而51系列的單片機以其價格低、性能高、穩(wěn)定性好而在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對于步進電機的自動化控制，主要思想就是通過單片機生成穩(wěn)定的脈沖信號，通過脈沖信號驅(qū)動步進電機的通電狀態(tài)來實現(xiàn)其自動化控制，而人為地通過編程，來控制脈沖信號的頻率、占空比以及其他特性，來實現(xiàn)對步進電機的旋轉(zhuǎn)方向、步長時間的有效控制。

（一）單片機控制步進電機的硬件設(shè)計圖。使用單片機對步進電機進行控制，主要是通過AT89C51數(shù)據(jù)輸入輸出端口連接到步進電機，為步進電機發(fā)送脈沖信號即可。如圖2所示，為基于AT89C51單片機實現(xiàn)步進電機自動化控制的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。

由圖2.可知，步進電機的自動化控制主要由AT89C51完成，通過該單片機的數(shù)據(jù)輸入輸出端口，連接ULN2003芯片，進而連接到步進電機來驅(qū)動該電機運轉(zhuǎn)。由于AT89C51單片機屬于低電壓驅(qū)動的COMS控制器，數(shù)據(jù)輸出信號的功率較小，不能直接驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)，需要有ULN2003芯片最為步進電機的驅(qū)動芯片，將單片機的功率較小的脈沖信號進行放大，進而驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)。

（二）單片機的軟件流程邏輯設(shè)計。步進電機的控制，最終是通過單片機生成數(shù)字脈沖信號來實現(xiàn)，而單片機生成脈沖信號，則是通過人為的編程來實現(xiàn)，按照步進電機控制系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)邏輯，可以為單片機進行編程。

單片機的軟件流程設(shè)計，目標(biāo)是為了配合硬件電路，生成脈沖信號實現(xiàn)對步進電機的控制。首先，對單片機內(nèi)部的各個組件進行初始化設(shè)置，如對連接ULN2003芯片的端口設(shè)置成數(shù)據(jù)輸出端口，對開關(guān)控制連接的端口設(shè)置成數(shù)據(jù)接收端口，并且對定時器進行初始化操作，對單片機外的各種工作芯片發(fā)送控制字，使其處在工作狀態(tài)，然后檢測步進電機的工作狀態(tài)，如果處在停止?fàn)顟B(tài)，則可開始發(fā)送控制脈沖，使其工作。

數(shù)字脈沖的生成原理，可以采用最近本的時間控制改變輸出端口電壓的原理，即在ULN2003芯片連接端口，首先使其處在高電壓，然后啟動定時器，當(dāng)定時器到達固定時間后，在為該端口發(fā)送電壓，在初始化定時器并且啟動計時，當(dāng)?shù)竭_固定時間后，再將其變成高電壓，周而復(fù)始，實現(xiàn)數(shù)字脈沖的信號的生產(chǎn)，進而控制步進電機運轉(zhuǎn)。

總結(jié)：步進電機的自動化控制，主要是通過單片機生成脈沖信號，通過ULN2003芯片驅(qū)動步進電機自動旋轉(zhuǎn)，進而產(chǎn)生動力。所以在實現(xiàn)步進電機的自動化控制系統(tǒng)時，需要設(shè)計相應(yīng)的硬件電路，使ULN2003芯片連接步進電機，并且在單片機編程，通過定時器定時改變輸出端口電壓來實現(xiàn)脈沖信號生成，進而控制步進電機運轉(zhuǎn)。

參考文獻：

[1] 成新. 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)研究[J]. 電子技術(shù)與軟件工程. 2015（05）