黃華飛

摘 要：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行元件。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有成本低、易于實(shí)現(xiàn)、控制精度高、使用靈活等特點(diǎn)。文章采用AT89C51 單片機(jī)制作步進(jìn)電機(jī)控制器，并基于C 語(yǔ)言進(jìn)行控制器的軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：AT89C51；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)控制器；C語(yǔ)言

目前，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在很多部件都有應(yīng)用，由于它運(yùn)行比較平穩(wěn)，精度高，便于控制，在很多領(lǐng)域被用作驅(qū)動(dòng)部件。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移，也就是說(shuō)，施加一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，它不像普通電機(jī)是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，它的轉(zhuǎn)動(dòng)是不連續(xù)的，而在很多部件和場(chǎng)合中需要這種不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)，比如在鐘表領(lǐng)域、機(jī)器人領(lǐng)域以及一些自動(dòng)化部件中，就目前來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)的控制主要由單片機(jī)來(lái)控制，通過(guò)編寫(xiě)C語(yǔ)言程序來(lái)執(zhí)行，但是這種方法相對(duì)來(lái)講成本比較高。為此，本文針對(duì)此現(xiàn)狀制作一種成本低廉，容易制作的步進(jìn)電機(jī)控制器。

1 步進(jìn)電機(jī)工作原理

1.1 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

一般地，步進(jìn)電機(jī)由兩部分組成，定子和轉(zhuǎn)子，這是步進(jìn)電機(jī)主要的結(jié)構(gòu)，和普通電機(jī)一樣。本次設(shè)計(jì)使用到的是一個(gè)三相步進(jìn)電機(jī)，在電機(jī)上面總共有3對(duì)磁極，總共6個(gè)磁極，磁極都是在定子上，在每個(gè)磁極上都有線圈，并且一對(duì)磁極的線圈是相同的，也就是三相中的一相。同樣的，我們也可以知道4相電機(jī)有幾個(gè)磁極。

前面我們分析了在定子上有磁極，其實(shí)在轉(zhuǎn)子上也有磁極，定子上磁場(chǎng)是由線圈通電產(chǎn)生的，而在轉(zhuǎn)子上的磁極是由永磁體產(chǎn)生的，這些磁極也被叫作轉(zhuǎn)子小齒，并且相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)子小齒就是所謂的齒距，步進(jìn)電機(jī)每次運(yùn)行的最大角度就是一個(gè)齒距。在步進(jìn)電機(jī)中，還有一個(gè)概念就是對(duì)齒，所謂對(duì)齒就是指轉(zhuǎn)子的磁極與定子的磁極正好正對(duì)；同樣的，有對(duì)齒就會(huì)有不正對(duì)的情況，這種情況我們稱(chēng)之為錯(cuò)齒，在步進(jìn)電機(jī)中，錯(cuò)齒是必須要存在的，否則步進(jìn)電機(jī)將不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 步進(jìn)工作過(guò)程分析

通常來(lái)說(shuō)，就工作原理來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)與電磁鐵差不多。下面具體來(lái)分析步進(jìn)電機(jī)的工作過(guò)程：

當(dāng)給相線圈通電時(shí)，在相線圈上會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，然后與此時(shí)通電的線圈相隔最近的轉(zhuǎn)子上的齒就會(huì)在磁場(chǎng)力的作用下被吸引，轉(zhuǎn)到和通電的線圈正對(duì)著的位置上去。

本例中是以三相異步電機(jī)為例來(lái)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的說(shuō)明的，同樣的，在前面電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度與其中一個(gè)磁極正對(duì)的時(shí)候，如果通電的線圈不發(fā)生改變，就會(huì)一直鎖死在這個(gè)位置，也就是常說(shuō)的自鎖現(xiàn)象，這里需要按順序給相鄰的一個(gè)磁極進(jìn)行通電，同樣在這相線圈上就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引相近的轉(zhuǎn)子上的齒沿與通電線圈正對(duì)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)；正對(duì)之后，此相線圈斷電，給下一相線圈進(jìn)行通電，同樣的原理，相鄰的齒會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度與通電線圈正對(duì)。

上面就是三相異步電機(jī)的一個(gè)完成的工作過(guò)程，也就是完成一個(gè)循環(huán)了，當(dāng)再次給首先通電的線圈進(jìn)行二次通電時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)新的工作循環(huán)，如此反復(fù)。

三相步進(jìn)電機(jī)的基本的工作過(guò)程就如上面所述，通過(guò)給三相線圈輪流加電，導(dǎo)致磁場(chǎng)輪流產(chǎn)生，進(jìn)而不斷產(chǎn)生錯(cuò)齒，不斷向正對(duì)著的方向運(yùn)動(dòng)，這樣的特性使得步進(jìn)電機(jī)在很多場(chǎng)合得到了應(yīng)用，而且通過(guò)控制通電次數(shù)和通電時(shí)間，就能很方便的控制電機(jī)，精度高，穩(wěn)定性好，原理比較簡(jiǎn)單，可以很方便實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向，通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)的通電順序，便可以得到不同的轉(zhuǎn)向。

2 元器件介紹

本次控制器的制作是基于單片機(jī)控制的，以單片機(jī)為核心，在制作時(shí)選擇的單片機(jī)型號(hào)為AT89C51。對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的選擇，本次制作中選用的是D306型的，是一種三相混合式的。

3 步進(jìn)電機(jī)控制器制作

一般地，步進(jìn)電機(jī)的控制部分是比較關(guān)鍵的，它的性能好壞直接影響著步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其控制系統(tǒng)的組成通常包括了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制器以及步進(jìn)電機(jī)，這是一個(gè)完整的部分，每一部分都不可缺少。

3.1 硬件線路部分的連接

硬件部分的連接主要是指控制系統(tǒng)的三個(gè)組成部分之間的線路連接，它是保障步進(jìn)電機(jī)按照指定規(guī)則正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件和基礎(chǔ)。對(duì)于硬件部分的連接接口，下面針對(duì)每個(gè)端口進(jìn)行詳細(xì)的介紹和說(shuō)明：

OPTO：在這個(gè)端口需要接+5V的電源；

CP：這個(gè)端口是脈沖電信號(hào)的接入端，一般是低電平為有效；

DIR：這個(gè)端口負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向的調(diào)控，連線時(shí)如果跟單片機(jī)的地線連接，也就是低電平時(shí)，表示運(yùn)行方向會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)；

FREE：這個(gè)端口表示脫機(jī)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)的電源將不會(huì)工作；

GND：地線的引腳；

VCC：電源的引腳；

3.2 軟件部分的設(shè)計(jì)

在步進(jìn)電機(jī)的控制器中，需要進(jìn)行處理并輸出的信號(hào)為各種脈沖信號(hào)以及控制電機(jī)的運(yùn)行方向的方向信號(hào)，通過(guò)這些脈沖信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正常、高效運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)方向信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行方向。一般來(lái)說(shuō)，方向信號(hào)分為高低電平兩種信號(hào)，對(duì)于脈沖信號(hào)，主要也有兩種。

一般地，步進(jìn)電機(jī)在其啟動(dòng)和停止時(shí)，一般都會(huì)有一個(gè)加速和減速過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，加速度控制的越小，其運(yùn)行相對(duì)來(lái)說(shuō)就比較平穩(wěn)，穩(wěn)定性好。是步進(jìn)電機(jī)從啟動(dòng)到停止的速度變化曲線，展示了整個(gè)工作過(guò)程。

一般地，可以先是加速到一定速度，然后穩(wěn)定運(yùn)行，這是正常工作時(shí)的速度，停止時(shí)，先是減速到低速狀態(tài)，而不是馬上將速度減到零。

4 結(jié)語(yǔ)

步進(jìn)電機(jī)由于精度高，運(yùn)行穩(wěn)定性好，目前得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，本文通過(guò)以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)制作了一種三相步進(jìn)電機(jī)的控制器，在本次制作中，選用的單片機(jī)型號(hào)是AT89C51，以此為核心，用C語(yǔ)言編寫(xiě)了控制程序，通過(guò)仿真和測(cè)試，驗(yàn)證了控制器的有效，在這次制作中，實(shí)現(xiàn)了三相步進(jìn)電機(jī)的控制過(guò)程的高精度控制和穩(wěn)定運(yùn)行。

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