原標(biāo)題：步進(jìn)電機(jī)的控制原理及其單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，其控制原理及單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)方式如下：

一、步進(jìn)電機(jī)的控制原理

步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)相鄰磁極之間的夾角通常為60°，線圈繞過(guò)相對(duì)的兩個(gè)磁極，構(gòu)成一相（如A-A’、B-B’、C-C’）。磁極上有均勻分布的矩形小齒，而轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，但有均勻分布的小齒，且相鄰兩個(gè)齒之間的夾角固定（如9°）。步進(jìn)電機(jī)的控制原理主要基于以下方面：

• 工作原理：步進(jìn)電機(jī)基于最基本的電磁鐵原理，是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動(dòng)作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)某組繞組通電時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)磁極就分別形成N-S極，產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。如果這時(shí)定子的小齒與轉(zhuǎn)子沒(méi)有對(duì)齊，則在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，從而使步進(jìn)電機(jī)向前“走”一步。

• 控制方式：步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)方向則與脈沖的順序有關(guān)。通過(guò)按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字角度的轉(zhuǎn)換。

• 步進(jìn)角：步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的步距角是根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)通過(guò)比例控制產(chǎn)生的。如果控制電路的細(xì)分控制不變，那么步進(jìn)器旋轉(zhuǎn)的步距角理論上是固定角度。實(shí)際工作中，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的步距角會(huì)略有不同，這主要是由于電機(jī)結(jié)構(gòu)上的固定誤差造成的，而且這種誤差不會(huì)累積。

以三相步進(jìn)電機(jī)為例，電流脈沖的施加方式主要有：

• 單相三拍方式：按單相繞組施加電流脈沖，每一拍步進(jìn)角為3°。

• 雙相三拍方式：按雙相繞組施加電流脈沖。

• 三相六拍方式：?jiǎn)蜗嗬@組和雙相繞組交替施加電流脈沖，步進(jìn)角為1.5°。三相六拍下，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行反轉(zhuǎn)平穩(wěn)柔和，但在同樣的運(yùn)行角度與速度下，三相六拍驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率需提高一倍，對(duì)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)特性要求較高。

二、步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)無(wú)法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動(dòng)電源（步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結(jié)合的控制方式成為了主流，即通過(guò)程序產(chǎn)生控制脈沖，驅(qū)動(dòng)硬件電路。單片機(jī)通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，可以更好地挖掘電機(jī)的潛力。單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式主要包括以下步驟：

• 設(shè)計(jì)電路：主要元件包括與門、驅(qū)動(dòng)芯片（如ULN2003A，用于放大電壓以驅(qū)動(dòng)電機(jī)）、單片機(jī)（如AT89C52）和步進(jìn)電機(jī)。

• 編寫程序：通過(guò)編程方法，在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、往返轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)等。同時(shí)，還可以方便靈活地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求。

單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的程序示例（以三相六拍控制為例）如下：

c復(fù)制代碼

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char



int state=0; //定義電機(jī)的狀態(tài)：state = 1 正轉(zhuǎn)，state = -1 反轉(zhuǎn)，state = 0 停止

uint time=50; //定義延時(shí)時(shí)間

int step[8]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09}; //每一步的通電順序



sbit drive=P3^5; //控制開(kāi)關(guān)量

sbit stop=P3^6;

sbit re_drive=P3^7;

sbit add=P3^1;

sbit reduce=P3^0;



//延時(shí)程序，x*10ms

void Delay_xms(uint x) {

uint i,j;

for(i=0;i<x;i++)

for(j=0;j<112;j++); //10ms

}



//反轉(zhuǎn)

void Move_reverse(uint time) {

uint i;

for(i=0;i<8;i++) {

P2=step[i];

Delay_xms(time);

}

}



//正轉(zhuǎn)

void Move(uint time) {

uint i;

for(i=7;i>=0;i--) {

P2=step[i];

Delay_xms(time);

}

}



//定義外部中斷INT0的中斷函數(shù)，開(kāi)關(guān)量變化時(shí)做出反應(yīng)

void ChangeState() interrupt 0 {

if(!drive) {state=1; drive=1;}

if(!stop) {state=0; stop=1;}

if(!re_drive) {state=-1; re_drive=1;}

if(!add) {time-=10; add=1; if(time<=10) time=10;}

if(!reduce) {time+=10; reduce=1; if(time>=100) time=100;}

}



void main() {

EA=1; //CPU中斷允許位

EX0=1; //外部中斷0允許位

IT0=1; //定義下降沿觸發(fā)



while(1) {

switch(state) {

case 1: Move(time); break;

case 0: Delay_xms(10); break;

case -1: Move_reverse(time); break;

}

}

}

在這個(gè)程序中，通過(guò)控制P2口的輸出以及延時(shí)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的三相六拍控制。同時(shí)，通過(guò)外部中斷INT0來(lái)檢測(cè)控制開(kāi)關(guān)量的變化，從而改變電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

綜上所述，步進(jìn)電機(jī)的控制原理主要基于電磁鐵原理和脈沖控制，而單片機(jī)則通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制。