基于单片机的步进电机控制器制作

黄华飞

摘 要：步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行元件。用单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、易于实现、控制精度高、使用灵活等特点。文章采用AT89C51 单片机制作步进电机控制器，并基于C 语言进行控制器的软件设计。

关键词：AT89C51；单片机；步进电机控制器；C语言

目前，步进电机的应用越来越广泛，在很多部件都有应用，由于它运行比较平稳，精度高，便于控制，在很多领域被用作驱动部件。步进电机将电脉冲信号转化为角位移，也就是说，施加一个电脉冲，步进电机就会转动一个角度，它不像普通电机是连续转动的，它的转动是不连续的，而在很多部件和场合中需要这种不连续的运动来驱动，比如在钟表领域、机器人领域以及一些自动化部件中，就目前来说，步进电机的控制主要由单片机来控制，通过编写C语言程序来执行，但是这种方法相对来讲成本比较高。为此，本文针对此现状制作一种成本低廉，容易制作的步进电机控制器。

1 步进电机工作原理

1.1 步进电机的结构组成

一般地，步进电机由两部分组成，定子和转子，这是步进电机主要的结构，和普通电机一样。本次设计使用到的是一个三相步进电机，在电机上面总共有3对磁极，总共6个磁极，磁极都是在定子上，在每个磁极上都有线圈，并且一对磁极的线圈是相同的，也就是三相中的一相。同样的，我们也可以知道4相电机有几个磁极。

前面我们分析了在定子上有磁极，其实在转子上也有磁极，定子上磁场是由线圈通电产生的，而在转子上的磁极是由永磁体产生的，这些磁极也被叫作转子小齿，并且相邻的两个转子小齿就是所谓的齿距，步进电机每次运行的最大角度就是一个齿距。在步进电机中，还有一个概念就是对齿，所谓对齿就是指转子的磁极与定子的磁极正好正对；同样的，有对齿就会有不正对的情况，这种情况我们称之为错齿，在步进电机中，错齿是必须要存在的，否则步进电机将不能正常运转。

1.2 步进工作过程分析

通常来说，就工作原理来说，步进电机与电磁铁差不多。下面具体来分析步进电机的工作过程：

当给相线圈通电时，在相线圈上会产生磁场，然后与此时通电的线圈相隔最近的转子上的齿就会在磁场力的作用下被吸引，转到和通电的线圈正对着的位置上去。

本例中是以三相异步电机为例来进行步进电机的说明的，同样的，在前面电机转过一定角度与其中一个磁极正对的时候，如果通电的线圈不发生改变，就会一直锁死在这个位置，也就是常说的自锁现象，这里需要按顺序给相邻的一个磁极进行通电，同样在这相线圈上就会产生磁场，吸引相近的转子上的齿沿与通电线圈正对的方向转动；正对之后，此相线圈断电，给下一相线圈进行通电，同样的原理，相邻的齿会转动相同的角度与通电线圈正对。

上面就是三相异步电机的一个完成的工作过程，也就是完成一个循环了，当再次给首先通电的线圈进行二次通电时，就产生一个新的工作循环，如此反复。

三相步进电机的基本的工作过程就如上面所述，通过给三相线圈轮流加电，导致磁场轮流产生，进而不断产生错齿，不断向正对着的方向运动，这样的特性使得步进电机在很多场合得到了应用，而且通过控制通电次数和通电时间，就能很方便的控制电机，精度高，稳定性好，原理比较简单，可以很方便实现电机的换向，通过改变步进电机的通电顺序，便可以得到不同的转向。

2 元器件介绍

本次控制器的制作是基于单片机控制的，以单片机为核心，在制作时选择的单片机型号为AT89C51。对于驱动器的选择，本次制作中选用的是D306型的，是一种三相混合式的。

3 步進电机控制器制作

一般地，步进电机的控制部分是比较关键的，它的性能好坏直接影响着步进电机的正常运转，其控制系统的组成通常包括了电机驱动器、控制器以及步进电机，这是一个完整的部分，每一部分都不可缺少。

3.1 硬件线路部分的连接

硬件部分的连接主要是指控制系统的三个组成部分之间的线路连接，它是保障步进电机按照指定规则正常运转的前提条件和基础。对于硬件部分的连接接口，下面针对每个端口进行详细的介绍和说明：

OPTO：在这个端口需要接+5V的电源；

CP：这个端口是脉冲电信号的接入端，一般是低电平为有效；

DIR：这个端口负责步进电机的运转方向的调控，连线时如果跟单片机的地线连接，也就是低电平时，表示运行方向会发生反转；

FREE：这个端口表示脱机，此时驱动的电源将不会工作；

GND：地线的引脚；

VCC：电源的引脚；

3.2 软件部分的设计

在步进电机的控制器中，需要进行处理并输出的信号为各种脉冲信号以及控制电机的运行方向的方向信号，通过这些脉冲信号来控制步进电机的正常、高效运转，通过方向信号来控制电机的运行方向。一般来说，方向信号分为高低电平两种信号，对于脉冲信号，主要也有两种。

一般地，步进电机在其启动和停止时，一般都会有一个加速和减速过程，在这个过程中，加速度控制的越小，其运行相对来说就比较平稳，稳定性好。是步进电机从启动到停止的速度变化曲线，展示了整个工作过程。

一般地，可以先是加速到一定速度，然后稳定运行，这是正常工作时的速度，停止时，先是减速到低速状态，而不是马上将速度减到零。

4 结语

步进电机由于精度高，运行稳定性好，目前得到了越来越广泛的应用，本文通过以单片机为核心设计制作了一种三相步进电机的控制器，在本次制作中，选用的单片机型号是AT89C51，以此为核心，用C语言编写了控制程序，通过仿真和测试，验证了控制器的有效，在这次制作中，实现了三相步进电机的控制过程的高精度控制和稳定运行。

参考文献：

[1] 徐煜明.步进电机速度控制的研究与实现[J].工矿自动化，2007，48（2）：80-82

[2] 李建玲.基于PWM的两相混合式步进电机细分驱动芯片的设计[D].西安科技大学，2005.

[3] 吴文英.基于单片机控制的步进电机[J].电子世界，2012.