浅析单片机对步进电机的控制

汪利华

摘要：本文主要是单片机对步进电机的控制系统，首先介绍了步进电机的工作原理原理，而后详细阐述了基于单片机的控制系统的硬件结构、人机交互电路和步进电机控制逻辑，从而实现对步进电机的控制。

关键词：单片机；步进电机；电子脉冲；人机交互

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）34-0240-02

1 步进电机的工作原理

在传统的直流电机的基础上，步进电机在电脉冲的控制下，可以实现固定转角距的运动，也就是说，在一定的电脉冲控制下，步进电机能够按照固定的角度和时间间隔，朝着一个既定的方向依次旋转一个角度来提供动力，从而形成固定“步距角”的位移。对于某一型号的步进电机来说，其“步距角”在其设计生产之初就已经固定了，这一指标也是作为该型号的步进电机的固定属性来展现出来，在电源的作用下和电子脉冲的控制下，步进电机按照固有的步距一步一步向固定方向运动，从而提供源源不断的动力来源。那么对于步进电机的控制，主要集中在电子脉冲的设定上面，频率越高，步进电机按照固定步伐运动的越快，从而在固定的步距下运动的速度就更快，进而实现步进电机在电子脉冲下的角位移和角速度的变化。

1.1 步进电机的分类

步进电机的动力来源于其他原理相似，但是在设计结构上和选择材料上根据实际的功能需求有所不同，一般来说，可分为反应磁阻式、永磁式、永磁感应混合式三种不同工作原理的步进电机。

1） 反应磁阻式步进电机。该类型的步进电机是在转子铁心、定子铁心的表面，按照设计的布局有规律地设定齿槽，定转子的齿槽与齿槽之间在旋转过程中位置发生变化，磁路磁阻就会发生变化，从而生成固定的转矩力。反应磁阻式步进电机在设计结构上非常简洁，步距角的精度非常高，可是实现1到15度甚至更小的步距角，但是其动态性能比较差，效能较低，步进性能难以令人满意。

2） 永磁式步进电机是使用永磁材料制作成转子，而在定子上通过多相绕组缠绕定子铁心上，从而在电流的作用下形成电磁场，与永磁材料的磁场相互作用产生磁转矩。根据永磁材料选择的不同，一般的永磁式步进电机可以实现7.5、11.25、15、18以及45、90等多种固定转角的步进电机。永磁式电机在动力输出上优势非常明显，其动态性能也非常优越，但是在步进精度上很難满足要求较高产品的需求。

3） 永磁感应混合式步进电机。在反应磁阻式步进电机和永磁式步进电机的基础上，永磁感应混合式步进电机通过使用轴向磁化的磁铁作为转子，通过复极的形式来形成磁极，从而使得步进电机在强大的转矩力前提下还能保证较高的精度。但是该类型点击在设计上结构非常复杂，设计和生产成本也非常高。

1.2 步进电机的工作原理

步进电机在具体实现上基本相同，是在电子脉冲的作用下，通过步进电机的定子、转子的角度位移转化成线位移，从而提供既定方向上的动力。如图1所示，为三相步进电机的基本结构和工作原理示意图。

三相步进电机是常见的步进电机动力提供方式，通过三条电源线来为步进电机提供电源力，在图1中AA、BB、CC分别对应一相电源线连接形成回路，而三相电源之间的相位差则是120度，最终三相电源一次通电形成一个动力周期。

假如首先在AA相路上进行通电，那么产生的电磁场的作用力下会促使转定子形成闭合的磁力线，促使AA上的齿进行对齐，此时BB、CC的齿处在为对齐状态，如果依次在BB、CC上进行通电，那么也会为了磁力线闭合来转动转子。当转子AA的齿与定子AA齿对齐时，转子上与定子B 相中间应该对齐的齿号为120°/9°=13.33，不是整数，即转子与定子上的齿未对齐，则磁阻大，为减小磁阻，转子要旋转。所以按照预定的相位差，依次为定子的A→B → C → A → B 相路进行通电时，转子会进行顺时针旋转，反之则逆时针旋转。

2 单片机对步进电机的控制

2.1 步进电机控制系统的结构设计

使用单片机对步进电机进行控制，本质上提供外部人机交互接口，在单片机的判断和控制下产生不同频率的电子脉冲来驱动步进电机旋转。由于控制逻辑相对比较简单，所以可以采用稳定的、高效的、性价比较高的AT89C51单片机为核心控制部件，通过编程来实现该单片机对外部人机交互结构电路的输入判断，并改变相应的输出电子脉冲频率，在驱动芯片的作用下为步进电机提供动力来源。

为了满足上述设计需求，在搭建整个控制系统硬件电路时，首先要满足AT89C51单片机工作的最低要求，配备时钟电路、电源电路等，人机交互电路开关按钮电路来读取控制人员的控制指令，步进电机驱动芯片采用ULN2003来为步进电机提供功率，为了满足AT89C51单片机外部数据的交互，使用8255作为扩展芯片来读取各种信号以及对步进电机进行数据控制。如图2所示，步进电机控制系统的系统硬件框架设计图。

2.2 AT89C51单片机

其中，AT89C51单片机作为整个控制系统的核心，能够对外部开关控制电路的输入信号进行读取和判断，能够对步进电机的状态进行读取，并对显示电路进行显示控制，同时生成步进电机的电子脉冲控制信号，在ULN2003驱动芯片的驱动下来为步进电机提供控制信号和动力来源。

在AT89C51单片机中，提供了两个可编程的定时器和计数器，通过编程人员对这两个定时器计数器进行控制设定并初始化，而后通过启动指令来开启定时，从而为电子脉冲产生固定的频率。在对定时器/计数器进行编程时，主要是对控制字TMOD和TCON进行设计，通过在控制字中写入数据来实现对定时器/计数器的控制，其中TMOD是选定其工作模式，而后设定初始化数据，TCON则是启动或停止其工作。当然AT89C51单片机中的定时器/计数器在一个循环周期内最大定时时长是一定的，最大约为131ms，如果步进电机所需要的脉冲周期时间长度大于131ms而超过了定时器/计数器的定时期限，即需要在软件设计上，通过定义循环次数，来满足步进电机的电子脉冲频率的设定。

2.3 步进电机的控制逻辑设计

在ULN2003芯片的驱动下，当AT89C51单片机上电后，即可产生固定频率的脉冲信号，来驱动步进电机旋转。

1） AT89C51单片机上电，系统初始化各种数据，包括定时器、扩展芯片使能和初始化赋值等；2）判断步进电机状态，将其置于非工作状态；3）将P0的停止二极管的灯端口至于低电平，使二极管显示为步进电机停止状态；4）检测P3口，检测开关按钮是否按下：如果正转按钮按下，预设固定低频率发送正向电子脉冲，趋使步进电机开始顺时针旋转，同时将P0口正转二极管对应端口电压至0，停止和反转二极管对应端口电压至1；如果反正按钮按下，预设固定低频率发送反向电子脉冲，趋使步进电机开始逆时针旋转，同时将P0口反转二极管对应端口电压至0，停止和正转二极管对应端口电压至1；如果加速按钮按下，提升电子脉冲频率，趋势步进电机加速；如果停止按钮按下，将发送的电子脉冲频率降低至0，即不发送电子脉冲，从而使步进电机停止，同时将P0口停止二极管对应端口电压至0，正转和反转二极管对应端口电压至1。

3 总结

作为第三类电动机，步进电机继承了交流电动机和直流电动机的优秀特性之后，在数字化控制支持方面也表现得特别优秀，从而实现了嵌入式系统与步进电机系统的良好融合。采用单片机对步进电机的进行控制系统的研究与分析，加快人们在工业生产和社会生活发展中的数字化信息化控制的发展进程，极大提提升了人们的生产效率和生活质量。

参考文献：

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