摘要：采用8051單片機來控制步進(jìn)電機，給出了步進(jìn)電機的控制原理及其單片機控制的具體實現(xiàn)方法。 關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機；單片機；控制 步進(jìn)電機可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行高精度控制。步進(jìn)電機作為控制執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機械等領(lǐng)域。例如，在儀器儀表，機床設(shè)備以及計算機的外圍設(shè)備中（如打印機和繪圖儀等），凡需要對轉(zhuǎn)角進(jìn)行精確控制的情況下，使用步進(jìn)電機最為理想。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。 上個世紀(jì)就出現(xiàn)了步進(jìn)電動機，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，動作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動機沒有什么區(qū)別，也是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在本世紀(jì)初，由于資本主義列強爭奪殖民地，造船工業(yè)發(fā)展很快，同時也使得步進(jìn)電動機的技術(shù)得到了長足的進(jìn)步。到了80年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動機的控制方式更加靈活多樣。原來的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路。計算機則通過軟件來控制步進(jìn)電機，更好地挖掘出電動機的潛力。因此，用計算機控制步進(jìn)電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨勢。 　　步進(jìn)電機和普通電動機不同之處是步進(jìn)電機接受脈沖信號的控制。步進(jìn)電機靠一種叫環(huán)形分配器的電子開關(guān)器件，通過功率放大器使勵磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流和直流電源接通后，就會在空間形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子步進(jìn)式的轉(zhuǎn)動，隨著脈沖頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會增大。步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)同時與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)。 　　現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機包括反應(yīng)式步進(jìn)電機、永磁式步進(jìn)電機、混合式步進(jìn)電機和單相式步進(jìn)電機等。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)階段，反應(yīng)式步進(jìn)電機獲得最多的應(yīng)用。 步進(jìn)電機和普通電機的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動的形式，正是這個特點，步進(jìn)電機可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。不過步進(jìn)電機在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動機。在精度不是需要特別高的場合就可以使用步進(jìn)電機，步進(jìn)電機可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點。使用恰當(dāng)?shù)臅r候，甚至可以和直流伺服電動機性能相媲美。 　　步進(jìn)電機廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在數(shù)控機床的制造中，因為步進(jìn)電機不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達(dá)。隨著步進(jìn)電動機技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動機已經(jīng)能夠單獨在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動機用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機構(gòu)的驅(qū)動電動機，在這個應(yīng)用中，步進(jìn)電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進(jìn)電機也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機同步系統(tǒng)的驅(qū)動電動機。除了在數(shù)控機床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機也可以并用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機和繪圖儀中。 　　步進(jìn)電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 一、 步進(jìn)電機的控制原理 步進(jìn)電機兩個相鄰磁極之間的夾角為60。。線圈繞過相對的兩個磁極，構(gòu)成一相（A-A^{’，B-B’，C-C’）。磁極上有5個均勻分布的矩形小齒，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，而有40個小齒均勻分布在其圓周上，且相鄰兩個齒之間的夾角為9。。 當(dāng)某組繞組通電時，相應(yīng)的兩個磁極就分別形成N-S極，產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。如果這時定子的小齒與轉(zhuǎn)子沒有對齊，則在磁場的作用下轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊，從而使步進(jìn)電機向前“走”一步。 1、 步進(jìn)電機的控制方式 如果通過單片機按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)數(shù)字 角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動方向則與脈沖的順序有關(guān)。以三相步進(jìn)電機為例，電流脈沖的施加共有三種方式。 （1） 單相三拍方式------按單相繞組施加電流脈沖 （2） 雙相三拍方式-----按雙相繞組施加電流脈沖 （3）三相六拍方式------單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖 單相三拍方式的每一拍步進(jìn)角為3。，三相六拍的步進(jìn)角則為1.5。,因此，在三相六拍下，步進(jìn)電機的運行反轉(zhuǎn)平穩(wěn)柔和，但在同樣的運行角度與速度下，三相六拍驅(qū)動脈沖的頻率需提高一倍，對驅(qū)動開關(guān)管的開關(guān)特性要求較高。 2、 步進(jìn)電機的驅(qū)動方式 步進(jìn)電機常用的驅(qū)動方式是全電壓驅(qū)動，即在電機移步與鎖步時都加載額定電壓。為了防止電機過流及改善驅(qū)動特性，需加限流電阻。由于步進(jìn)電機鎖步時，限流電阻要消耗掉大量的功率，故限流電阻要有較大的功率容量，并且開關(guān)管也要有較高的負(fù)載能力。 步進(jìn)電機的另一種驅(qū)動方式是高低壓驅(qū)動，即在電機移步時，加額定或超過額定值的電壓，以便在較大的電流驅(qū)動下，使電機快速移步；而在鎖步時，則加低于額定值的電壓，只讓電機繞組流過鎖步所需的電流值。這樣，既可以減少限流電阻的功率消耗，又可以提高電機的運行速度，但這種驅(qū)動方式的電路要復(fù)雜一些。 驅(qū)動脈沖的分配可以使用硬件方法，即用脈沖分配器實現(xiàn)。現(xiàn)在，脈沖分配器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、芯片化，市場上可以買到。但硬件方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也較高。 步進(jìn)電機控制（包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配）也可以使用軟件方法，即用單片機實現(xiàn)，這樣既簡化了電路，也降低了成本。使用單片機以軟件方式驅(qū)動步進(jìn)電機，不但可以通過編程方法，在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速、往返轉(zhuǎn)動的角度以及轉(zhuǎn)動次數(shù)等，而且還可以方便靈活地控制步進(jìn)電機的運行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求。因此，常把單片機步進(jìn)電機控制電路稱之為可編程步進(jìn)電機控制驅(qū)動器。 二、 步進(jìn)電機的單片機控制 步進(jìn)電機控制的最大特點是開環(huán)控制，不需要反饋信號。因為步進(jìn)電機的運動不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。 由單片機實現(xiàn)的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)如圖所示。 假定以8051的P1口線接步進(jìn)電機的繞組，輸出控制電流脈沖，其中P1.0接A，P1.1接B，P1.2接C。 1、 雙相三拍控制 雙相三拍得控制模型如下表所示。 假定有如下工作單元和工作位定義： R0為步進(jìn)數(shù)寄存器； PSW中，F(xiàn)₀為方向標(biāo)志位，F(xiàn)₀=0正轉(zhuǎn)，F(xiàn)₀<>0反轉(zhuǎn)。 參考程序如下： 2、 三相六拍控制程序 在雙相三拍得程序中，P1口輸出的控制字是在程序中給定的。而在三相六拍的控制中，由于控制字較多，故可以把這些控制字以表的形式預(yù)先存放在內(nèi)部RAM單元中，運行程序時以查表的方式逐個取出并輸出。 假定正反轉(zhuǎn)控制字依次存放在以POINT為首地址的內(nèi)部RAM中，表的內(nèi)容如下： POINT： DB 01H　　??；正轉(zhuǎn)A 　　　　DB 03H ；AB DB 02H ；B DB 06H ；BC DB 04H ；C DB 05H ；CA DB 00H ；循環(huán)標(biāo)志 DB 01H ；反轉(zhuǎn)A DB 05H ；AC DB 04H ；C DB 06H ；CB DB 02H ；B DB 03H ；BA DB 00H ；循環(huán)標(biāo)志 參考程序如下： 參考書籍： 1、 單片機應(yīng)用技術(shù)教程，清華大學(xué)出版社，張洪潤 藍(lán)清華編著； 2、 電工學(xué)，高等教育出版社，秦曾煌主編； 作者信息：丁偉雄（1971-），男，北京航空航天大學(xué)計算機碩士，主要研究方向為：網(wǎng)絡(luò)工程、信息系統(tǒng)、工控及EDA技術(shù)等； 聯(lián)系地址：528000佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機電與信息工程學(xué)院 丁偉雄 E-mail: fsdwx@163.com TEL:0757-83888012 The Control Principle and SCM control realizations of the Stepping Motor Ding Wei-Xiong,Yang Ding-An (Foshan University of Science and}