基于單片機的步進電機控制器制作

黃華飛

摘 要：步進電機是一種將電脈沖信號轉換為角位移的執行元件。用單片機實現的步進電機控制系統具有成本低、易于實現、控制精度高、使用靈活等特點。文章采用AT89C51 單片機制作步進電機控制器，并基于C 語言進行控制器的軟件設計。

關鍵詞：AT89C51；單片機；步進電機控制器；C語言

目前，步進電機的應用越來越廣泛，在很多部件都有應用，由于它運行比較平穩，精度高，便于控制，在很多領域被用作驅動部件。步進電機將電脈沖信號轉化為角位移，也就是說，施加一個電脈沖，步進電機就會轉動一個角度，它不像普通電機是連續轉動的，它的轉動是不連續的，而在很多部件和場合中需要這種不連續的運動來驅動，比如在鐘表領域、機器人領域以及一些自動化部件中，就目前來說，步進電機的控制主要由單片機來控制，通過編寫C語言程序來執行，但是這種方法相對來講成本比較高。為此，本文針對此現狀制作一種成本低廉，容易制作的步進電機控制器。

1 步進電機工作原理

1.1 步進電機的結構組成

一般地，步進電機由兩部分組成，定子和轉子，這是步進電機主要的結構，和普通電機一樣。本次設計使用到的是一個三相步進電機，在電機上面總共有3對磁極，總共6個磁極，磁極都是在定子上，在每個磁極上都有線圈，并且一對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相電機有幾個磁極。

前面我們分析了在定子上有磁極，其實在轉子上也有磁極，定子上磁場是由線圈通電產生的，而在轉子上的磁極是由永磁體產生的，這些磁極也被叫作轉子小齒，并且相鄰的兩個轉子小齒就是所謂的齒距，步進電機每次運行的最大角度就是一個齒距。在步進電機中，還有一個概念就是對齒，所謂對齒就是指轉子的磁極與定子的磁極正好正對；同樣的，有對齒就會有不正對的情況，這種情況我們稱之為錯齒，在步進電機中，錯齒是必須要存在的，否則步進電機將不能正常運轉。

1.2 步進工作過程分析

通常來說，就工作原理來說，步進電機與電磁鐵差不多。下面具體來分析步進電機的工作過程：

當給相線圈通電時，在相線圈上會產生磁場，然后與此時通電的線圈相隔最近的轉子上的齒就會在磁場力的作用下被吸引，轉到和通電的線圈正對著的位置上去。

本例中是以三相異步電機為例來進行步進電機的說明的，同樣的，在前面電機轉過一定角度與其中一個磁極正對的時候，如果通電的線圈不發生改變，就會一直鎖死在這個位置，也就是常說的自鎖現象，這里需要按順序給相鄰的一個磁極進行通電，同樣在這相線圈上就會產生磁場，吸引相近的轉子上的齒沿與通電線圈正對的方向轉動；正對之后，此相線圈斷電，給下一相線圈進行通電，同樣的原理，相鄰的齒會轉動相同的角度與通電線圈正對。

上面就是三相異步電機的一個完成的工作過程，也就是完成一個循環了，當再次給首先通電的線圈進行二次通電時，就產生一個新的工作循環，如此反復。

三相步進電機的基本的工作過程就如上面所述，通過給三相線圈輪流加電，導致磁場輪流產生，進而不斷產生錯齒，不斷向正對著的方向運動，這樣的特性使得步進電機在很多場合得到了應用，而且通過控制通電次數和通電時間，就能很方便的控制電機，精度高，穩定性好，原理比較簡單，可以很方便實現電機的換向，通過改變步進電機的通電順序，便可以得到不同的轉向。

2 元器件介紹

本次控制器的制作是基于單片機控制的，以單片機為核心，在制作時選擇的單片機型號為AT89C51。對于驅動器的選擇，本次制作中選用的是D306型的，是一種三相混合式的。

3 步進電機控制器制作

一般地，步進電機的控制部分是比較關鍵的，它的性能好壞直接影響著步進電機的正常運轉，其控制系統的組成通常包括了電機驅動器、控制器以及步進電機，這是一個完整的部分，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的三個組成部分之間的線路連接，它是保障步進電機按照指定規則正常運轉的前提條件和基礎。對于硬件部分的連接接口，下面針對每個端口進行詳細的介紹和說明：

OPTO：在這個端口需要接+5V的電源；

CP：這個端口是脈沖電信號的接入端，一般是低電平為有效；

DIR：這個端口負責步進電機的運轉方向的調控，連線時如果跟單片機的地線連接，也就是低電平時，表示運行方向會發生反轉；

FREE：這個端口表示脫機，此時驅動的電源將不會工作；

GND：地線的引腳；

VCC：電源的引腳；

3.2 軟件部分的設計

在步進電機的控制器中，需要進行處理并輸出的信號為各種脈沖信號以及控制電機的運行方向的方向信號，通過這些脈沖信號來控制步進電機的正常、高效運轉，通過方向信號來控制電機的運行方向。一般來說，方向信號分為高低電平兩種信號，對于脈沖信號，主要也有兩種。

一般地，步進電機在其啟動和停止時，一般都會有一個加速和減速過程，在這個過程中，加速度控制的越小，其運行相對來說就比較平穩，穩定性好。是步進電機從啟動到停止的速度變化曲線，展示了整個工作過程。

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

4 結語

步進電機由于精度高，運行穩定性好，目前得到了越來越廣泛的應用，本文通過以單片機為核心設計制作了一種三相步進電機的控制器，在本次制作中，選用的單片機型號是AT89C51，以此為核心，用C語言編寫了控制程序，通過仿真和測試，驗證了控制器的有效，在這次制作中，實現了三相步進電機的控制過程的高精度控制和穩定運行。

參考文獻：

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