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第12章 步进电动机的单片机控制 12.1 步进电动机控制原理 12.2 步进电动机的单片机开环控制 12.3 步进电动机的转速控制 12.4 步进电动机加减速定位控制 步进电动机的单片机控制步进电动机是纯数字控制的电动机，它将脉冲信号转变成角位移，即电源发一个脉冲，步进电机则转过一个固定的角度，称为步距角θb。电动机的角位移正比于输入脉冲数。当连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速n正比于脉冲的频率，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以非常适合用计算机进行控制。 12.1 步进电动机控制原理 12.1.1 步进电动机基本知识 反应式步进电动机结构简单，性能价格比较高，因此应用非常广泛。反应式步进电动机分为三相、四相、五相、六相等结构形式。相数越多步距角越小，但是结构越复杂。 较为常见的三相反应式步进电动机有三相绕组和三对磁极。轮流给A、B、C三相绕组通电，步进电动机则会沿某一方向转动。 1. 三相绕组的通电方式 （1） 单三拍方式： 每次只给一相绕组发脉冲，三拍一个循环。 A→B→C→A 正转 A→C→B→A 反转 （2） 双三拍方式： 每次只给两相绕组发脉冲，三拍一个循环。 AB→BC→CA→AB 正转 AC→CB→BA→AC 反转 （3） 单双六拍方式： 轮流给一相、两相绕组发脉冲，六拍一个循环。 A→AB→B→BC→C→CA→A 正转 A→AC→C→BC→B→BA→A 反转 2. 三相反应式步进电动机的步距角θb （12-1） 其中： Z代表转子齿数，为常数。 N代表步进电动机工作拍数。N=K×m，m为相数；K=1时为三拍方式，K=2为六拍方式。当Z=24时，三拍方式步距角为5°；六拍方式步距角为2.5°。 3. 三相反应式步进电动机的转速n 三相反应式步进电动机的转速公式为： （12-2） 其中： f代表脉冲频率（Hz）。 12.1.2 步进电动机的驱动方式 步进电动机需要专用的驱动控制器，它一般由脉冲发生分配单元、功率驱动单元和保护单元等组成。 1. 单电压驱动 单电压驱动只用一个电源对电机绕组供电，电路结构最简单，如图12-1所示。电路中的限流电阻R1决定了时间常数，R1太大会使绕组供电电流减小，电路功耗增大。单电压驱动一般只适用于小功率步进电动机的驱动。 图12-1 步进电动机单电源驱动电路 2. 高低电压驱动 在电动机开始移步时绕组加额定电压，使电机快速移步，而在锁步时，加低于额定电压的锁步电压，绕组只流过所需要的电流。这样既可减少电阻上的功耗，又可以提高电动机的运行速度。如图12-2所示。 脉冲分配可以用脉冲分配器实现，但硬件电路实现脉冲分配会使结构复杂，成本较高。如果用软件实现脉冲分配，将简化电路，降低成本。 图12-2 步进电动机高低电压驱动电路 12.2 步进电动机的单片机开环控制 12.2.1 串行控制 采用串行控制时，单片机与步进电动机的功率接口之间只需要两条控制线： 一条用于发送走步脉冲串（CP），另一条用于发送控制旋转方向的电平信号。图12-3说明了如何用8051单片机通过串行控制来驱动步进电动机。 图12-3 步进电机的单片机控制 1. 串行控制的硬件电路 串行控制的功率接口电路内含有一个脉冲分配器，其作用是将单路脉冲转换成多相循环变化的脉冲。它有一路输入，多路输出。随着一个个脉冲的输入，各路输出电压轮流变高和变低。例如，三相脉冲分配器有A、B和C三路输出，采用单三拍运行方式时，单片机将一个个脉冲送入脉冲分配器后，三路输出电压将按A→B→C→A…的次序轮流变高和变低。三路电压分别经功率放大器向步进电动机的三相绕组供电，步进电动机就一步一步地旋转起来。脉冲分配器一般还有一个旋转方向控制端，根据方向控制端的电平高低，决定步进电动机的转向。 脉冲分配器可以使用专用芯片CH250。图12-4是使用CH250工作于三相六拍状态的接线图。CH250可通过设置引脚1、2和14、15的电平来实现双三拍、单三拍、单双六拍工作状态，每种工作状态又有正、反转两种工作状态，所以共有六种工作状态。 图12-4 CH250三相六拍脉冲分配接线图 2. 串行控制的参考程序 在图12-3所示的串行控制电路中，利用8051单片机的P1.1输出方向电平，P1.0输出走步触发脉冲。走步脉冲的产生方法很简单，只要先对P1.0进行清零，过一会儿再进行一次置位就可以了。由于任何脉冲分配器对触发脉冲的最小脉宽都有一定的要求，所以在清零和置位之间插入的延时时间应有适当的长度。设P1.1低电平时为正转驱动，脉冲分配器在走步触发