第 18 章 步进电机实验

18.1 步进电机概念

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的重要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为"步距角"，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

图 18-1 步进电机图

18.2 步进电机分类

步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机（Variable Reluctance， VR）、永磁式步进电机 （Permanent Magnet， PM）、混合式步进电机（Hybrid Stepping， HS）。

1. 反应式：

定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达 1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

2. 永磁式

永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为 7.5° 或
15°），价格较便宜。

3. 混合式

混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

图 18-2 4 相步进电机原理图

4 相步进电机内部结构如上图所示，A，B，C，D 四相称为定子，内部 1，2，3，4，5，6 为永磁铁，称为转子。以转子逆时针旋转为例介绍电机的工作原理。

假设初始状态如上图所示，B 闭合，B 相绕阻导通，产生磁性将对定子齿轮产生强有力的吸引，使得 B 对 6 吸引，B'对 3 进行吸引，形成如上图所示的初始状态。而此时转子齿轮 1 将与定子齿轮 A 形成一个 15° 的夹角，2 与 D'之间形成一个 30° 的夹角。紧接着我们断开 B，闭合 A 相，A 对 1 产生最大的吸引力，A'对 4 产生最大的吸引力。最终，A 与 1 对齐，A'与 4 对齐。相当于转子逆时针转动了 15°。此时，2 与 D'之间的夹角由 30° 变成了 15°。紧接着断开 A，闭合 D，2 与 D'对齐，5 与 D 对齐，转子将逆时针再旋转 15°。接着断开 D，闭合 C，转子逆时针旋转 15°。因此可以总结为：经过 B-A-D-C 转子旋转了 45°。这个过程称为四节拍。旋转一圈 360° 需要 360° / 45°= 8 个四节拍。因此，可以计算出一个节拍旋转的角度为： 360°/(8*4)=11.25°。上述工作模式称为单四拍模式。

下面在上述的基础之上进行一下改进，假设在两个节拍之间插入一个新的节拍，例如在 B 断开，A 闭合之间插入一个 AB 同时闭合的节拍，即 B-BA-A。此时 B 对 6 与 A 对 1 具有相同的吸引力，最终将导致 6 和 1 之间的中心线将与 B 和 A 之间的中心线对齐，相当于转子转了 5.625°。 在每个节拍之间插入了一个节拍，即旋转 45° 由原来的 4 拍变成了 8 拍，B-AB-A-AD-D-DC-C-CB。因此，旋转一周 360° 需要 360° / 45°*8 = 64 个节拍，每个节拍旋转 5.625°。上述模式称为八拍模式，与四拍模式相比，由于增加了拍数使得电机扭矩更大，驱动力更强了，旋转精度提高了一倍。

表 18-1 相步进电机真值表

节拍	1	2	3	4	5	6	7	8
四相
	B	BA	A	AD	D	DC	C	CB
粉 B（P2.5）	闭合	闭合						闭合
蓝 A（P2.4）		闭合	闭合	闭合
橙 D（P2.7）				闭合	闭合	闭合
黄 C（P2.6）						闭合	闭合	闭合
红 VCC	5V	5V	5V	5V	5V	5V	5V	5V
P2	0xDF	0xCF	0xEF	0x5F	0x7F	0x3F	0xBF	0x9F

图 18-3 步进电机驱动模块

驱动电机需要一定的驱动电流，一般有两种比较简单的驱动电路。一种为使用三极管驱动，一种为采用专用的驱动芯片，我们这里采用的是第二种方法。如上图所示，采用 ULN2003A 来驱动动直流电机，芯片 U8 的 1-4 为输入端，通过锁存器 U1 连接到单片机的 I/O 口 P2.4~P2.7， OUT_A~OUT_D 为输出端连接到电机。输入端为高电平时，输出端为高电平，反之亦然。按照上表的时间顺序来驱动电机。那么这里有一个问题大家可能会问，每个节拍的持续时间是多少呢？理论上将节拍持续时间越小电机的转动速度越快。

表 18-2 相步进电机参数

供电电压	相数	相电阻 Ω	步进角度	减速比	起动频率 P.P.S	转矩 g.cm	噪声 dB	绝缘介电常数
5V	4	50±10%	5.625/64	1：64	≥550	≥300	≤35	600VAC

该电机的参数表中有一个叫起动频率的参数，≥ 550 P.P.S，表示，在每秒 550 个脉冲的情况下，电机可以正常启动。相当于每个脉冲，即每个节拍的持续时间大于等于 1 / 550 = 1.8ms 的情况下，电机可以正常转动。按照上述学到的相关内容我们接下来就可以使直流电机转起来了。

18.3 步进电机试验

这里我们利用定时器来实现电机转动的功能，设置一个 2ms 的定时，每 2ms 执行一个节拍。根据上面的介绍 64 个节拍转动一周，一次，转动一周需要 2ms * 64 =128ms，那么可以得到 1s 可以转 7.8 周。编写代码如下：

/*******************************************************************
*   步进电机转动试验
* ******************************************************************
* 【主芯片】：STC89SC52/STC12C5A60S2
* 【主频率】: 11.0592MHz
*
* 【版  本】： V1.0
* 【作  者】： stephenhugh
* 【网  站】：https://rymcu.taobao.com/
* 【邮  箱】：
*
* 【版  权】All Rights Reserved
* 【声  明】此程序仅用于学习与参考，引用请注明版权和作者信息！
         
*
*******************************************************************/
#include <reg52.h>  
#include <reg52.h>  
 
unsigned char code MotorCode[8]={0xDF,0xCF,0xEF,0x5F,0x7F,0x3F,0xBF,0x9F};
 
#define FOSC 11059200 // 单片机晶振频率  
#define T_2ms (65536 - FOSC/12*2/1000)  // 定时器初始值计算  
 
sbit DU = P0^6;// 数码管段选定义
 
void main(void)
{
       P2 = 0x00;// 关闭所有数码管
       DU = 1;
       DU = 0;// 锁存段
     
       TMOD = 0x01;  // 定时器工作模式配置
       TL0  = T_2ms;
       TH0  = T_2ms>>8;
     
       TR0  = 1;// 启动定时器
       ET0  = 1;// 允许定时器中断
       EA   = 1;// 开总中断
     
       while(1);
}
 
// 定时器1中断函数
void timer0() interrupt 1
{
   static unsigned char index = 0;
         
       TL0  = T_2ms;// 重装初始值
       TH0  = T_2ms>>8;
     
       P2 =MotorCode[index];
       index++;
       if(index >= 8) index = 0;
     
}

图 18-4 电机试验代码

电机连接及驱动芯片如下图所示：

图 18-5 电机试验

将程序下载到单片机中，连接好电机。电机转起来了，但是好像有点不对劲，得 8s 左右才能转一圈，和我们预想的不一致。我们回过头来看电机参数表中有一个减速比 1：64，速度减为原来的 1/64。把这个考虑进去就和我们的现象吻合了。

下面我们写一个程序，让电机转动指定的角度，前面我们讲过转动一圈需要 64 个节拍，而减速比为 1:64 ，因此，电机实际转动一圈需要 64 * 64 = 4096 个节拍。所以转动 angle 度所需的节拍数 beats = (angle * 4096) / 360。根据这个公式编写程序如下：

/*******************************************************************
*   步进电机转动试验
* ******************************************************************
* 【主芯片】：STC89SC52/STC12C5A60S2
* 【主频率】: 11.0592MHz
*
* 【版  本】： V1.0
* 【作  者】： stephenhugh
* 【网  站】：https://rymcu.taobao.com/
* 【邮  箱】：
*
* 【版  权】All Rights Reserved
* 【声  明】此程序仅用于学习与参考，引用请注明版权和作者信息！
         
*
*******************************************************************/
#include <reg52.h>  
#include <reg52.h>  
 
unsigned char code MotorCode[8]={0xDF,0xCF,0xEF,0x5F,0x7F,0x3F,0xBF,0x9F};
 
#define FOSC 11059200 // 单片机晶振频率  
#define T_2ms (65536 - FOSC/12*2/1000)  // 定时器初始值计算  
 
sbit DU = P0^6;// 数码管段选定义
 
unsigned long angle  = 180;// 转动角度
unsigned long beats = 0; // 节拍初始值
 
void main(void)
{
       P2 = 0x00;// 关闭所有数码管
       DU = 1;
       DU = 0;// 锁存段
     
       beats = (angle*4096)/360; // 计算节拍数
     
       TMOD = 0x01;  // 定时器工作模式配置
       TL0  = T_2ms;
       TH0  = T_2ms>>8;
     
       TR0  = 1;// 启动定时器
       ET0  = 1;// 允许定时器中断
       EA   = 1;// 开总中断
     
       while(1);
}
 
// 定时器1中断函数
void timer0() interrupt 1
{
   static unsigned char index = 0;
         
       TL0  = T_2ms;// 重装初始值
       TH0  = T_2ms>>8;
       if(beats != 0)
       {
           P2 =MotorCode[index];
           index++;
           if(index >= 8) index = 0;
           beats--;
       }
}

图 18-6 任意角度程序代码

18.4 本章小结

本章学习了步进电机的驱动原理，并编写了驱动，后续可直接使用了。