17.1 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主要执行元件，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。
17.2 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。
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。时序如下表所示：
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，LED7-LED4 为输入端，连接到单片机的 I/O 口 P1.7-P1.4，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。
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。
17.3 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：
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
uchar code MotorCode[8]={0xBF,0x3F,0x7F,0x6F,0xEF,0xCF,0xDF,0x9F};//电机节拍
#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 = P2^7;//数码管段选、位选引脚定义
sbit WE = P2^6;
void main()
{
P0 = 0;//关闭所有数码管
WE = 1;
WE = 0;
TMOD = 0x01; //定时器工作模式配置
TL0 = T_2ms; //装载初始值
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0中断子程序,定时2ms
void timer0() interrupt 1
{
static uchar index=0;
TL0 = T_2ms;//重装初始值
TH0 = T_2ms>>8;
P1 = MotorCode[index];
index++;
if(index>=8) index=0;
}
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：
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
uchar code MotorCode[8]={0xBF,0x3F,0x7F,0x6F,0xEF,0xCF,0xDF,0x9F};//电机节拍
#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 = P2^7;//数码管段选、位选引脚定义
sbit WE = P2^6;
unsigned long angle = 180;
unsigned beats = 0;
void main()
{
P0 = 0;//关闭所有数码管
WE = 1;
WE = 0;
beats = (angle * 4096) /360; //计算节拍数
TMOD = 0x01; //定时器工作模式配置
TL0 = T_2ms; //装载初始值
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0中断子程序,定时2ms
void timer0() interrupt 1
{
static uchar index=0;
TL0 = T_2ms;//重装初始值
TH0 = T_2ms>>8;
if(beats != 0 )
{
P1 = MotorCode[index];
index++;
if(index>=8) index=0;
beats--;
}
}
17.4 小结
本章详细介绍了步进电机的工作原理及简单应用。