单片机控制步进电机
导体器件都是完全国产化，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计时器，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。70年代初，步进电机的生产和研究都有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应时步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能的电机不断被发展。至80年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛应用。
国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩不仅电动，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业材料，工业生产设备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。
目前，生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只有一，二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目阶段。这就给户在产品选型，使用中造成许多麻烦。虽然步进电机已被广泛的应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号，功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械，电机，电子及计算机等许多专业知识。
1.3 本文研究内容
本设计采用51单片机80C51（晶振频率为12MHZ）对三相步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V）进行控制。通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿 管组成。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关闭态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。通过ULN2003构成步进电机的驱动电路。
1.4设计方案的论证
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（1）控制方式的确定
步进电机是一个比较精确的控制，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，系统控制的CPU脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定时。延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的CP脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是CP脉冲的周期，该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出CP脉冲的周期。因为本设计是比较简单的控制过程，故采用延时程序。
图1-2 控制系统组成框图
（2）驱动方式的确定
步进电机的驱动一般有两种方式。一种是通过CPU直接来驱动，这种方法一般不宜采取，因为CPU的输出电流脉冲是特别小的，它不能足以让步进电机的转动；另一种是通过CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。所以本次设计应采用CPU间接驱动步进电机。 （3）驱动电路的选择
步进电机的驱动电路有多种，但最为常用的就是单电压驱动，双电压驱动，斩波驱动，细分控制驱动等。但因本次设计对步进电机的精度要求比较高，转速的调节范围比较广，固应选择驱动芯片ULN2003来驱动并通过软件来实现步进电机的正反转，起停。
1.5设计的意义与要解决的问题
使用单片机以软件方式驱动步进电机，通过编程方法，对步进电机的往返转动的角度以及正反转，起动停止控制，转动次数等进行控制，使其在一定范围下运行，还可以方便灵活的控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的需要。
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2 步进电机的基本知识
图2-1步进电机外观图
2.1 步进电机的概念
图2-1为步进电机的外观图，步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。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，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。控制步进电机的速度，即给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。同时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。
在非超载的情况下，电机的转速，停止的位置只取决与脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步进角，这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。
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2.2 步进电动机的结构
一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。每输入一个冲信号，该电动机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。
步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用将逐渐扩大。
步进电动机的种类很多，按结构可分为反应式和激励式两种；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。 图2-2反应式步进电动机的结构示意图
图2-2是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，联法如图所示。
2.3 步进电机的特点
1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
2．步进电机外表允许的最高温度步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
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4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
5．步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，即非常简单、廉价、有非常的可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
6.步进电机的动态响应快，易于起停，正反转。
7.速度可以在相当宽的范围内平滑调节，因此，可以不用减速器而直接带负载。
8.步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。
2.4 步进电机的原理
反应式步进电机
由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理 1.结构：
电机转子上均匀分布很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：
图2-3定转子展开图
2、旋转：
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移
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