步進(jìn)電機(jī)是一種無刷電機(jī)，怎樣采用51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種無刷電機(jī)，可將電脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械旋轉(zhuǎn)。顧名思義，它根據(jù)輸入脈沖逐步旋轉(zhuǎn)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件。

步進(jìn)電機(jī)相比其他電機(jī)來說，一般具有5個(gè)比較明顯的特征：

第一，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)，正確的定位

第二，可通過脈沖信號(hào)簡單控制

第三，體積小型，高轉(zhuǎn)矩

第四，可自行保持停止位置

第五，可進(jìn)行大慣性負(fù)載

廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)電子應(yīng)用。簡而言之，用于任何需要精確旋轉(zhuǎn)或定位對(duì)象的地方。

在單片機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，在此和大家分享一個(gè)小項(xiàng)目。

- 操作 -

步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部線圈原理圖：

步進(jìn)電機(jī)通常具有多個(gè)勵(lì)磁線圈(相)和一個(gè)帶齒轉(zhuǎn)子。電機(jī)的步長由相數(shù)和轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)決定。步長是轉(zhuǎn)子一步的角位移。比如一個(gè)步進(jìn)電機(jī)有 4 相 50 個(gè)齒，則轉(zhuǎn)一圈需要 50×4=200 步。因此步距角為 360/200=1.8°。

本次使用的步進(jìn)電機(jī)有 4 極和一個(gè) 1/64 減速齒輪機(jī)構(gòu)，用于增加扭矩。電機(jī)的步距角為 5.64°。但在考慮減速齒輪，輸出軸的步距角為5.64/64°。

將步進(jìn)電機(jī)按照電路圖連接到 8051 的P1.0、P1.1、P1.2 和 P1.3 引腳分別用于控制步進(jìn)電機(jī)的 A1、A2、A3 和 A4 相。ULN2003 用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各個(gè)相位。

ULN2003 是一種達(dá)林頓晶體管陣列，用于驅(qū)動(dòng)繼電器和電機(jī)等大電流負(fù)載。ULN2003 有 8 個(gè)單獨(dú)的通道，每個(gè)通道的容量為 1A，通道可以并聯(lián)以增加電流容量。每個(gè)通道都配有單獨(dú)的續(xù)流二極管，通道通過提供邏輯低電平來激活。例如，我們將 ULN2003 的引腳 1 設(shè)為低電平，則步進(jìn)電機(jī)的 A1 接通。

程序設(shè)計(jì)

按照上圖的引線順序，按時(shí)序循環(huán)給A1、A2、A3、A4相應(yīng)的控制。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一-個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。

1、特點(diǎn)

1)當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一定順序的脈沖時(shí)，它就會(huì)根據(jù)脈沖的控制時(shí)序進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)，

脈沖的順序決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向，脈沖的個(gè)數(shù)決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，脈沖的頻率決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速;

2)有脈沖時(shí)步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，沒有脈沖時(shí)它就會(huì)保持當(dāng)前位置;

3)步進(jìn)電機(jī)具有快速啟動(dòng)和快速停止的特性;

4)當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與負(fù)載無關(guān);

5)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向很容易地通過反方向給脈沖時(shí)序來改變。

步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)通過輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是根據(jù)單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)進(jìn)行工作。因此，單片機(jī)通過向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)就 能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。 如圖 1 所示，開始時(shí)，開關(guān) SB 接通電源，SA、SC、SD 斷開，B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、3 號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的 1. 4 號(hào)齒就和 C、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5 號(hào)齒就和 D、A 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。 當(dāng)開關(guān) sc 接通電源，SB、SA、SD 斷開時(shí)，由于 C 相繞組的磁力線和 1.4 號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1. 4 號(hào)齒和 C 相繞組的磁極對(duì)齊。而 0、3號(hào)齒和 A、B 相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5 號(hào)齒就和 A、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A. B、C、D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A. B、C、D 方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。

圖1 步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)工作模塊

本次設(shè)計(jì)中采用四相單拍工作方式，在這種工作方式下,A、B、C、D 三相輪流通電,電流切換三次,磁場旋轉(zhuǎn)一周,轉(zhuǎn) 子向前轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角。因此這種通電方式叫做四相單四拍工作方式。

298N 是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其中每個(gè)H橋可以提供2A的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5-48v，邏輯部分5v供電，接受5vTTL電平。一般情況下，功率部分的電壓應(yīng)大于6V否則芯片可能不能正常工作。它可以用來控制直流電機(jī)，也可以控制步進(jìn)電機(jī)。

(2)步進(jìn)電機(jī)簡介

步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動(dòng)作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)可以把電脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，因此，計(jì)算機(jī)成為步進(jìn)電機(jī)的理想驅(qū)動(dòng)源， 隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結(jié)合的控制方式成為了主流，即通過程序產(chǎn)生控制脈沖，驅(qū)動(dòng)硬件電路。單片機(jī)通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)， 更好地挖掘出了電機(jī)的潛力。在不超載的情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和數(shù)量;并且步進(jìn)電機(jī)的脈沖與步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的角度成正比，脈沖的頻率與步進(jìn)的轉(zhuǎn)速成正比，所以可以很好的從源頭控制信號(hào)的輸出;且步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。下面是步進(jìn)電機(jī)的拆解圖：

本設(shè)計(jì)就是使用proteus仿真軟件對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制進(jìn)行簡單的仿真，幫助大家了解和入門步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)然如果想要更好的控制電機(jī)還是需要?jiǎng)e的控制算法，這里先不做介紹。

(3) LCD1602液晶顯示器

LCD1602液晶顯示器曾經(jīng)是廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊。它是由字符型液晶顯示屏(LCD)、控制驅(qū)動(dòng)主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成。不同廠家生產(chǎn)的LCD1602芯片可能有所不同，但使用方法都是一樣的。為了降低成本，絕大多數(shù)制造商都直接將裸片做到板子上。不多目前這種液晶性價(jià)比并不好，使用的越來越少了。

二、設(shè)計(jì)目標(biāo)

使用51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加減速。設(shè)置有三個(gè)按鍵，通過按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和加減速等。同時(shí)設(shè)計(jì)有LCD1602液晶顯示器，通過LCD1602可以顯示步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)，包括方向、啟停，檔位等。