一种单片机控制的步进电机设计与分析

　　摘要：文章对步进电机及其控制方法进行了论述，通过修改相应的电路及相关程序实
现，提高了系统控制的灵活性。此种方法高效、方便、成本低廉，在实际应用中有着很高的利
用价值。

 

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　　关键词：步进电机

 单片机 控制系统 

　　

 步进电机能将输入的电脉冲信号转换成输出轴的角位移或直线位移，这种电机每输入

一个脉冲信号，输出轴便转动一定的角度或前进一步，因此又被称作脉冲电机或步级电机。
步进电机输出轴的角位移量与输入脉冲数成正比，不受电压以及环境温度的影响，也没有
累积的定位误差，因此控制输入的数字脉冲数即可实现电机的精确定位；而步进电机输出
轴的转速与输入的脉冲频率成正比，控制输入的脉冲频率就能准确的控制步进电机的转速
可以实现在宽广的范围内精确调速。

 

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1 步进电机的工作原理   

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 按照转子结构及材料的不同,步进电机分为反应式、永磁式和混合式三类。其中,反应式

步进电机因其性价比高

,应用非常广泛,在单片机系统中应用较多。步进电机实际上是一个数

字

/角度转换器。步进电机的励磁绕组可以制成各种相数,常见的有单相、三相、四相和五相等

多 种 。 电 机 分 为 转 子 和 定 子 两 部 分 。 定 子 由 电 工 硅 钢 片 叠 压 而 成

, 有 6 个 等 分 的 磁

极

:U、U'、V、V'、W 和 W'。相对的两个磁极组成一对,共有三对。每对磁极上都绕有同一绕组,也

就形成了一相。这样

,三对磁极有三个绕组,形成三相。类似地,四相步进电机有四对磁极、四个

绕组

,以此类推。每个磁极的内表面分布着大小相同、间距相同的多个小齿。转子圆周表面也

均匀分布着与定子小齿形状相似、齿间距相同的小齿。反应式步进电机运动的动力来自于电
磁力。当某一相定子绕组通电时

,其对应的磁极就产生了磁场,并与转子形成磁路。  

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2 步进电机的控制方式   

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 为了控制步进电机的转动,使其实现数字到角度的转换,可以由单片机按顺给电机绕组

施加有序的脉冲电流。转过的角度数正比于脉冲个数

,转动的速度正比于脉冲频率,转动的方

向则与脉冲顺序有关。对三相步进电机施加电流脉冲可有如下三种方式

:

① 单相三拍:按单相

绕 组 顺 序 施 加 电 流 脉 冲

, 一 周 期 加 电 3 次 , 顺 序 如 下 : 正 转 :U→V→W→(U); 反

转

:U→W→V→(U)

② 双相三拍:双相即每次对两相绕组同时通电。按双相绕组顺序施加电流

脉 冲

, 一 周 期 加 电 3 次 , 顺 序 如 下 : 

正 转

:UV→VW→WU→(UV); 反

转

:UW→WV→VU→(UW)

③ 单双相六拍:按单相绕组与双相绕组交替方式施加电流脉冲,一

周期加电

6 次(单相 3 次、双相 3 次),顺序如下:正转:U→UV→V→VW→W→WU→(U);反

转

:U→UW→W→WV→V→VU→(U)。单相三拍或双相三拍两种方式,每拍步进角均为 3°,转

子转过一个齿距角

(9°)要用三拍;单双相六拍方式每拍步进角均为 1.5°,转子转过一个齿距角

(9°)要用六拍。六拍方式比三拍方式运行平稳,但六拍驱动脉冲的频率需要提高一倍,要求驱
动开关管有更好的开关特性。另外双相与单相相比

,每一拍中,双相方式都有两相通电,每一相

通电时间都持续两拍。因此

,双相三拍比单相三拍消耗的电功率大,当然获得的电磁转矩也大。

 

 

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3 控制系统的实现   

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3.1 加减速曲线的分析与实现。其实所谓的加减速就是速度变化的过渡过，在起动阶段，

控制频率以特定的规律慢慢增加，从而速度可以平稳的升至预定值；而停止时控制频率再
以相应的规律慢慢减小，从而速度平稳的降低直至完全停止。一般加减速算法有梯形曲线和
指数曲线以及

S 曲线三种，其中 S 曲线算法加减速平稳，而且有较好的快速性及柔性，因

此在数控系统中应用广泛。本文采用

S 曲线算法。单片机中有三个定时器，其中两个需要分

别控制两个步进电机，而剩下的一个则用于实现数码管显示加工时间。所以在设计程序的过
程中，只需把采样周期

T 转换为 N，即在一个采样周期内，其脉冲个数只需要对定时器的