步进电机的自动化控制探究

谢正刚

摘 要：本文主要研究步進电机的自动化控制，首先介绍了步进电机的工作原理，在此基础上设计了对应的硬件电路，通过ULN2003芯片驱动其运转，最后通过设计专门的软件流程来实现对单片机运转的自动控制。

关键词：步进电机；自动化；单片机

一、步进电机的工作原理

步进电机有很多种，按照不同的实现原理可以分为反应式、永磁式、永磁感应式三类，不同类型的步进电机通过不同的工作原理，来实现相同的制动动力，最终实现了步进电机以固定的旋转角为基本步长的动力类型。三类步进电机可以实现不同的旋转角，以磁阻式步进电机为例，可以实现旋转角为1°到

15°，甚至更小的步距角，有效地为其他提供了固定步距的动力。如图1所示，为三相步进电机的工作原理图。

如图所示，三相步进电机是由定子和转子构成，二者之间通过磁场力来实现转子按照固定步距的旋转。如图可知，三相步进电机定子分别为AABBCC，如果对其依次通电，那么A定子对应的转子为了使磁阻最小，就会带动转子使其与A对其，如果此时停止对A通电，对B开始通电，那么与B对应的转子为了减少磁阻而带动转子旋转与B对其，以此类推即可知道，如果对转子的通电顺序和时间间隔都是固定的，那么转子就会在固定的时间内，按照固定的旋转角度带动转子进行旋转，进而提供固定旋转角度的动力。

二、步进电机的自动化控制

由步进电机的工作原理可知，主要连续地对定子进行有序的固定时长的通电，那么步进电机就会按照一定的旋转角度和选装方向进行转动。如果改变通电时间间隔，那么步进电机旋转的每一步之间的时间间隔就会发生变化，如果对定子通电的顺序发生变化，那么转子的旋转方向就会发生变化，对外界产生的动力也就随之产生变化。单片机是常见的产生产生脉冲信号的有效控制器件，而51系列的单片机以其价格低、性能高、稳定性好而在很多领域得到广泛应用。对于步进电机的自动化控制，主要思想就是通过单片机生成稳定的脉冲信号，通过脉冲信号驱动步进电机的通电状态来实现其自动化控制，而人为地通过编程，来控制脉冲信号的频率、占空比以及其他特性，来实现对步进电机的旋转方向、步长时间的有效控制。

（一）单片机控制步进电机的硬件设计图。使用单片机对步进电机进行控制，主要是通过AT89C51数据输入输出端口连接到步进电机，为步进电机发送脉冲信号即可。如图2所示，为基于AT89C51单片机实现步进电机自动化控制的硬件结构设计图。

由图2.可知，步进电机的自动化控制主要由AT89C51完成，通过该单片机的数据输入输出端口，连接ULN2003芯片，进而连接到步进电机来驱动该电机运转。由于AT89C51单片机属于低电压驱动的COMS控制器，数据输出信号的功率较小，不能直接驱动步进电机运转，需要有ULN2003芯片最为步进电机的驱动芯片，将单片机的功率较小的脉冲信号进行放大，进而驱动步进电机运转。

（二）单片机的软件流程逻辑设计。步进电机的控制，最终是通过单片机生成数字脉冲信号来实现，而单片机生成脉冲信号，则是通过人为的编程来实现，按照步进电机控制系统的运转逻辑，可以为单片机进行编程。

单片机的软件流程设计，目标是为了配合硬件电路，生成脉冲信号实现对步进电机的控制。首先，对单片机内部的各个组件进行初始化设置，如对连接ULN2003芯片的端口设置成数据输出端口，对开关控制连接的端口设置成数据接收端口，并且对定时器进行初始化操作，对单片机外的各种工作芯片发送控制字，使其处在工作状态，然后检测步进电机的工作状态，如果处在停止状态，则可开始发送控制脉冲，使其工作。

数字脉冲的生成原理，可以采用最近本的时间控制改变输出端口电压的原理，即在ULN2003芯片连接端口，首先使其处在高电压，然后启动定时器，当定时器到达固定时间后，在为该端口发送电压，在初始化定时器并且启动计时，当到达固定时间后，再将其变成高电压，周而复始，实现数字脉冲的信号的生产，进而控制步进电机运转。

总结：步进电机的自动化控制，主要是通过单片机生成脉冲信号，通过ULN2003芯片驱动步进电机自动旋转，进而产生动力。所以在实现步进电机的自动化控制系统时，需要设计相应的硬件电路，使ULN2003芯片连接步进电机，并且在单片机编程，通过定时器定时改变输出端口电压来实现脉冲信号生成，进而控制步进电机运转。

参考文献：

[1] 成新. 基于单片机的步进电机控制系统研究[J]. 电子技术与软件工程. 2015（05）