步進電機又稱為脈沖電機，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，其動作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其原始模型是起源于年至年間。年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氫弧燈的電極輸送機構(gòu)中。這被認為是最初的步進電機。二十世紀(jì)初，在電話自動交換機中廣泛使用了步進電機。由于西方資本主義列強爭奪殖民地，步進電機在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。二十世紀(jì)五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電機的控制方式更加靈活多樣。

　　步進電機相對于其它控制用途電機的最大區(qū)別是，它接收數(shù)字控制信號電脈沖信號并轉(zhuǎn)化成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。而且它可開環(huán)位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規(guī)定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比，其成本明顯減低，幾乎不必進行系統(tǒng)調(diào)整。步進電機的角位移量與輸入的脈沖個數(shù)嚴(yán)格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機繞組的相序，即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。

　　單片機控制步進電機的設(shè)計與步進電機失步原因

　　單片機控制步進電機的設(shè)計

　　步進電機是工業(yè)控制中應(yīng)用十分廣泛的一種電動機，它能將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移，驅(qū)動速度和指令脈沖能嚴(yán)格同步，具有較高的定位精度，控制系統(tǒng)成本低廉，在經(jīng)濟型數(shù)控機床等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。這里針對電磁干擾較強以及要求低成本應(yīng)用的場合，采用超強抗干擾、小巧低功耗的工業(yè)級STC12C系列單片機，充分利用單片機內(nèi)部的硬件資源，設(shè)計實用的步進電機控制和驅(qū)動系統(tǒng)。

　　1、控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

　　系統(tǒng)功能原理示意圖如圖1所示。

　　在該系統(tǒng)中由單片機直接輸出電機的各相控制脈沖序列，光耦進行必要的光電隔離，采用分立元件構(gòu)成功率.MOSFET管驅(qū)動電路，帶動電機轉(zhuǎn)動。鍵盤接口與 LED顯示功能由具有SPI串行接口功能的ZLG7289實現(xiàn)。既可使用按鍵輸入的方式精確設(shè)置電機的工作方式與轉(zhuǎn)速，也可以通過調(diào)速旋鈕實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)，還能通過上位機實現(xiàn)對電機工作方式的調(diào)整與控制。

　　2、硬件電路設(shè)計

　　2.1 控制電路設(shè)計

　　控制芯片采用STC12C4052AD，它是1個時鐘/機器周期的單片機，速度比普通的8051單片機快8～12倍，有20個引腳且為小巧封裝。該單片機具有超強抗干擾，抗靜電的特點，能輕松通過4 kV快速脈沖干擾，其功耗超低，正常工作模式下的典型功耗為2.7～7 mA。芯片自帶硬件看門狗，具有高速SPI通信端口，8通道8位A/D轉(zhuǎn)換，2路PWM輸出，4 KB容量的FLASH存儲器，256 B容量的SRAM，4個定時器，1個全雙工串行通信口。由于單片機內(nèi)部的資源豐富，性價比高，能夠滿足該設(shè)計的要求，而且減少了硬件電路的設(shè)計，提高了工作效率。單片機的外部引腳定義，及其在該設(shè)計中的資源分布如圖2所示。

　　P1.4（ADC4）口外接4.7 kΩ的可調(diào)電位器，利用單片機內(nèi)部的模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，進而控制輸出脈沖頻率，完成步進電機速度的“連續(xù)”調(diào)節(jié)。過流檢測的結(jié)果直接引入到外部中斷0，實現(xiàn)對電流的快速控制。

　　2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

　　功率MOSFET管的部分驅(qū)動電路如圖3所示。該電路的設(shè)計可改進功率MOSFET管的快速開通時間，提高了驅(qū)動電流的前后沿陡度，能夠改善高頻響應(yīng)。功率MOSFET管柵源間的阻抗很高，工作于開關(guān)狀態(tài)下漏源間電壓的突變會通過極間電容耦合到柵極，產(chǎn)生相當(dāng)幅度的VGS脈沖電壓。正方向的VGS脈沖電壓可能會導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為此，需要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或接一個穩(wěn)壓值小于20 V，而又接近20 V的齊納二極管，以防止柵源開路工作。

　　為了抑制功率管內(nèi)的快恢復(fù)，二極管出現(xiàn)反向恢復(fù)效應(yīng)，在電路中接入4只快恢復(fù)二極管。其中，反并聯(lián)快恢復(fù)二極管的作用是為電機相繞組提供續(xù)流通路，其余2 只是為了使功率MOSFET管內(nèi)部的快恢復(fù)二極管不流過反向電流，以保證功率MOSFET管在動態(tài)工作時能起到正常的開關(guān)的作用。

　　2.3 顯示與按鍵處理電路

　　在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，典型的鍵盤顯示接口電路由基于并行擴展技術(shù)的8155，8279構(gòu)成控制電路。現(xiàn)代單片機應(yīng)用系統(tǒng)廣泛采用串行擴展技術(shù)。相對于并行方式，串行擴展接線靈活，占用單片機資源少。

　　ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同時驅(qū)動8位數(shù)碼管或64只獨立LED的智能顯示驅(qū)動芯片，單片即可完成顯示、鍵盤接口的全部功能。采用串行方式與微處理器通信，數(shù)據(jù)從DIO引腳送入芯片，并由CLK端同步。當(dāng)選信號變?yōu)榈碗娖胶?，DIO引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入 ZLG7289A的緩沖寄存器。圖4是ZLG7289的典型應(yīng)用。ZLG7289A連接共陰式數(shù)碼管，應(yīng)用中不需要的數(shù)碼管與鍵盤可以不連接，省去數(shù)碼管或?qū)?shù)碼管設(shè)置消隱屬性，這均不會影響鍵盤的使用。整個電路無需添加鎖存器和驅(qū)動器，耗電少，軟件設(shè)計中無需編寫顯示譯碼程序，省去了靜態(tài)顯示擴展芯片，大大節(jié)省了CPU的時間。該電路設(shè)計中僅采用4×4鍵盤和4位數(shù)碼管，已完全滿足設(shè)計需要。

　　3、軟件設(shè)計

　　軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。對步進電機轉(zhuǎn)速的控制是通過定時器工作在中斷方式實現(xiàn)的。定時器定時中斷產(chǎn)生周期性脈沖序列，不是采用軟件延時的方式，這樣不占用CPU的時間。CPU在非中斷時間內(nèi)可以處理其他事件，只有在中斷發(fā)生時才驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一步。根據(jù)步進電機勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換，采用查表法求出所需的輸出狀態(tài)，并以二進制碼的形式依次存入單片機內(nèi)部的存儲器中;然后按照正向或反向順序依次取出地址的狀態(tài)字，送給STC12C4052AD，輸出各勵磁狀態(tài)，從而實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能。

　　程序總體框架包括：主程序、過流檢測中斷服務(wù)子程序、定時器中斷服務(wù)子程序、以及其他子程序（包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)子程序、鍵盤顯示控制子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序等），由于篇幅限制，在此不一一敘述。

　　4、系統(tǒng)測試

　　該系統(tǒng)采用超強抗干擾，小巧低功耗的工業(yè)級STC12C4052AD單片機為控制核心，工作可靠性高，抗于擾能力強。系統(tǒng)測試在專門的檢測實驗室內(nèi)進行。利用群脈沖發(fā)生器（EFT-4001）、周波電壓跌落發(fā)生器（VDG-1105）、靜電放電發(fā)生器（ESD-20）以及雷擊浪涌發(fā)生器（SG-5006） 等專用儀器對系統(tǒng)的電壓變化抗擾度、快速瞬變脈沖群抗擾度、抗靜電和雷擊浪涌等參數(shù)進行檢測。經(jīng)過實驗，系統(tǒng)功能正常，所有參數(shù)均已達標(biāo)。

　　電子技術(shù)發(fā)展日新月異，新型單片機層出不窮。在電機控制系統(tǒng)開發(fā)過程中，如果恰當(dāng)選取單片機以及各電路模塊的型號，能夠簡化設(shè)計過程，起到事半功倍的效果。該系統(tǒng)采用STC12C4052AD單片機，其工作方式、轉(zhuǎn)動速率及轉(zhuǎn)矩數(shù)可以通過鍵盤輸入，也可通過普通旋鈕或上位機調(diào)節(jié)。鍵盤顯示模塊采用 ZLG7289實現(xiàn)。本系統(tǒng)具有通用性，適當(dāng)改變輸出口各位控制端，便可控制不同相數(shù)的步進電機。

　　單片機控制步進電機的失步原因分析

　　單片機控制步進電機易出現(xiàn)失步、低頻振動及易受外界電磁干擾而影響步進電機的正常工作，從步進電機本身的特性和控制驅(qū)動系統(tǒng)等方面分析了問題出現(xiàn)的原因，從控制驅(qū)動系統(tǒng)電磁干擾方面來講步進電機運行時的不穩(wěn)定主要受兩個方面的影響，一是步進電機本身的機械特性所致，另一方面是控制驅(qū)動系統(tǒng)本身受外界環(huán)境因素和程序結(jié)構(gòu)等方面產(chǎn)生的影響。

　　步進電機運行時存在的低頻振動即轉(zhuǎn)子的振蕩現(xiàn)象，會引起齒輪碰撞，產(chǎn)生噪聲！這種噪聲是步進電機的固有特性造成的;同時步進電機還存在諧振點，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到其機械諧振點時就會產(chǎn)生諧振和噪聲;另外步進電機在高頻啟動和停止時也會因為強烈的沖擊產(chǎn)生振動和噪聲。

　　電磁干擾將有可能使單片機控制系統(tǒng)工作發(fā)生紊亂，使單片機產(chǎn)生誤動作甚至死機等，嚴(yán)重影響步進電機運行的穩(wěn)定性。單片機控制步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的干擾源主要來自外部電源、內(nèi)部電源、印制板自制干擾、空中周圍電磁場干擾、外部干擾信號可以通過公共導(dǎo)線、電容、相鄰導(dǎo)線的互感以及空間輻射等途徑從干擾源耦合到敏感元件上。

　　驅(qū)動系統(tǒng)中影響比較突出的幾個方面加以分析：

　　1、布線不合理。同一回路或不同回路間布線不合理時容易產(chǎn)生感生電動勢，形成電磁干擾。

　　2、供電干擾。工作時，交流電網(wǎng)負載突變時產(chǎn)生幅值較大的瞬變電壓波經(jīng)由直流穩(wěn)壓電源進入電子控制回路，從而影響單片機供電電源的穩(wěn)定。

　　3、單片機與步進電機驅(qū)動回路之間，驅(qū)動回路產(chǎn)生的干擾信號通過線路竄入單片機，使單片機產(chǎn)生誤動作，從而導(dǎo)致步進電機出現(xiàn)多步或失步現(xiàn)象。

　　4、步進電機的電樞繞組通斷頻繁，當(dāng)通電時，會產(chǎn)生較大的電壓電流的梯度變化，導(dǎo)致磁場耦合，形成嚴(yán)重的電磁干擾。當(dāng)電樞繞組斷電時，線圈中的磁場突然消失會產(chǎn)生很高的瞬變電壓竄入控制回路，對系統(tǒng)中其它電子裝置產(chǎn)生相當(dāng)大的電能沖擊甚至損壞元件。

　　51單片機驅(qū)動步進電機的方法

　　驅(qū)動電壓12V，步進角為 7.5度 。 一圈 360 度 ， 需要 48 個脈沖完成！

　　該步進電機有6根引線，排列次序如下：1：紅色、2：紅色、3：橙色、4：棕色、5：黃色、6：黑色。采用51驅(qū)動ULN2003的方法進行驅(qū)動。

　　ULN2003的驅(qū)動直接用單片機系統(tǒng)的5V電壓，可能力矩不是很大，大家可自行加大驅(qū)動電壓到12V。

　　步進電機是將電脈沖信號轉(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，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 目前，生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。