基于89C51的两相四拍步进电机控制 课程编号（121200105）
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于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，电机则转过一个步距角。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积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，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。
一， 步进电机的原理
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电
机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为
7.5度 或15度；
反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
步进电机的一些基本参数：
（1），电机固有步距角：
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
（2），步进电机的相数：
是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步
距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
（3），保持转矩（HOLDING TORQUE）：
是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
二， 步进电机程序控制的设计
（1），步进电机的传动方式（两相四拍工作方式）
二相四拍为AB—Ab—ab—Ab—AB，步距角为1.8度 ，其中A和a代表A相绕组正端和负端功率桥信号，其中B和b代表B相绕组正端和负端功率桥信号。在这种工作方式下，首先，A相通电，转子齿与A相定子齿对齐，第二拍，A相继续通电，同时接通B相，AB各自建立的磁场形成一个合磁场。绕组一直以AB~Ab~ab~Ab~AB时序（或反时序）转换4次，磁场旋转一周。且其步距角为1.8度。
（2），硬件接口电路
传统的步进电机控制系统采用硬件进行控制，用一个脉冲发生器产生频率变化的脉冲信号，在经一个脉冲分配器把方向控制信号和脉冲信号转换成有一定逻辑关系的环形脉冲，经驱动电路放大后就可以驱动步进电机了，在这种控制中，若系统发生变化或使用不同类型的步进
电机，需要重新设计硬件电路，系统的可移植性不好，
用微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器，就可以根据系统需要通过软件编程的方法任意设定步进电机的转速，旋转角度，转动次数和控制步进电机的运行情况
（3），脉冲的形成
实现对步进电机的控制，微机应能输出有一定周期的控制卖场
步骤是：先输出一个高电平，延时一段时间后，再输进一个低电平，而后再延时，改变延时时间的长短，即可改变脉冲的周期，脉冲的周期由步进电机的工作频率决定。
程序如下：
（4）控制程序设计
步进电机的正反转程序：
int A = 3;
int B = 4;
int C = 5;
int D = 6;
void setup()
{
pinMode(A, OUTPUT);
pinMode(B, OUTPUT);
pinMode(C, OUTPUT);
pinMode(D, OUTPUT);
}
void fwdinit()//正转初始化
{
digitalWrite(A,LOW);
digitalWrite(B,LOW);
digitalWrite(C,LOW);
digitalWrite(D,LOW);
}
void bwdinit()//反转初始化
{
digitalWrite(A,HIGH);
digitalWrite(B,HIGH);
digitalWrite(C,HIGH);
digitalWrite(D,HIGH);
}
void fwd()//正转
{
delay(10);//每步之间的延时
digitalWrite(A,LOW);
digitalWrite(B,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(B,LOW);
digitalWrite(C,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(C,LOW);
digitalWrite(D,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(D,LOW);
digitalWrite(A,HIGH);//四拍
}
void bwd()//反转
{
delay(10);
digitalWrite(D,LOW);
digitalWrite(A,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(C,LOW);
digitalWrite(D,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(B,LOW);
digitalWrite(C,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(A,LOW);
digitalWrite(B,HIGH);
}
void loop()
{
bwdinit();//对应改为fowinit()
while(1)
{
bwd();//与fwd()即可实现正转
}
}
三，总结与展望
步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字化执行软件。随着计算机应用技术，电子技术和自动控制技术在经
济各领域中的普及与发展，，步进电机的需要量越来越大。所以，作为大学生的我们，必须学好专业知识，，从而在以后的实际工作中，能发挥该有的能力。
基于89C51的两相四拍步进电机控制 课程编号（121200105）
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于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，电机则转过一个步距角。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积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，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。
一， 步进电机的原理
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电
机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为
7.5度 或15度；
反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
步进电机的一些基本参数：
（1），电机固有步距角：
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
（2），步进电机的相数：
是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步
距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
（3），保持转矩（HOLDING TORQUE）：
是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
二， 步进电机程序控制的设计
（1），步进电机的传动方式（两相四拍工作方式）
二相四拍为AB—Ab—ab—Ab—AB，步距角为1.8度 ，其中A和a代表A相绕组正端和负端功率桥信号，其中B和b代表B相绕组正端和负端功率桥信号。在这种工作方式下，首先，A相通电，转子齿与A相定子齿对齐，第二拍，A相继续通电，同时接通B相，AB各自建立的磁场形成一个合磁场。绕组一直以AB~Ab~ab~Ab~AB时序（或反时序）转换4次，磁场旋转一周。且其步距角为1.8度。
（2），硬件接口电路
传统的步进电机控制系统采用硬件进行控制，用一个脉冲发生器产生频率变化的脉冲信号，在经一个脉冲分配器把方向控制信号和脉冲信号转换成有一定逻辑关系的环形脉冲，经驱动电路放大后就可以驱动步进电机了，在这种控制中，若系统发生变化或使用不同类型的步进
电机，需要重新设计硬件电路，系统的可移植性不好，
用微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器，就可以根据系统需要通过软件编程的方法任意设定步进电机的转速，旋转角度，转动次数和控制步进电机的运行情况
（3），脉冲的形成
实现对步进电机的控制，微机应能输出有一定周期的控制卖场
步骤是：先输出一个高电平，延时一段时间后，再输进一个低电平，而后再延时，改变延时时间的长短，即可改变脉冲的周期，脉冲的周期由步进电机的工作频率决定。
程序如下：
（4）控制程序设计
步进电机的正反转程序：
int A = 3;
int B = 4;
int C = 5;
int D = 6;
void setup()
{
pinMode(A, OUTPUT);
pinMode(B, OUTPUT);
pinMode(C, OUTPUT);
pinMode(D, OUTPUT);
}
void fwdinit()//正转初始化
{
digitalWrite(A,LOW);
digitalWrite(B,LOW);
digitalWrite(C,LOW);
digitalWrite(D,LOW);
}
void bwdinit()//反转初始化
{
digitalWrite(A,HIGH);
digitalWrite(B,HIGH);
digitalWrite(C,HIGH);
digitalWrite(D,HIGH);
}
void fwd()//正转
{
delay(10);//每步之间的延时
digitalWrite(A,LOW);
digitalWrite(B,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(B,LOW);
digitalWrite(C,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(C,LOW);
digitalWrite(D,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(D,LOW);
digitalWrite(A,HIGH);//四拍
}
void bwd()//反转
{
delay(10);
digitalWrite(D,LOW);
digitalWrite(A,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(C,LOW);
digitalWrite(D,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(B,LOW);
digitalWrite(C,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(A,LOW);
digitalWrite(B,HIGH);
}
void loop()
{
bwdinit();//对应改为fowinit()
while(1)
{
bwd();//与fwd()即可实现正转
}
}
三，总结与展望
步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字化执行软件。随着计算机应用技术，电子技术和自动控制技术在经
济各领域中的普及与发展，，步进电机的需要量越来越大。所以，作为大学生的我们，必须学好专业知识，，从而在以后的实际工作中，能发挥该有的能力。