1.1.6 步進電動機

1.步進電動機功能

步進電動機是一種能夠將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件，它實際上是一種單相或者多相同步電動機。單相步進電動機由單路電脈沖驅動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅動，多相步進電動機由多相方波脈沖驅動，用途非常廣泛。

使用多相步進電動機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉換為多相脈沖信號，在經功率放大后分別送入步進電動機各個繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機各相的通電狀態就發生變化，轉子會轉過一定的角度（稱為步距角）。

正常情況下，步進電動機轉過的總角度和輸入的脈沖數成正比；連續輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉速與輸入脈沖頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接收數字量輸入，所以特別適合于微機控制。

在物聯網系統中，步進電動機是一種使用非常廣泛的設備。利用步進電動機可以控制多種設備實現聯動，如門禁系統控制門的開啟和關閉，ETC自動抬桿，控制窗簾自動開關等。

2.步進電動機的特性

步進電動機轉動使用的是脈沖信號，而脈沖是數字信號，這恰好是計算機所擅長處理的數據類型。從20世紀80年代開始開發出了專用的IC驅動電路，目前，在打印機、磁盤器等的OA裝置的位置控制中，步進電動機是不可缺少的組成部分。

（1）步進電動機的優點

●不需要反饋，控制簡單。

●與微機的連接、速度控制（啟動、停止和反轉）及驅動電路的設計比較簡單。

●沒有角累積誤差。

●停止時也可保持轉矩。

●沒有轉向器等機械部分，不需要保養，故造價較低。

●即使沒有傳感器，也能精準定位。

●根據給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉動。

（2）步進電動機的缺點

●難以獲得較大的轉矩。

●不宜用作高速轉動。

●在體積重量方面沒有優勢，能源利用率低。

3.兩相四線步進電動機工作原理

兩相四線步進電動機最簡單的構成為Nr=1。一般兩相電動機定子磁極數為4的倍數（至少是4）。轉子為N極與S極各有一個的兩極轉子。工作原理如圖1-32所示。

定子一般用硅鋼片疊壓制作，定子磁極數為4極，相當于一相繞組占兩個極，A相兩個極在空間相差180°，B相兩個極在空間也相差180°。電流在一相繞組內正負流動（此種驅動方式稱為雙極性驅動），A相與B相電流的相位相差90°，兩相繞組中矩形波電流交替流過。

即兩相電動機的定子，在Nr=1時，空間相差90°，時間上電流相差90°相位差，電流與普通的同步電動機相似，在定子上產生旋轉磁場，轉子被旋轉磁場吸引，隨旋轉磁場同步旋轉。圖1-32表示兩相步進電動機的結構（PM型）及其運行原理，從圖1-32a到圖1-32b順時針旋轉90°，圖1-32c、d均旋轉90°，依次不斷旋轉成為連續旋轉。以上圖為例，假如A相有兩個線圈，單向電流交替流過兩個線圈，也可產生相反的磁通方向，此方式稱為單極（Uni-Polar）型線圈。圖1-33所示線圈內部只流過單方向電流，此線圈稱為單極型線圈；另一種，線圈內流過正、反方向電流的線圈稱為雙極型線圈。

圖1-32中的兩相單極型線圈在有些文獻中也被稱為四相步進電動機，此時其轉子極對數、齒數Nr，以及步距角θ_s均與雙極型線圈相同。兩相電動機的定義符合式θ_s=180°/PNr，即將轉子齒數和步距角θ_s代入式θ_s=180°/PNr，如P=2，則為兩相電動機，如Nr相同，P=4，步距角θ_s只有1/2，則電動機為四相電動機。

兩相步進電動機現在應用廣泛，實際電動機的構造比圖1-33（PM雙極型兩相步進電動機結構與運行原理）復雜，定子除采用疊片外，還有爪極結構，但基本原理可參考圖1-32。圖1-34中所示的轉子被稱為PM型（永久磁鐵或永磁式）轉子，磁性圓柱的外表面形成轉子磁極。兩相四線步進電動機脈沖的分配如圖1-34所示。

任務實施

本項目從物聯網技術典型的應用場景——智慧家居的設計入手，采用Keil C51軟件和Proteus仿真軟件方式，讓讀者對物聯網單片機應用技術的開發軟件有一個初步的認識。然后通過幾個智慧家居常見項目的設計，了解物聯網單片機應用技術中的單片機知識，掌握項目設計的主要步驟和相關拓展知識。

本項目主要以51單片機控制步進電動機，再由步進電動機對其他家居進行控制，從而達到初步實現智慧家居的目的。

1.軟件編程

以下為使用單片機控制一個步進電動機運行的程序，利用Keil C51軟件生成HEX文件用以后續軟件仿真。主程序設計如下。

2.Proteus軟件仿真步進電動機控制電路圖繪制

（1）選取元器件 圖1-35所示，進入Proteus界面后，選擇繪圖工具欄中“Component Mode”命令（元器件模式），然后在對象選擇窗口中單擊“P”按鈕，彈出“Pick Devices”對話框。在對話框的“Keywords”文本框中輸入要使用的元器件，在右邊框選中要使用的元器件，則其元器件會出現在對象選擇窗口中。步進電動機模塊需選用的元器件如圖1-36所示。

（2）放置元器件 圖1-37所示，在對象窗口中單擊要使用的元器件，然后將鼠標移動到右邊的圖形編輯窗口的適當位置并單擊，就把該元件放到了圖形編輯窗口。將所有要使用的元器件逐一放到圖形編輯窗口中。

（3）放置電源及接地符號 圖1-38所示，在繪圖工具欄中選擇“Terminals Mode”（終端模式）選項，單擊對象選擇窗口中的“POWER”和“GROUND”選項，把鼠標指針移到圖形編輯窗口并雙擊，即可完成電源和接地符號的放置。

（4）對象的編輯 圖1-39所示，在圖形編輯窗口中，對元器件的位置進行適當的調制，保證圖形美觀，間距適中。對元器件的名稱和參數的調整可采用右鍵單擊該器件，在彈出的元器件編輯窗口中進行修改。

（5）原理圖連線 在原理圖中完成各類元器件的電氣連接。

（6）電氣規則檢測 在完成設計后，單擊“Tools”菜單→“Electrical Rule Check”命令，彈出電氣規則檢測結果窗口。在結果窗口中，查看最后兩行的文字說明。如果有錯，則會說明。

3.任務結果及數據

1）右鍵單擊“U1”，在彈出的菜單中選擇“Edit Component”命令，出現“Edit Component”對話框，單擊“Program File”框后的“文件夾”按鈕，如圖1-40所示。

2）選擇要裝入的HEX文件，完成HEX文件的添加，然后單擊“OK”按鈕，如圖1-41所示。

3）單擊“仿真進程控制”中的“開始”按鈕，可以看到仿真結果，如圖1-42所示。仿真結果如圖1-43和圖1-44所示，可以看到電動機正轉和反轉成功。