一、步進(jìn)電機(jī)控制器的定義和工作原理

步進(jìn)電機(jī)控制器是一種專門用于控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)備，它通過(guò)發(fā)出脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度、速度和方向的精確控制。步進(jìn)電機(jī)控制器通常包括一個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生器、一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)控制板。脈沖信號(hào)發(fā)生器負(fù)責(zé)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器則將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)所需的強(qiáng)電流信號(hào)，而控制板則負(fù)責(zé)接收和處理控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制。

步進(jìn)電機(jī)控制器的工作原理可以概括為以下幾個(gè)步驟：

脈沖信號(hào)產(chǎn)生：步進(jìn)電機(jī)控制器中的脈沖信號(hào)發(fā)生器根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)(如脈沖頻率、脈沖數(shù)等)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。這些脈沖信號(hào)是控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵。

信號(hào)傳輸與放大：產(chǎn)生的脈沖信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行傳輸和放大。驅(qū)動(dòng)器將微弱的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)所需的強(qiáng)電流信號(hào)，以滿足電機(jī)工作的需要。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)：放大后的強(qiáng)電流信號(hào)進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按照預(yù)設(shè)的參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)控制繞組的通電順序和通電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的精確轉(zhuǎn)動(dòng)。

反饋與調(diào)整：步進(jìn)電機(jī)控制器還具備反饋功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并作出調(diào)整。通過(guò)反饋電路，控制器可以獲取電機(jī)的實(shí)際位置、速度等信息，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較。如有偏差，控制器會(huì)調(diào)整脈沖信號(hào)的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的精確控制。

二、步進(jìn)電機(jī)控制器的功能與作用

精確控制：步進(jìn)電機(jī)控制器能夠精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、速度和方向。通過(guò)調(diào)整脈沖信號(hào)的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的精確轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足各種復(fù)雜工況下的控制需求。

自動(dòng)化操作：步進(jìn)電機(jī)控制器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，降低人工干預(yù)的需求。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中，步進(jìn)電機(jī)控制器可以根據(jù)預(yù)設(shè)的程序自動(dòng)調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和智能化。

提高效率與精度：步進(jìn)電機(jī)控制器可以優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，提高生產(chǎn)效率和精度。通過(guò)精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度，可以減少不必要的能耗和磨損，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命。

廣泛適用：步進(jìn)電機(jī)控制器具有廣泛的適用性，可以應(yīng)用于各種需要精確控制的場(chǎng)合。例如，在精密機(jī)械控制、機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，步進(jìn)電機(jī)控制器都發(fā)揮著重要的作用。

三、步進(jìn)電機(jī)控制器的分類及其特點(diǎn)

步進(jìn)電機(jī)控制器作為工業(yè)自動(dòng)化和精密機(jī)械控制中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能的穩(wěn)定性和控制的精確性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)控制器的種類也日益豐富，每種類型都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。

1、數(shù)字式步進(jìn)電機(jī)控制器

數(shù)字式步進(jìn)電機(jī)控制器主要利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，通過(guò)內(nèi)部的微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精確控制。這類控制器具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性，可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法和邏輯。數(shù)字式步進(jìn)電機(jī)控制器通常具有高精度、高速度、低噪音和低振動(dòng)等特點(diǎn)，適用于需要高精度定位和控制的場(chǎng)合。

特點(diǎn)：

高精度：由于采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更高的控制精度。

靈活性：可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法和邏輯。

可擴(kuò)展性：可以方便地與其他設(shè)備進(jìn)行通信和集成。

2、模擬式步進(jìn)電機(jī)控制器

模擬式步進(jìn)電機(jī)控制器通常采用模擬電路來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這類控制器通過(guò)調(diào)整輸入到步進(jìn)電機(jī)的電壓、電流、相位等參數(shù)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和位置。模擬式步進(jìn)電機(jī)控制器具有響應(yīng)速度快、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適用于對(duì)控制精度要求不高的場(chǎng)合。

特點(diǎn)：

快速響應(yīng)：由于采用模擬電路控制，響應(yīng)速度快。

控制簡(jiǎn)單：無(wú)需復(fù)雜的編程，只需調(diào)整輸入?yún)?shù)即可實(shí)現(xiàn)控制。

3、環(huán)路步進(jìn)電機(jī)控制器

環(huán)路步進(jìn)電機(jī)控制器是一種基于硬件電路的控制器，其內(nèi)部包含了一個(gè)環(huán)路算法，可以智能化、自動(dòng)化地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。這類控制器通常具有可靠性高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適用于對(duì)控制精度和穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合。

特點(diǎn)：

可靠性高：由于采用硬件電路控制，具有較高的可靠性。

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單：無(wú)需復(fù)雜的編程和調(diào)試，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便。

4、PLC（可編程邏輯控制器）

PLC作為一種通用的工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備，也可以用于步進(jìn)電機(jī)的控制。PLC具有多通道高速脈沖輸出口，可以同時(shí)控制多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。由于PLC功能全面，步進(jìn)電機(jī)控制只是其眾多功能之一。

特點(diǎn)：

多功能性：除了步進(jìn)電機(jī)控制外，還可以實(shí)現(xiàn)其他多種控制功能。

易于編程：采用梯形圖或結(jié)構(gòu)化文本等編程語(yǔ)言，易于學(xué)習(xí)和使用。

5、單片機(jī)控制器

以STM32、51單片機(jī)為代表的單片機(jī)芯片也可以作為步進(jìn)電機(jī)控制器使用。這類控制器通常具有高速單脈沖輸出口，可以實(shí)現(xiàn)精確的步進(jìn)電機(jī)控制。但單片機(jī)芯片的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，需要一定的編程經(jīng)驗(yàn)。

特點(diǎn)：

集成度高：將控制功能集成在單一芯片上，減少了硬件復(fù)雜度。

可編程性：可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制算法和邏輯。

6、驅(qū)控一體式控制器

驅(qū)控一體式步進(jìn)電機(jī)控制器將驅(qū)動(dòng)功能和控制功能集成在一起，無(wú)需外接驅(qū)動(dòng)器。這類控制器具有豐富的IO接口，可以連接步進(jìn)電機(jī)編碼器、電動(dòng)機(jī)限位開(kāi)關(guān)等設(shè)備。驅(qū)控一體式控制器通常具有操作簡(jiǎn)便、可靠性高等特點(diǎn)。

特點(diǎn)：

操作簡(jiǎn)便：無(wú)需外接驅(qū)動(dòng)器，減少了硬件連接和調(diào)試的復(fù)雜性。

可靠性高：由于將驅(qū)動(dòng)和控制功能集成在一起，減少了故障點(diǎn)。

步進(jìn)電機(jī)控制器作為工業(yè)自動(dòng)化和精密機(jī)械控制中的關(guān)鍵設(shè)備，其種類繁多、特點(diǎn)各異。在選擇步進(jìn)電機(jī)控制器時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求來(lái)選擇合適的類型。無(wú)論是數(shù)字式、模擬式還是環(huán)路式控制器，以及PLC、單片機(jī)和驅(qū)控一體式控制器，都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和適用場(chǎng)景。通過(guò)深入了解各種步進(jìn)電機(jī)控制器的特點(diǎn)和性能，可以更好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

四、步進(jìn)電機(jī)控制器電路圖

1、使用 8051 微控制器和 L293D 進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)控制

該項(xiàng)目中的第一個(gè)電路是使用 L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 實(shí)現(xiàn)的。由于 L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有四個(gè)輸出引腳選項(xiàng)，因此只能使用它驅(qū)動(dòng)雙極步進(jìn)電機(jī)。

雙極步進(jìn)電機(jī)與 8051 微控制器和 L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接的電路圖如下圖所示。

首先，LCD 的數(shù)據(jù)引腳連接到 8051 的 PORT0 引腳。由于 PORT0 沒(méi)有任何內(nèi)部上拉，因此使用電阻包將 PORT0 上拉。 LCD的RS和E引腳連接到8051的P2.0和P2.1。

RST 引腳使用 10KΩ 電阻下拉。按鈕和 10μF 電容器的組合將用于重置微控制器。此外，EA 引腳使用 10KΩ 電阻上拉。

接下來(lái)是振蕩器。它由連接在 8051 的 XTAL1 和 XTAL2 引腳之間的兩個(gè) 33pF 電容器和一個(gè) 11.0592 MHz 晶體組成。

對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，兩個(gè)使能引腳和兩個(gè)電源引腳連接到 +5V 電源。四個(gè)輸入連接到8051 的 PORT1 引腳，即 P1.0、P1.1、P1.2 和 P1.3。雙極步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)引腳連接到L293D的四個(gè)輸出引腳。

為了控制步進(jìn)電機(jī)的方向，將三個(gè)按鈕連接到 PORT3 引腳，即 P3.0、P3.1 和 P3.2。

2、使用 8051 微控制器和 ULN2003 進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)控制

該項(xiàng)目中的第二個(gè)電路是使用 8051 微控制器和 ULN2003 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制。由于 ULN2003 晶體管陣列由 7 個(gè)輸出組成，因此您可以控制單極和雙極步進(jìn)電機(jī)。

在此項(xiàng)目中，我將向您展示如何使用 8051 微控制器和 ULN2003 晶體管陣列控制 5 線單極步進(jìn)電機(jī)。

下圖顯示了步進(jìn)電機(jī)與 8051 微控制器和 ULN2003 連接的電路圖。

使用AT89C51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的電路圖

該電路由AT89C51單片機(jī)、ULN2003A、電機(jī)組成。 AT89c51 是低功耗、高性能、CMOS 8 位、8051 系列微控制器。它有 32 條可編程 I/O 線。它具有 4K 字節(jié)的 Flash 可編程和可擦除存儲(chǔ)器。外部晶體振蕩器連接在微控制器的 18 和 19 引腳上。電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)IC連接到微控制器的port2。

ULN2003A 是一款電流驅(qū)動(dòng)器 IC。它用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電流，因?yàn)樗枰^(guò)60mA的電流。它是達(dá)林頓對(duì)的數(shù)組。它由七對(duì)具有公共發(fā)射極的達(dá)林頓陣列組成。該IC由16個(gè)引腳組成，其中7個(gè)為輸入引腳，7個(gè)為輸出引腳，其余為VCC和地。前四個(gè)輸入引腳連接到微控制器。以同樣的方式，四個(gè)輸出引腳連接到步進(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)有6個(gè)引腳。在這6個(gè)引腳中，2個(gè)引腳連接到12V電源，其余的連接到步進(jìn)電機(jī)的輸出。步進(jìn)器以給定的步距角旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的每一步都是完整循環(huán)的一部分。這取決于機(jī)械部件和驅(qū)動(dòng)方式。

與所有電機(jī)類似，步進(jìn)電機(jī)也有定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子有永磁體，定子有線圈?；静竭M(jìn)電機(jī)有 4 個(gè)線圈，90 度旋轉(zhuǎn)步進(jìn)。這四個(gè)線圈按循環(huán)順序激活。

3、使用555定時(shí)器的步進(jìn)電機(jī)控制器電路圖

步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電設(shè)備和電路中廣泛使用的電機(jī)，它具有永磁體轉(zhuǎn)子，定子周圍繞有磁線圈。為了控制轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)，他們將定子布置在轉(zhuǎn)子附近以提供磁場(chǎng)。它還具有一個(gè)無(wú)刷同步電機(jī)，將整個(gè)旋轉(zhuǎn)分為幾個(gè)步驟。步長(zhǎng)大小由轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)和相位決定。如果我們檢查雙面步進(jìn)電機(jī)，它包含 4 相和 50 個(gè)齒，因此每轉(zhuǎn)可帶來(lái) 50×4=200 步，每步角度為 1.8°?，F(xiàn)在，在本教程中，我們將學(xué)習(xí)“555定時(shí)器步進(jìn)電機(jī)控制器電路”

555 定時(shí)器步進(jìn)電機(jī)有兩個(gè)階段。在第一級(jí)中，有一個(gè)定時(shí)器 IC，它用作非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，并根據(jù)定時(shí)電阻器和定時(shí)電容器的值生成方波脈沖。第二級(jí)有一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器集成電路CD4017。它對(duì)來(lái)自定時(shí)器 IC 的方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過(guò)連接在電路中的四個(gè)晶體管輸出引腳提供步進(jìn)脈沖輸出。我們通過(guò)開(kāi)關(guān)晶體管向步進(jìn)電機(jī)的線圈提供所有脈沖。

4、簡(jiǎn)單步進(jìn)電機(jī)控制器的電路圖

這是僅使用基本部件的簡(jiǎn)單步進(jìn)電機(jī)控制器的電路圖。驅(qū)動(dòng)電路使用四個(gè)晶體管(SL100)驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組，兩個(gè)非門和一個(gè)異或門解碼兩位控制邏輯來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的四個(gè)繞組。二極管D1至D4保護(hù)相應(yīng)的晶體管免受電機(jī)繞組切換期間產(chǎn)生的瞬變的影響。 d0 和 d1 是確定旋轉(zhuǎn)方向和速度的控制邏輯。

該電路的控制邏輯可以從由555非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器提供時(shí)鐘的2位向上/向下計(jì)數(shù)器獲得。計(jì)數(shù)方向決定旋轉(zhuǎn)方向，非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的頻率決定旋轉(zhuǎn)速度。如上圖所示，IC1a IC1b 屬于同一個(gè) IC 7404。IC1和IC2的引腳14和引腳7必須分別連接至+5V和地，盡管電路圖中未示出。5V可以從基于7805的電源電路獲得。使用 IC 7805 的 5V 電源。Vcc是步進(jìn)電機(jī)所需的電壓。它因電機(jī)而異。這里我們可以使用最高24V的步進(jìn)電機(jī)。為了獲得更高的工作電壓和功率，必須將 SL100 晶體管替換為更高功率的晶體管，例如 2N3055。