步进电机的控制技术
由于步进电机可以直接接收数字信号，早期较简单的控制电路可以采用数字逻辑电路实现，但存在灵活性差的缺陷。目前以微型计算机为核心的步进电机控制系统增强了控制功能，也提高了系统的灵活性和可靠性，得到了迅速的普及和应用。 
理论上说，闭环控制比开环控制可靠，但是步进电机闭环控制系统的价格比较贵，还容易引起持续的机械振荡。如果要保证动态性能优良，不如选用直流或交流位置伺服系统。因此，步进电机大部分还是采用开环控制。 
图C 单片机串行控制 脉冲分配器有专用芯片供应市场，如CH250、L297等。其中，CH250专用于三相步进电机，L297专用于两相步进电机或四相步进电机。 
图D 纯软件并行控制 2）软、硬件结合的方法 软、硬件结合的方法可比纯软件方法减少占用单片机的工作时间和硬件资源，如图E所示。图中8031的P1口用做信号输出，其中P1.3~P1.7均空置不用，仅以P1.0~P1.2三条线接到一个EPROM2764的低三位地址线上，可选通EPROM2764的8个地址单元，相应有八种状态。EPROM2764的低四位数据输出线作为步进电机A，B，C，D各相的控制线，硬件设计成低电平时绕组通电。这样，EPROM2764作为一种解码器，通过其输入输出关系可以使系统设计得更便于单片机控制。 
图E 软硬件结合并行控制
用单片机对步进电机进行加、减速控制，实际上就是控制每次换相的时间间隔，升速时使脉冲串逐渐加密，减速时则相反。若单片机使用定时器中断方式来控制电动机的速度，那么加、减速控制实际上就是不断改变定时器的装载值的大小。对于每一档频率，软件系统可以通过查表方式，查出所需要的装载值。为了便于编制程序，不一定每步都计算装载值，而可以用阶梯曲线来逼近升降曲线。图G为指数加速曲线的阶梯逼近。电动机减速是加速的逆过程，因此减速时也采用与加速相同的方法进行加载频率的阶梯化逼近。 为了实现步进电机的总步数符合给定值的要求，在软件上要做很多工作。首先，为了保证总步数不出错，要建立一种随时校对其总步数是否达到给定值的机制。电动机每一次换相，都要校核一次。例如，在电动机运动前，可在RAM区的某些单元中存放给定的总步数。电动机转动后，软件按换相次数递减这些单元中的数值，同时校核单元中的数值是否为零。为零时，说明电动机已走完给定的正转或反转总步数，应停止转动，进入锁定状态；至于正、反转，则可以以方向标志位的情况来确定。
1、步进电动机控制系统分类
以步进电机为执行元件的数字控制系统，有开环控制和闭环控制两类。开环控制如图A所示，它没有位置反馈，不需要光电编码器之类位置传感器，因此控制系统的价格比较便宜。为了保证定位不出错，系统设计时要留出足够的裕度。这就是说，步进电机的驱动脉冲频率不能设计得太高，电动机的机械负载不能太重。万一因为负载短时超载而导致步进电机失步，定位就会出错。闭环控制如图B所示，它采用光电编码器之类位置传感器将电动机的实际位置反馈给计算机，万一步进电机失步，计算机发现电动机的实际位置没有达到给定值，就补发脉冲，直到电动机的实际位置和给定值一致或相当接近为止。 |  |
| 图A 开环控制 | 图B 闭环控制 |
2、步进电机的单片机控制
单片机通常作为步进电机的控制芯片，当采用单片机控制时，不论是开环还是闭环，控制方法可分为串行控制和并行控制两类。2.1. 串行控制
图C所示表示用8031单片机通过串行控制来驱动步进电机的示意图，单片机与步进电机的功率接口之间只有两条控制线：一条用于发送走步脉冲串（CP），另一条用于发送控制旋转方向的电平信号。串行控制的功率接口电路内含有一个脉冲分配器（又称环形分配器）。其作用是将单路脉冲转换成多相循环变化的脉冲。它有一路输入，多路输出。随着一个个脉冲的输入，各路输出电压轮流变高和变低。例如，三相脉冲分配器有A，B，C三路输出，采用单三拍运行方式时，当单片机将一个个脉冲送入脉冲分配器后，三路输出电压将按 A→ B→C→A→……的次序轮流变高和变低。三路电压分别经功率放大器向步进电机的三相绕组供电，步进电机就一步一步地旋转起来。脉冲分配器一般还有一个旋转方向控制端，根据方向控制端的电平是低还是高，决定三路输出电压的轮流顺序是A→B→C→A→…还是 A→ C→B→A→…，这也就决定步进电机的转向是正方向还是反方向。 图C 单片机串行控制 脉冲分配器有专用芯片供应市场，如CH250、L297等。其中，CH250专用于三相步进电机，L297专用于两相步进电机或四相步进电机。 2.2. 并行控制
在并行控制中，单片机通过数条并行口线，直接发出多相脉冲波信号，再通过功率放大后，送入步进电机的各相统组。这样就不再需要脉冲分配器，脉冲分配器的功能可以用纯软件的方法实现，也可以用软件和硬件结合的方法实现。 1）纯软件方法 在这种方法中，脉冲分配器的功能全部由软件来完成。由软件按步骤依次循环输出驱动步进电机所需的各个状态，如图D所示。用纯软件方法代替脉冲分配器的特点是比较灵活，可以完成多种运动的控制方式，但占用单片机较多的计算时间和硬件资源。 图D 纯软件并行控制 2）软、硬件结合的方法 软、硬件结合的方法可比纯软件方法减少占用单片机的工作时间和硬件资源，如图E所示。图中8031的P1口用做信号输出，其中P1.3~P1.7均空置不用，仅以P1.0~P1.2三条线接到一个EPROM2764的低三位地址线上，可选通EPROM2764的8个地址单元，相应有八种状态。EPROM2764的低四位数据输出线作为步进电机A，B，C，D各相的控制线，硬件设计成低电平时绕组通电。这样，EPROM2764作为一种解码器，通过其输入输出关系可以使系统设计得更便于单片机控制。 图E 软硬件结合并行控制 2.3. 步进电机转速控制
控制步进电机的转速，实际上就是控制各通电状态持续时间的长短。方法有两种：一种是软件延时，另一种是定时器延时。 1）软件延时法 这种方法是在每次转换通电状态（简称换相）后，调用一个延时子程序，待延时结束后，再次执行换相子程序。如此反复，就可使步进电机按某一确定的转速运转。 2）定时器延时法 单片机一般均带有几个片载定时/计数器。可利用其中某个定时器，加载适当的定时值，经过一定的时间，定时器溢出，产生中断信号，暂停主程序的执行，转而执行定时器中断服务程序，于是产生硬件延时效果。若将步进电机换相子程序放在定时器中断服务程序之内，则定时器每中断一次，电动机就换相一次，从而实现对电动机的速度控制。3、加、减速定位控制
步进电机的最高起动频率（突跳频率）一般为几百赫兹到三四千赫兹，而最高运行频率则可以达到几万赫兹。以超过最高起动频率的频率直接起动，将出现“失步”（失去同步）现象，有时根本就转不起来。而如果先以低于最高起动频率的某一频率起动，再逐步提高频率，使电动机逐步加速，则可以到达最高运行频率。此外，对于正在快速旋转的步进电机，若在到达终点时，立即停发脉冲，令其立即准确锁定。也是很难实现的；由于惯性，电动机往往会冲过头，也会出现失步。如果电动机的工作频率总是低于最高起动频率，当然不会失步，但电动机的潜力没有发挥，工作速度太低了。 当负载机械从一个位置快速运行到另一个给定位置时，对步进电机而言，就是从一个锁定位置，运行若干步，尽快到达另一个位置，并加以锁定。这样对系统就有两个基本要求：第一是总步数要符合给定值，第二是总的走步时间应尽量短。步进电机为了满足这两个要求，需要一个加、减速定位控制，即步进电机拖动给定的负载依次经过加速——恒定高速——减速——恒定低速——锁定的过程，既快又稳地准确定位。 加、减速规律一般有两种选择，如图F所示，一种是按指数规律，也就是升速开始时先采用大一点的加速度，随着转速的升高，加速度逐步减小；降速时则是高速段减速度小一些，低速段减速度大一些，这样比较符合步进电机的输出转矩随转速的升高而减小的状况，但计算较为复杂。另一种是按直线规律升降速，计算比较简单。 |  |
| 图F 步进电机的加、减速规律 | 图G 加载频率的阶梯化逼近 |