步进电机是纯数字控制的电动机，它将脉冲信号转变成角位移，即电源发一个脉冲，步进电机则转过一个固定的角度，称为步距角θb。电动机的角位移正比于输入脉冲数。当连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速n正比于脉冲的频率，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电机能直接接受数字量的控制，所以非常适合用计算机进行控制。
14.1 步进电机的控制原理
14.1.1 步进电机的基本知识
反应式步进电机结构简单，性能价格比高，因此应用非常广泛。反应式步进电机分为三相、四相、五相、六相等结构形式。相数越多步距角越小，但是结构越复杂。
较为常见的三相反应式步进电机有三相绕组和三对磁极。轮流给A、B、C三相绕组通电，步进电机则会延某一方向转动。
（1）三相绕组的通电方式
1）单三拍方式：每次只给一相绕组发脉冲，三拍一个循环
A->B->C->A 正转
A->C->B->A 反转
2）双三拍方式：每次只给两相绕组发脉冲，三拍一个循环
AB->BC->CA->AB 正转
AC->CB->BA->AC 反转
3）单双六拍方式：轮流给一相、两相绕组发脉冲，六拍一个循环
A->AB->B->BC->C->CA->A 正转
A->AC->C->BC->B->BA->A 反转
（2）三相反应式步进电机的步距角θb（度）
（14-1）
其中：Z代表转子齿数，为常数。N代表步进电机工作拍数。N＝K×m，m为相数；K＝1时为三拍方式，K＝2时为六拍方式。当Z＝24时，三拍方式步距角为5度；六拍方式步距角为2.5度。
（3）三相反应式步进电机的转速n（转/分）
（14-2）
其中：f代表脉冲频率（Hz）
14.1.2 步进电机的驱动方式
步进电机需要专用的驱动器，它一般由脉冲发生分配单元、功率驱动单元和保护单元等组成。
（1）单电压驱动
单电压驱动只用一个电源对电机绕组供电，电路结构简单，如图14-1所示。电路中的限流电阻R1决定了时间常数，R1太大会使绕组供电电流减小，电路功耗增大。单电压驱动一般只适合用于小功率电动机的驱动。
图14-1 步进电机单电压驱动电路
（2）高低电压驱动
在电动机开始移步时绕组加额定电压，使步进电机快速移步，加低于额定电压的锁步电压，绕组只流过所需要的电流。这样可减小电阻上的功耗，有可以提高电机的运行速度。如图14-2所示。
图14-2 步进电机高低电压驱动电路
脉冲分配可以用脉冲分配器实现，但硬件电路实现脉冲分配会使结构复杂，成本较高。如果用软件实现脉冲分配，将简化电路，降低成本。
14.2 步进电机的单片机开环控制
14.2.1 串行控制
采用串行控制时，单片机与步进电机的功率接口之间只需要两条控制线：一条用于发送走步脉冲传（CP），另一条用于发送控制旋转方向的电平信号。图14-3说明了如何用80C51单片机通过串行控制来驱动步进电机。
图14-3 步进电机的单片机控制
（1）串行控制的硬件电路
串行控制的功率接口电路内含有一个脉冲分配器，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和C三路输出，采用单三拍运行方式时，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的旋转起来。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高低，决定步进电机的转向。
脉冲分配器可以使用专用芯片CH250。图14-4是使用CH250工作于三相六拍状态的接线图。CH250可通过设置引脚1、2和14、15的电平来实现双三拍、单三拍、单双六拍工作状态，每种工作状态又有正、反转两种状态，所以共有六种工作状态。
图14-4 CH250三相六拍脉冲分配接线图
（2）串行控制的参考程序
在图14-3所示的串行控制电路中，利用80C51单片机的P1.1输出方向电平，P1.0输出走步触发脉冲。走步脉冲的产生方法很简单，只要先对P1.0进行清零，过一会再进行一次置位就可以了。由于任何脉冲分配器对触发脉冲的最小脉宽都有一定的要求，所以在清零和置位之间插入的延时时间应有适当的长度。设P1.1低电平时为正转驱动，脉冲分配器在走步触发器发生跳变时改变输出状态，则正转一步的驱动程序如下：
CW: CLR P1.1 ;发出正转电平信号
CLR P1.0 ;输出低电平，为脉冲的正跳变准备条件
LCALL DT ;调用延时子程序
SETB P1.0 ;输出高电平，产生脉冲正跳变
RET
调用该子程序，电机将正转一步。只要按一定的时间间隔调用这个子程序，就可以使电机按一定的转速连续转动。若要电机反向转动，可以调用如下子程序：
CCW: SETB P1.1 ;发出反转电平信号
CLR P1.0 ;输出低电平，为脉冲的正跳变准备条件
LCALL DT
SETB P1.0
RET
DT: NOP
NOP
RET