1.1.6 步进电动机
1.步进电动机功能
步进电动机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或者多相同步电动机。单相步进电动机由单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动，多相步进电动机由多相方波脉冲驱动，用途非常广泛。
使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各个绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。
正常情况下，步进电动机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量输入，所以特别适合于微机控制。
在物联网系统中，步进电动机是一种使用非常广泛的设备。利用步进电动机可以控制多种设备实现联动，如门禁系统控制门的开启和关闭，ETC自动抬杆，控制窗帘自动开关等。
2.步进电动机的特性
步进电动机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰好是计算机所擅长处理的数据类型。从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，目前，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电动机是不可缺少的组成部分。
（1）步进电动机的优点
●不需要反馈，控制简单。
●与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。
●没有角累积误差。
●停止时也可保持转矩。
●没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。
●即使没有传感器，也能精准定位。
●根据给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。
（2）步进电动机的缺点
●难以获得较大的转矩。
●不宜用作高速转动。
●在体积重量方面没有优势，能源利用率低。
3.两相四线步进电动机工作原理
两相四线步进电动机最简单的构成为Nr=1。一般两相电动机定子磁极数为4的倍数（至少是4）。转子为N极与S极各有一个的两极转子。工作原理如图1-32所示。
图1-32 步进电动机工作原理
定子一般用硅钢片叠压制作，定子磁极数为4极，相当于一相绕组占两个极，A相两个极在空间相差180°，B相两个极在空间也相差180°。电流在一相绕组内正负流动（此种驱动方式称为双极性驱动），A相与B相电流的相位相差90°，两相绕组中矩形波电流交替流过。
即两相电动机的定子，在Nr=1时，空间相差90°，时间上电流相差90°相位差，电流与普通的同步电动机相似，在定子上产生旋转磁场，转子被旋转磁场吸引，随旋转磁场同步旋转。图1-32表示两相步进电动机的结构（PM型）及其运行原理，从图1-32a到图1-32b顺时针旋转90°，图1-32c、d均旋转90°，依次不断旋转成为连续旋转。以上图为例，假如A相有两个线圈，单向电流交替流过两个线圈，也可产生相反的磁通方向，此方式称为单极（Uni-Polar）型线圈。图1-33所示线圈内部只流过单方向电流，此线圈称为单极型线圈；另一种，线圈内流过正、反方向电流的线圈称为双极型线圈。
图1-32中的两相单极型线圈在有些文献中也被称为四相步进电动机，此时其转子极对数、齿数Nr，以及步距角θs均与双极型线圈相同。两相电动机的定义符合式θs=180°/PNr，即将转子齿数和步距角θs代入式θs=180°/PNr，如P=2，则为两相电动机，如Nr相同，P=4，步距角θs只有1/2，则电动机为四相电动机。
两相步进电动机现在应用广泛，实际电动机的构造比图1-33（PM双极型两相步进电动机结构与运行原理）复杂，定子除采用叠片外，还有爪极结构，但基本原理可参考图1-32。图1-34中所示的转子被称为PM型（永久磁铁或永磁式）转子，磁性圆柱的外表面形成转子磁极。两相四线步进电动机脉冲的分配如图1-34所示。
图1-33 两相步进电动机的线圈结构
图1-34 两相四线步进电动机控制脉冲
任务实施
任务1.1 任务实施——步进电动机
本项目从物联网技术典型的应用场景——智慧家居的设计入手，采用Keil C51软件和Proteus仿真软件方式，让读者对物联网单片机应用技术的开发软件有一个初步的认识。然后通过几个智慧家居常见项目的设计，了解物联网单片机应用技术中的单片机知识，掌握项目设计的主要步骤和相关拓展知识。
本项目主要以51单片机控制步进电动机，再由步进电动机对其他家居进行控制，从而达到初步实现智慧家居的目的。
1.软件编程
以下为使用单片机控制一个步进电动机运行的程序，利用Keil C51软件生成HEX文件用以后续软件仿真。主程序设计如下。
2.Proteus软件仿真步进电动机控制电路图绘制
（1）选取元器件 图1-35所示，进入Proteus界面后，选择绘图工具栏中“Component Mode”命令（元器件模式），然后在对象选择窗口中单击“P”按钮，弹出“Pick Devices”对话框。在对话框的“Keywords”文本框中输入要使用的元器件，在右边框选中要使用的元器件，则其元器件会出现在对象选择窗口中。步进电动机模块需选用的元器件如图1-36所示。
图1-35 Proteus界面
图1-36 步进电动机模块需选用的元器件
（2）放置元器件 图1-37所示，在对象窗口中单击要使用的元器件，然后将鼠标移动到右边的图形编辑窗口的适当位置并单击，就把该元件放到了图形编辑窗口。将所有要使用的元器件逐一放到图形编辑窗口中。
（3）放置电源及接地符号 图1-38所示，在绘图工具栏中选择“Terminals Mode”（终端模式）选项，单击对象选择窗口中的“POWER”和“GROUND”选项，把鼠标指针移到图形编辑窗口并双击，即可完成电源和接地符号的放置。
图1-37 放置元器件
图1-38 放置电源及接地符号
（4）对象的编辑 图1-39所示，在图形编辑窗口中，对元器件的位置进行适当的调制，保证图形美观，间距适中。对元器件的名称和参数的调整可采用右键单击该器件，在弹出的元器件编辑窗口中进行修改。
图1-39 对象编辑
（5）原理图连线 在原理图中完成各类元器件的电气连接。
（6）电气规则检测 在完成设计后，单击“Tools”菜单→“Electrical Rule Check”命令，弹出电气规则检测结果窗口。在结果窗口中，查看最后两行的文字说明。如果有错，则会说明。
注意：在Proteus仿真软件中，可以不画出单片机系统复位电路、时钟电路和电源电路，软件仿真时默认这几部分电路是存在的。
3.任务结果及数据
1）右键单击“U1”，在弹出的菜单中选择“Edit Component”命令，出现“Edit Component”对话框，单击“Program File”框后的“文件夹”按钮，如图1-40所示。
2）选择要装入的HEX文件，完成HEX文件的添加，然后单击“OK”按钮，如图1-41所示。
图1-40 编辑器件
图1-41 添加HEX文件
3）单击“仿真进程控制”中的“开始”按钮，可以看到仿真结果，如图1-42所示。仿真结果如图1-43和图1-44所示，可以看到电动机正转和反转成功。
图1-42 仿真进程控制
图1-43 步进电动机正转
图1-44 步进电动机反转
小知识：电动机的分类方式有很多，从用途角度可划分为驱动类电动机和控制类电动机。直流电动机属于驱动类电动机，这种电动机是将电能转换成机械能，主要应用在电钻、小车轮子、电风扇、洗衣机等设备上。
步进电动机属于控制类电动机，它是将脉冲信号转换成一个转动角度的电动机，在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，主要应用在自动化仪表、机器人、自动生产流水线、空调扇叶转动等设备。