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步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时，可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

现在比较常用的步进电动机分为三种：反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）。本章以反应式步进电动机为例介绍其基本原理，并如何用安卓手机APP远程控制步进电动机的应用方法。反应式步进电动机可实现大转矩输出，步进角一般为1.5°。反应式步进电动机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

在应用选型时，可以根据电动机的不同参数来决定应用范围，一般步进电动机主要由以下几个参数决定：转矩、步矩角、相数、保持转矩、静转矩和拍数。

1.转矩

电动机一旦通电，在定子和转子间将产生磁场（磁通量Φ）。当转子与定子错开一定角度θ，产生力F与（dΦ/dθ）成正比。即

Φ=B_rS

式中，B_r——磁通密度；

S——导磁面积。

F与LDB_r成正比

式中，L——铁心有效长度；

D——转子直径。

B_r=NI/R

式中，NI——励磁绕组安匝数（电流乘匝数）；

R——磁阻。

因转矩=力×半径，转矩与电动机有效体积、安匝数、磁通密度成正比。因此，电动机有效体积越大，励磁安匝数越大，定子和转子间气隙越小，电动机力矩越大。

2.步距角

电动机固有步距角表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电动机所转动的角度。一般电动机出厂时都给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电动机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称为电动机固有步距角，它不一定是电动机实际工作时的真正步距角，真正的步距角还和驱动器有关。电动机转子转过的角位移用θ表示。θ=360°/（转子齿数J×运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电动机为例。四拍运行时步距角为θ=360°/（50×4）=1.8°（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360°/（50×8）=0.9°（俗称半步）。

3.相数

步进电动机的相数是指电动机内部产生不同对极N、S磁场的励磁线圈对数，常用m表示。目前，常用的有二相、三相、四相、五相步进电动机。电动机相数不同，其步距角也不同，一般二相电动机的步距角为0.9°/1.8°、三相电动机的步距角为0.75°/1.5°、五相电动机的步距角为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电动机来满足对步距角的要求。

4.保持转矩(www.xing528.com)

保持转矩是指步进电动机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电动机最重要的参数之一，通常步进电动机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电动机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电动机最重要的参数之一。比如，当人们说2N·m的步进电动机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N·m的步进电动机。

5.静转矩

静转矩表示电动机在额定静态电作用下，电动机不作旋转运动时，电动机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电动机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

6.拍数

步进电动机拍数是指完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用n表示，或指电动机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电动机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD_- DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

步进电动机的励磁方式一般分为1相励磁、2相励磁、1～2相励磁。其中1相励磁最为简单，转矩最小；2相励磁有较大的转矩；1～2相励磁是属于半步的方式，也就是说旋转角度为前两种方式的一半。下面对三种励磁方式归类如下：

1）1相励磁法 每一瞬间只有一个线圈导通，其他线圈截止。其特点是励磁方法简单，耗电低，精确度良好。但是力矩小，振动大，每次励磁信号走的角度是标称角度，见表17-1。

2）2相励磁法 每一瞬间有两个线圈同时导通，特点是力矩大，振动小，每次励磁转动角度是标称角度，见表17-2。

表17-1 1相励磁

表17-2 2相励磁

表17-3 1～2相励磁

3）1～2相励磁法 1相和2相轮流交替导通，精度较高，且运作平滑。每送一个励磁信号转动二分之一标称角度，又称为半步驱动，见表17-3。

图17-2 APP控制步进电动机工作原理结构框图

本设计中，通过在安卓手机上开发APP发送控制步进电动机正转、反转、停止的信号，依托WiFi通信，单片机接收信号，步进电动机的驱动电路依据控制信号驱动步进电动机正转、反转、停止工作。首先利用安卓开发平台设计控制步进电动机的APP控制界面，第7.2节安卓UI布局做了详细的介绍，读者在学习本章内容之前需要把第七章第2节的内容预先复习。利用安卓sochet数据编程实现TCP/IP数据通信，将开发正确的智能步进电动机APP下载到安卓手机端。打开APP一个“正转”的按钮，通过WiFi通信发送到WiFi模块ESP8266上，单片机与WiFi模块通过串口通信方式接收到这个信号，单片机P2口输出电动机正向转动表，经过ULN2003驱动步进电动机正转；打开APP一个“反转”按钮，通过WiFi信号发送到WiFi模块ESP8266上，单片机与WiFi模块通过串口通信方式接收到这个信号，单片机P2口输出电动机反向转动表，经过ULN2003驱动步进电动机反转；打开APP一个“停止”的按钮，通过WiFi通信发送到WiFi模块ESP8266上，单片机与WiFi模块通过串口通信方式接收到这个信号，单片机P2口输出信号驱动电动机停止转动。如图17-2所示为APP控制步进电动机工作结构原理框图，整个系统由前端安卓手机客户端和底层驱动电路两部分构成，在安卓手机端开发APP，通过WiFi通信与底层驱动电路实现数据通信。底层驱动电路由51单片机最小系统（包括晶振电路和复位电路）、电源电路（5V电源部分给51单片机供电，3.3V对WiFi模块供电）、WiFi模块ESP8266、电动机驱动电路、步进电动机构成。