單片機控制步進電機驅(qū)動器工作原理

1、步進電機在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應用。它可以把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等。有時從一些舊設備上拆下的步進電機（這種電機一般沒有損壞）要改作它用，一般需自己設計驅(qū)動器。本文介紹的就是為從一日本產(chǎn)舊式打印機上拆下的步進電機而設計的驅(qū)動器。    本文先介紹該步進電機的工作原理，然后介紹了其驅(qū)動器的軟、硬件設計。1. 步進電機的工作原理    該步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖

2、  圖1 四相步進電機步進示意圖    開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。    當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。 

3、0;  四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。    單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b、c所示：  a. 單四拍                 

4、                                     b. 雙四拍             

5、;                           c八拍圖2.步進電機工作時序波形圖2.基于AT89C2051的步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)電路原理步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)電路原理如圖3：  圖3 步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)電路原理圖    AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4P1.7輸出，經(jīng)74LS14反相后進入9

6、014，經(jīng)9014放大后控制光電開關，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號進行電壓和電流放大，驅(qū)動步進電機的各相繞組。使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動作。圖中L1為步進電機的一相繞組。AT89C2051選用頻率22MHz的晶振，選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小AT89C2051對上位機脈沖信號周期的影響。    圖3中的RL1RL4為繞組內(nèi)阻，50電阻是一外接電阻，起限流作用，也是一個改善回路時間常數(shù)的元件。D1D4為續(xù)流二極管，使電機繞組產(chǎn)生的反電動勢通過續(xù)流二極管（D1D4）而衰減掉，從而保護了功率管TIP12

7、2不受損壞。    在50外接電阻上并聯(lián)一個200F電容，可以改善注入步進電機繞組的電流脈沖前沿，提高了步進電機的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200電阻可減小回路的放電時間常數(shù)，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時間變小，也起到提高高頻工作性能的作用。3.軟件設計該驅(qū)動器根據(jù)撥碼開關KX、KY的不同組合有三種工作方式供選擇：方式1為中斷方式：P3.5(INT1)為步進脈沖輸入端，P3.7為正反轉(zhuǎn)脈沖輸入端。上位機（PC機或單片機）與驅(qū)動器僅以2條線相連。方式2為串行通訊方式：上位機（PC機或單片機）將控制命令發(fā)送給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)控制命令自行完成有關控制過程。

8、方式3為撥碼開關控制方式：通過K1K5的不同組合，直接控制步進電機。當上電或按下復位鍵KR后，AT89C2051先檢測撥碼開關KX、KY的狀態(tài)，根據(jù)KX、KY 的不同組合，進入不同的工作方式。以下給出方式1的程序流程框圖與源程序。在程序的編制中，要特別注意步進電機在換向時的處理。為使步進電機在換向時能平滑過渡，不至于產(chǎn)生錯步，應在每一步中設置標志位。其中20H單元的各位為步進電機正轉(zhuǎn)標志位；21H單元各位為反轉(zhuǎn)標志位。在正轉(zhuǎn)時，不僅給正轉(zhuǎn)標志位賦值，也同時給反轉(zhuǎn)標志位賦值；在反轉(zhuǎn)時也如此。這樣，當步進電機換向時，就可以上一次的位置作為起點反向運動，避免了電機換向時產(chǎn)生錯步。 圖4 方

9、式1程序框圖方式1源程序：   MOV        20H,#00H              ;20H單元置初值，電機正轉(zhuǎn)位置指針  MOV         21H,#00H          &

10、#160;   ;21H單元置初值，電機反轉(zhuǎn)位置指針  MOV         P1,#0C0H              ;P1口置初值，防止電機上電短路  MOV         TMOD,#60H     

11、0;     ;T1計數(shù)器置初值,開中斷  MOV         TL1,#0FFH  MOV         TH1,#0FFH  SETB        ET1  SETB        EA  SETB

12、        TR1  SJMP        $;*計數(shù)器1中斷程序*IT1P:       JB          P3.7,FAN              ;電

13、機正、反轉(zhuǎn)指針;*電機正轉(zhuǎn)*            JB          00H,LOOP0            JB          01H,LOOP1   &#

14、160;        JB          02H,LOOP2            JB          03H,LOOP3         

15、   JB          04H,LOOP4            JB          05H,LOOP5            JB   &

16、#160;      06H,LOOP6            JB          07H,LOOP7LOOP0:      MOV         P1,#0D0H    &

17、#160;       MOV         20H,#02H            MOV         21H,#40H            AJMP

18、        QUITLOOP1:      MOV         P1,#090H            MOV         20H,#04H     

19、;       MOV         21H,#20H            AJMP        QUITLOOP2:      MOV       &#

20、160; P1,#0B0H            MOV         20H,#08H            MOV         21H,#10H     

21、60;      AJMP        QUITLOOP3:      MOV         P1,#030H            MOV        

22、 20H,#10H            MOV         21H,#08H            AJMP        QUITLOOP4:      MOV 

23、        P1,#070H            MOV         20H,#20H            MOV         21H

24、,#04H            AJMP        QUITLOOP5:      MOV         P1,#060H            MOV 

25、0;       20H,#40H            MOV         21H,#02H            AJMP        QUITLOOP6:&#

26、160;     MOV         P1,#0E0H            MOV         20H,#80H            MOV  &#

27、160;      21H,#01H            AJMP        QUITLOOP7:      MOV         P1,#0C0H       

28、     MOV         20H,#01H            MOV         21H,#80H            AJMP   

29、;     QUIT;*電機反轉(zhuǎn)*FAN:        JB          08H,LOOQ0            JB          09H,LOOQ1   

30、;         JB          0AH,LOOQ2            JB          0BH,LOOQ3        

31、60;   JB          0CH,LOOQ4            JB          0DH,LOOQ5            JB  

32、0;       0EH,LOOQ6            JB          0FH,LOOQ7LOOQ0:      MOV         P1,#0A0H   

33、0;        MOV         21H,#02H            MOV         20H,#40H            A

34、JMP        QUITLOOQ1:      MOV         P1,#0E0H            MOV         21H,#04H    &#

35、160;       MOV         20H,#20H            AJMP        QUITLOOQ2:      MOV       

36、;  P1,#0C0H            MOV         21H,#08H            MOV         20H,#10H     

37、       AJMP        QUITLOOQ3:      MOV         P1,#0D0H            MOV       

38、60; 21H,#10H            MOV         20H,#08H            AJMP        QUITLOOQ4:      MOV

39、60;        P1,#050H            MOV         21H,#20H            MOV         20H,#04H            AJMP        QUITLOOQ5:      MOV