驱动步进电机

步进电机控制 步进电机需要提供具有一定驱动能力的脉冲信号才能正常工作，脉冲信号由单片机输出的激励信号经过脉冲分配产生。脉冲分配可以通过硬件模拟分配电路实现，也可以利用软件方便地实现。一个完整的驱动电路不仅需要激励信号，还需有足够的功率。在一般的电路驱动中，需将由 CPU 产生的脉冲信号经过功率放大后，再接到步进电机输入端。随着大规模集成电路技术的发展，逐渐出现了很多专门用于步进电机控制的脉冲分配芯片，它们配合功率放大的驱动电路可以实现步进电机的驱动。12.3.1 一般步进电机驱动电路在专门的步进电机驱动集成芯片出现以前，一般都是采用电路来驱动步进电机工作。在电路设计中，必须要考虑的是驱动信号的分配和放大。在信号分配方面，采用的均是单片机统一分配的形式；在信号放大方面，则是由各种放大电路来完成的。下面介绍一种利用硬件电路连接而成的脉冲分配驱动电路。 1电路驱动的工作原理 图 12-5 所示是一个四相步进电机的驱动电路。A、B 、C、D 分别接到 P1 口的 P1.4P1.7。通过软件控制一组脉冲序列，控制步进电机的转速、方向和步距。在步进电机的驱动线路中，主 CPU 发出的控制信号经 U1 放大，传到复合三极管前一级的基极。若 CPU送出的数据为 0，则前级三极管 BG5 作为开关三极管不导通，BG1 也处于截止状态，电机内的线圈不得电；若 CPU 送出的数据为 1，则前级三极管 BG5 的基极有了驱动电流， 12V 电压经电机的线圈、限流电阻和三极管形成通路。在电路图中的 A、B 、C 、D 分别代表电机内部的 4 个线圈，在驱动线中的R5R8 作为限流电阻来限制线圈中的电流值。在电阻和线圈两侧有并联的单向二极管，当 CPU 信号由1 跳变为 0 时，三极管截止，电机的线圈会产生很大的感应电动势，这时线圈、限流电阻和单向二极管形成回路，保护三极管不被线圈的瞬时感应电动势烧坏。二极管 D1D4 也称回流二极管，在选择时要考虑到电源电压及线圈电流。R1R4 和 D1D4 组成一条支路，在对应的线圈突然不通电时能够和线圈构成一组循环回路。该电阻的作用是分担支路中的电压，保护二极管。在每个集成放大器的输出端接有一个 LED，作为脉冲信号输入的显示器件。CPU 送入的数据为 0 时，LED 下端的电位也为低，LED 被导通发光；CPU 送入的数据为 1 时，LED 的下端电位为高，LED 无法导通，不发光。R9R12 为限流电阻，使三极管基极的流入电流不至于过大而烧毁。图 12-5 基于复合三极管的四相步进电机驱动电路在步进电机工作时，对 P1 口依次写入 1FH、3FH、5FH、7FH，电机正转 4 步；对 P1 口依次写入7FH、5FH、3FH、1FH，电机反转 4 步。 2控制程序 为方便初学者了解步进电机驱动电路的控制方式，对于每一种驱动电路都给出对应的控制参考程序。 电机正转控制参考程序如下：电机反转控制参考程序如下：该程序实现的是在工作时四相线圈中的每一相分别通电，即为四相四拍工作方式。可通过改变脉冲输入方式来改变电机的工作状态（如四相八拍工作方式）。12.3.2 基于 UCN5804 芯片的步进电机驱动电路随着大规模集成电路技术的发展，越来越多的厂家生产出专门用于驱动步进电机的脉冲分配芯片，配合用于功率放大的驱动电路就可以实现步进电机的驱动。下面以 UCN5804 驱动芯片为例，介绍集成芯片驱动步进电机的工作原理。图 12-6 所示为 UCN5804 芯片引脚图。 1UCN5804 芯片引脚介绍引脚 1：对应四相脉冲输出的 B 相。主 CPU 给 UCN5804 输送脉冲，芯片按顺序输出 A、B、C、D 脉冲信号，该信号接到步进电机的脉冲输入端。 引脚 2：接+12V 电源。引脚 3：对应四相脉冲输出的 D 相。引脚 4：接地。引脚 5：接地。引脚 6：对应四相脉冲输出的 C 相。引脚 7：接+12V 电源。引脚 8：对应四相脉冲输出的 A 相。引脚 9：控制电机脉冲输出方式，若 9 脚为低电平，则脉冲每次输出两相脉冲信号图 12-6 UCN5804 芯片引脚图（AB-BC-CD-DA-AB），即主 CPU 每送入一个脉冲，芯片向电机输出两相电脉冲；若 9 脚为高电平，则芯片每次输出两相脉冲信号（A-B-C-D-A），即主 CPU 每送入一个脉冲，芯片向电机输出两相电脉冲。引脚 10：控制电机接收脉冲后的步长，若 10 脚为低电平，则芯片控制电机每步运行一整个步长，即芯片送出的脉冲顺序为 A-B-C-D-A 或 AB-BC-CD-DA-AB；若 10 脚为高电平，则芯片控制电机每步运行半个步长，即芯片送出的脉冲顺序为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。引脚 11：5804 芯片的脉冲输入端，信号由主 CPU 送入。每送入一个信号，芯片送出一个控制信号。CPU 不产生输入信号时，芯片不产生输出脉冲。 引脚 12：接地。 引脚 13：接地。 引脚 14：控制电机的正反转，若 14 脚为低电平，则电机正转；若该脚为高电平，则电机反转。 引脚 15：5804 芯片的片选信号，该脚为低时芯片可以工作，为高时芯片不工作。 引脚 16：接+5V 电源。2UCN5804 芯片概述与工作特点 UCN5804 芯片是一块集成步进电机驱动芯片，它的输出引脚可以接到步进电机的输入端，直接驱动步进电机工作。其工作电路如图 12-7 所示。在信号输出端接一反向二极管后连接到步进电机上，芯片可以承受最大 1.5A 的反向电流以及最大 35V 的电压。图 12-7 基于 UCN5804 芯片的驱动电路图在实际应用中，UCN5804 芯片有多种驱动工作方式，利用 9 脚和 10 脚的高低电平组合（见表 12-1），可将四相步进电机的运行分为以下几种方式。表 12-1 UCN5804 芯片驱动方式真值表（1）在单脉冲输出状态下，9 脚为低电平，10 脚为高电平，电机按四相四拍的工作方式（见表 12-2）运行（A-B-C-D-A 或 A-D-C-B-A）。表 12-2 单相驱动脉冲顺序（9 脚=L，10 脚=H）（2）在双脉冲输出状态下，若 9 脚和 10 脚均为低电平，则电机按四相四拍的工作方式（见表 12-3）运行（AB-BC-CD-DA-AB 或 AD-DC-CB-BA）；若 9 脚为高电平，10 脚为低电平，则步进电机将按四相八拍的工作方式（见表 12-4）运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 或 A-DA-D-CD-C-BC-B-AB-A）。表 12-3 双相驱动脉冲顺序（9 脚=L，10 脚=L）表 12-4 单双相半步驱动脉冲顺序（9 脚=H，10 脚=L）UCN5804 芯片驱动脉冲时序分配如图 12-8 所示。图 12-8 驱动脉冲时序UCN5804 芯片的连接电路以图 12-7 为例：芯片的脉冲输入端、方向控制、片选分别接到 P1 口的P1.0、P1.2 、P1.3 。根据电机运转的实际需要，由主 CPU 送不同的控制字。在该电路中，电容 C1 和C2 为去耦电容，滤除高频干扰。R1 和 R2 为大功率小阻值电阻，作用是保证步进电机足够的驱动电流，同时电阻可以承受因其阻值过小而产生的大功率。V1V4 为 4 个二极管，分别与 UCN5804 芯片的脉冲输出端反接，来传导电机工作某一相工作时的反向电流。 3控制程序 电机正转控制程序如下：电机反转控制程序如下：该程序可实现两相脉冲驱动的四相四拍电机运转方式。可以通过改变引脚的高低电位状态来改变电机的工作方式，方便灵活，适合初学者学习。12.3.3 基于 ULN2003 芯片的步进电机驱动电路ULN2003 是另一款电机脉冲分配芯片，由于其结构简单，价格低廉，而且无需外接功率放大电路，因此也常用来作为步进电机的驱动芯片。 1ULN2003 芯片引脚介绍 ULN2003 芯片引脚如图 12-9 所示。图 12-9 ULN2003 芯片引脚图引脚 1：CPU 脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。 引脚 2：CPU 脉冲输入端。 引脚 3：CPU 脉冲输入端。 引脚 4：CPU 脉冲输入端。 引脚 5：CPU 脉冲输入端。 引脚 6：CPU 脉冲输入端。 引脚 7：CPU 脉冲输入端。 引脚 8：接地。 引脚 9：该脚是内部 7 个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地，实际上就是达林顿管的集电极对地接通。 引脚 10：脉冲信号输出端，对应 7 脚信号输入端。 引脚 11：脉冲信号输出端，对应 6 脚信号输入端。 引脚 12：脉冲信号输出端，对应 5 脚信号输入端。 引脚 13：脉冲信号输出端，对应 4 脚信号输入端。 引脚 14：脉冲信号输出端，对应 3 脚信号输入端。 引脚 15：脉冲信号输出端，对应 2 脚信号输入端。引脚 16：脉冲信号输出端，对应 1 脚信号输入端。 ULN2003 的内部结构可参见图 12-10。在 ULN2003 芯片内部为达林顿管阵列，其工作原理与上一节电路驱动相似。由于该电路为芯片的内部结构，仅供初学者理解芯片的工作方式用，在芯片使用时可以忽略。图 12-10 ULN2003 芯片内部结构2ULN2003 芯片概述与特点 ULN2003 芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由 7 组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动 7 组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。ULN2003 芯片高压大电流达林顿晶体管阵列产品属于可控大功率器件。ULN2003 芯片是可以专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003 芯片的输出端允许通过电流 200mA，饱和压降约 1V。输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器（SSR）等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。硬件接线图见图 12-11。图 12-11 ULN2003 芯片驱动电路（驱动口改 P1 口）ULN2003 芯片的每一对达林顿都串联一个 2.7k.的基极电阻，也可以不用限流电阻而直接由 51 的 P 口驱动。在 5V 的工作电压下它能与 TTL 和 CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 芯片工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能够在关态（有低电平输入时，输出为高电平）时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。 信号脉冲通过 P1 口送出，可经 4.7k.上拉电阻接到 ULN2003 芯片的输入端口。P1.4P1.7 分别对应ULN2003 的 1C、2C、3C、4C 输出端。在使用步进电机时，对 P1 口赋予不同的值来送出电机正转或反转的脉冲信号。3控制程序 电机正转控制程序为：电机反转控制程序为：该程序实现的也是分别驱动四相电机中的相邻两相线圈，使电机在双脉冲驱动四相四拍方式下工作。通过改变 CPU 脉冲来控制电机的工作方式。12.3.4 步进电机应用实例在步进电机的实际应用中，总是通过 CPU 接收处理一些信号来控制电机的运动状态。常见的如光线、温湿度、水位等。这里以光作为 CPU 控制步进电机的信号为例。采用对射光电开关作为光信号发射接收装置。对射光电开关 FS048W 能够发射出一束细小的光线，当光线碰到障碍物时反射回来，由光电开关的接收管接收。光电开关电路图如图 12-12 所示。图 12-12 光电开关检测电路图当接收管没有接收到发射回来的光信号时，光电开关内部的感光三极管不导通，比较器的输入端为高电位，比较器输出点的电位为高（CPU 接收信号为 1）；当接收管接收到发射回来的光信号时，光电开关内部的感光三极管导通，比较器的输入端为低电位，比较器输出点的电位为低（CPU 接收信号为 0）。由于光线照射到不同