单片机控制步进电机驱动器工作原理.doc

步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。有时从一些旧设备上拆下的步进电机（这种电机一般没有损坏）要改作它用，一般需自己设计驱动器。本文介绍的就是为从一日本产旧式打印机上拆下的步进电机而设计的驱动器。 本文先介绍该步进电机的工作原理，然后介绍了其驱动器的软、硬件设计。1. 步进电机的工作原理 该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图 图1 四相步进电机步进示意图 开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角(步进电动机的步距角是指步进电动机的定子控制绕组每改变一次通电方式,对应电动机转子所转过的空间角度称为步距角)相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示： a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍图2.步进电机工作时序波形图2.基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原66把理步进电机驱动器系统电路原理如图3： 图3 步进电机驱动器系统电路原理图 (注1：关于74LS1474LS14 是一个6反向器， 引脚定义如下图：A端为输入端，Y端为输出端，一片芯片一共6路，即1，3，5，9，11，13 为输入端， 2，4，6，8，10，12 为输出端，输出结果与输入结果反向。即如果输入端为高电平， 那么输出为低电平。 如果输入低电平，输出为高电平。注2：关于tpl521-1非线性光耦.光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。 注3：三极管9014 21 NPN 低噪放大 50V 0.1A 0.4W 150HMZ hFE：1001000 (放大倍数分段可选) AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4P1.7输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一相绕组。AT89C2051选用频率22MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。 图3中的RL1RL4为绕组内阻，50电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。D1D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管（D1D4）而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。 在50外接电阻上并联一个200F电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200电阻可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。3.软件设计该驱动器根据拨码开关KX、KY的不同组合有三种工作方式供选择：方式1为中断方式：P3.5(INT1)为步进脉冲输入端，P3.7为正反转脉冲输入端。上位机（PC机或单片机）与驱动器仅以2条线相连。方式2为串行通讯方式：上位机（PC机或单片机）将控制命令发送给驱动器，驱动器根据控制命令自行完成有关控制过程。方式3为拨码开关控制方式：通过K1K5的不同组合，直接控制步进电机。当上电或按下复位键KR后，AT89C2051先检测拨码开关KX、KY的状态，根据KX、KY 的不同组合，进入不同的工作方式。以下给出方式1的程序流程框图与源程序。在程序的编制中，要特别注意步进电机在换向时的处理。为使步进电机在换向时能平滑过渡，不至于产生错步，应在每一步中设置标志位。其中20H单元的各位为步进电机正转标志位；21H单元各位为反转标志位。在正转时，不仅给正转标志位赋值，也同时给反转标志位赋值；在反转时也如此。这样，当步进电机换向时，就可以上一次的位置作为起点反向运动，避免了电机换向时产生错步。 图4 方式1程序框图方式1源程序： MOV 20H,#00H ;20H单元置初值，电机正转位置指针 MOV 21H,#00H ;21H单元置初值，电机反转位置指针 MOV P1,#0C0H ;P1口置初值，防止电机上电短路 MOV TMOD,#60H ;计数、工作反方式2 MOV TL1,#0FFH ；T1计数器置初值 MOV TH1,#0FFH SETB ET1 ；,开中断， SETB EA SETB TR1 ；计数开始 SJMP $;*计数器1中断程序*IT1P: JB P3.7,FAN ;电机正、反转指针;*电机正转* JB 00H,LOOP0 JB 01H,LOOP1 JB 02H,LOOP2 JB 03H,LOOP3 JB 04H,LOOP4 JB 05H,LOOP5 JB 06H,LOOP6 JB 07H,LOOP7LOOP0: MOV P1,#0D0H MOV 20H,#02H MOV 21H,#40H AJMP QUITLOOP1: MOV P1,#090H MOV 20H,#04H MOV 21H,#20H AJMP QUITLOOP2: MOV P1,#0B0H MOV 20H,#08H MOV 21H,#10H AJMP QUITLOOP3: MOV P1,#030H MOV 20H,#10H MOV 21H,#08H AJMP QUITLOOP4: MOV P1,#070H MOV 20H,#20H MOV 21H,#04H AJMP QUITLOOP5: MOV P1,#060H MOV 20H,#40H MOV 21H,#02H AJMP QUITLOOP6: MOV P1,#0E0H MOV 20H,#80H MOV 21H,#01H AJMP QUITLOOP7: MOV P1,#0C0H MOV 20H,#01H MOV 21H,#80H AJMP QUIT;*电机反转*FAN: JB 08H,LOOQ0 JB 09H,LOOQ1 JB 0AH,LOOQ2 JB 0BH,LOOQ3 JB 0CH,LOOQ4 JB 0DH,LOOQ5 JB 0EH,LOOQ6 JB 0FH,LOOQ7LOOQ0: MOV P1,#0A0H MOV 21H,#02H MOV 20H,#40H AJMP QUITLOOQ1: MOV P1,#0E0H MOV 21H,#04H MOV 20H,#20H AJMP QUITLOOQ2: MOV P1,#0C0H MOV 21H,#08H MOV 20H,#10H AJMP QUITLOOQ3: MOV P1,#0D0H MOV 21H,#10H MOV 20H,#08H AJMP QUITLOOQ4: MOV P1,#050H MOV 21H,#20H MOV 20H,#04H AJMP QUITLOOQ5: MOV P1,#070H MOV 21H,#40H MOV 20H,#02H AJMP QUITLOOQ6: MOV P1,#030H MOV 21H,#80H MOV 20H,#01H AJMP QUITLOOQ7: MOV P1,#0B0H MOV 21H,#01H MOV 20H,#80HQUIT: RETI END4.结论 该驱动器经实验验证能驱动0.5N.m的步进电机。将驱动部分的电阻、电容及续流二极管的有关参数加以调整，可驱动1.2N.m的步进电机。该驱动器电路简单可靠，结构紧凑，对于I/O口线与单片机资源紧张的系统来说特别适用。注4：TMOD定时器/计数器方式选择寄存器bit7bit6bit5