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一种微型步进电机的驱动设计 李志新 张晓健 本文介绍了一种微型步进电机的工作、驱动原理和硬件、程序设计，可用于各种小型机电设备如微型云台、玩具等的应用。步进电机是一种控制用的特种电机，具有精度高、可开环控制的特点，可广泛应用于各种低速、高精度定位的智能建筑监控、工业自动化控制系统中。笔者在设计网络摄像机微型云台时用到了一种微型步进电机，现将该步进电机的工作原理、驱动方法说明如下。1 步进电机的应用原理步进电机可以将电脉冲转换成特定的旋转运动，当它收到一个脉冲信号后，就会按照设定的方向转动一个固定的角度（即步距角），通过控制脉冲个数就可以控制电机转动的角度，通过控制脉冲频率则可以控制电机的速度和加速度，达到调速的目的。在不超载的情况下，步进电机的转速、停止的位置只与脉冲信号的频率和脉冲数有关，而与负载变化无关，是一种线性关系，因而可用于精确位置控制。步进电机具有如下特点：l 转动位移与输入脉冲数严格对应，步距误差不会累积，可以组成结构简单且有一定精度的开环控制系统；l 可以使用数字信号直接进行开环控制，简单、廉价；l 易于起动、停止、正反转及变速，响应性好；l 停转时有自锁能力；l 可很方便地实现在超低速下高精度稳定运行，通常可以不经过减速器直接驱动负载；l 电机速度可在相当宽范围内平滑调节，可以使用一台驱动控制器同时控制几台步进电机完全同步运行。本设计中使用的是一种型号为HYH-25BYJ-5V的微型步进电机，该电机使用DC5V供电，可以使用单片机进行控制，十分适合于各种小型机电自动控制系统。该步进电机内部有4相绕组，外引5根控制线，如图1所示，其中导线5接DC5V的“”极，导线1、2、3、4按照控制时序接DC5V的“”极。 电机的驱动采用四相八拍的方式，如表1所示。表中“”表示接电源正极，“”表示接电源负极。如果按照A相导电、A相B相同时导电、B相导电，然后依次是BC、C、CD、D、AD的顺序分别导电，电机就实现了正转（从电机输出轴方向看逆时针旋转），这就是驱动电机的8拍（8种脉冲）。若把驱动脉冲的顺序反过来，按照AD、D、CD、C、BC、B、AB、A的顺序依次导电，电机就可实现反转。电机端子序号电机绕组相数分配顺序1234567854A3B2C1D表1该电机的步距角为5.625，减速比为1/64。驱动时对电机发一次脉冲就称为一拍，即一次电平的变化，步进电机在一拍作用下内部转过的角度为5.625，8拍后转动45，64拍后内部转360，由于减速比为1：64，所以内部转一圈，外部转5.625，也就是说，驱动发出64拍后，步进电机外部转5.625。外部驱动时，脉冲的频率应小于1KHz，计算下来电机的最大转速约为每分钟14.6转。驱动电机的脉冲频率越大，转速越快，而力矩越小，反之，脉冲频率越小，转速越慢，输出力矩越大。2步进电机的驱动电路设计由于该步进电机4相绕组每相的直流电阻为20欧姆，用DC5V驱动时每相电流约为250mA，若直接用单片机驱动，单片机承受不了这么大的电流，因此需要外加大电流驱动电路，可以使用如ULN2003、ULN2803之类的达林顿阵列集成电路。本设计中使用的是ULN2803，该芯片有8路达林顿阵列，可同时驱动2个步进电机。硬件设计原理图如图2所示。3步进电机的驱动程序设计如图2所示，单片机的管脚P1.0、P1.1、P1.2、P1.3分别对应步进电机的1、2、3、4脚，若要使步进电机正转，ULN2803需要按如下顺序提供8拍（电机4号线在前，为高位）：0111、0011、1011、1001、1101、1100、1110、0110，由于ULN2803具有反相作用，因此单片机应提供如下次序的脉冲：1000、1100、0100、0110、0010、0011、0001、1001，其中的“1000”表示单片机的管脚P1.3为高电平，P1.2、P1.1、P1.0均为低电平，其余类推。若要驱动反转，按相反顺序驱动即可。本程序提供了一种驱动步进电机的基本方法，首先控制电机正转约168，延时1秒后，反转168，之后再延时1秒，正转，周而复始。读者对程序加以适当修改可适应于不同的应用，如修改脉冲频率可以改变步进电机的转速，修改脉冲数可以改变电机转动的角度。程序源代码如下：;= ORG 0000H LJMP S;* ORG 0050HS: CLR EA ;关中断 MOV SP,#60H MOV P1,#00H;*MAIN: NOP ;-下面电机正转- MOV R0,#240 ;正转240个8拍;8个8拍后电机转5.625度，240个8拍转168.75度 MAIN10: MOV B,#8 ;正转8拍 MOV DPTR,#DATA1MAIN20: MOV A,#0 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CALL DLY10MS ;修改时间可以改变脉冲频率 INC DPTR DJNZ B,MAIN20 DJNZ R0,MAIN10 CALL DELAY1;-下面电机反转-MAIN25: MOV R0,#240 ;反转240个8拍MAIN30: MOV B,#8 ;反转8拍 MOV DPTR,#DATA2MAIN40: MOV A,#0 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A CALL DLY10MS INC DPTR DJNZ B,MAIN40 DJNZ R0,MAIN30 CALL DELAY1 SJMP MAINDATA1:DB 0F8H,0FCH,0F4H,0F6H,0F2H,0F3H,0F1H,0F9HDATA2:DB 0F9H,0F1H,0F3H,0F2H,0F6H,0F4H,0FCH,0F8H;*;* 延时10ms *DLY10MS:NOP MOV R6,#2 ;延时10ms CDD2: MOV R5,#230 ;延时0.5ms CDD3: DJNZ R5,CDD3 DJNZ R6,CDD2 RET;*;*