四相步進電機原理圖

本文先介紹該步進電機的工作原理，然后介紹了其驅動器的軟、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動。圖1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。

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相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的1、4號齒就和C、D相

　　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，使轉子轉動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。

　　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                             b. 雙四拍                              c八拍

圖2.步進電機工作時序波形圖

　　2.基于AT89C2051的步進電機驅動器系統電路原理

　　步進電機驅動器系統電路原理如圖3： 

圖3 步進電機驅動器系統電路原理圖

　　AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4~P1.7輸出，經74LS14反相后進入9014，經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、反轉、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RL1~RL4為繞組內阻，50Ω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的元件。D1~D4為續流二極管，使電機繞組產生的反電動勢通過續流二極管（D1~D4）而衰減掉，從而保護了功率管TIP122不受損壞。

　　在50Ω外接電阻上并聯一個200μF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。與續流二極管串聯的200Ω電阻可減小回路的放電時間常數，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

　　該驅動器根據撥碼開關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為正反轉脈沖輸入端。上位機(PC機或單片機)與驅動器僅以2條線相連。

　　方式2為串行通訊方式：上位機(PC機或單片機)將控制命令發送給驅動器，驅動器根據控制命令自行完成有關控制過程。

　　方式3為撥碼開關控制方式：通過K1~K5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，根據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標志位;21H單元各位為反轉標志位。在正轉時，不僅給正轉標志位賦值，也同時給反轉標志位賦值;在反轉時也如此。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生錯步。

　　圖4 方式1程序框圖

　　方式1源程序：

　　MOV 20H,#00H ;20H單元置初值，電機正轉位置指針

　　MOV 21H,#00H ;21H單元置初值，電機反轉位置指針

　　MOV   P1,#0C0H ;P1口置初值，防止電機上電短路

　　MOV TMOD,#60H ;T1計數器置初值,開中斷

　　MOV TL1,#0FFH

　　MOV TH1,#0FFH

　　SETB ET1

　　SETB EA

　　SETB TR1

　　SJMP $

　　;***********計數器1中斷程序************

　　IT1P: JB P3.7,FAN ;電機正、反轉指針

　　;*************電機正轉*****************

　　JB 00H,LOOP0

　　JB 01H,LOOP1

　　JB 02H,LOOP2

　　JB 03H,LOOP3

　　JB 04H,LOOP4

　　JB 05H,LOOP5

　　JB 06H,LOOP6

　　JB 07H,LOOP7

　　LOOP0: MOV P1,#0D0H

　　MOV 20H,#02H

　　MOV 21H,#40H

　　AJMP QUIT

　　LOOP1: MOV P1,#090H

　　MOV 20H,#04H

　　MOV 21H,#20H

　　AJMP QUIT

　　LOOP2: MOV P1,#0B0H

　　MOV 20H,#08H

　　MOV 21H,#10H

　　AJMP QUIT

　　LOOP3: MOV P1,#030H

　　MOV 20H,#10H

　　MOV 21H,#08H

　　AJMP QUIT

　　LOOP4: MOV P1,#070H

　　MOV 20H,#20H

　　MOV 21H,#04H

　　AJMP QUIT

　　LOOP5: MOV P1,#060H

　　MOV 20H,#40H

　　MOV 21H,#02H

　　AJMP QUIT

　　LOOP6: MOV P1,#0E0H

　　MOV 20H,#80H

　　MOV 21H,#01H

　　AJMP QUIT

　　LOOP7: MOV P1,#0C0H

　　MOV ; 20H,#01H

　　MOV 21H,#80H

　　AJMP QUIT

　　;***************電機反轉*****************

　　FAN: JB 08H,LOOQ0

　　JB 09H,LOOQ1

　　JB 0AH,LOOQ2

　　JB 0BH,LOOQ3

　　JB 0CH,LOOQ4

　　JB 0DH,LOOQ5

　　JB 0EH,LOOQ6

　　JB 0FH,LOOQ7

　　LOOQ0: MOV P1,#0A0H

　　MOV 21H,#02H

　　MOV 20H,#40H

　　AJMP QUIT

　　LOOQ1: MOV P1,#0E0H

　　MOV 21H,#04H

　　MOV 20H,#20H

　　AJMP QUIT

　　LOOQ2: MOV P1,#0C0H

　　MOV 21H,#08H

　　MOV 20H,#10H

　　AJMP QUIT

　　LOOQ3: MOV P1,#0D0H

　　MOV 21H,#10H

　　MOV 20H,#08H

　　AJMP QUIT

　　LOOQ4: MOV P1,#050H

　　MOV 21H,#20H

　　MOV 20H,#04H

　　AJMP QUIT

　　LOOQ5: MOV P1,#070H

　　MOV 21H,#40H

　　MOV 20H,#02H

　　AJMP QUIT

　　LOOQ6: MOV P1,#030H

　　MOV 21H,#80H

　　MOV 20H,#01H

　　AJMP QUIT

　　LOOQ7: MOV P1,#0B0H

　　MOV 21H,#01H

　　MOV 20H,#80H

　　QUIT: RETI

　　END

　　4.結論

　　該驅動器經實驗驗證能驅動0.5N.m的步進電機。將驅動部分的電阻、電容及續流二極管的有關參數加以調整，可驅動1.2N.m的步進電機。該驅動器電路簡單可靠，結構緊湊，對于I/O口線與單片機資源緊張的系統來說特別適用。