1、步进电机驱动器工作原理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 S
2、B 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
3、与双四拍的步距角相等，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：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理图 3 步进电机驱动器系统电路原理图 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
4、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
5、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
6、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,#
7、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 ;T1 计数器置初值,开中断MOV TL1,#0FFHMOV TH1,#0FFHSETB ET1SETB EASETB TR1SJMP $;*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,LOOP0JB 01H,LOOP1JB 02H,LOOP2JB 03H,LOOP3JB 04H,LOOP4JB 05H,LOOP5JB 06H,LOOP6JB 07H,LOOP7LOOP0: MOV P1,#0D0HM
8、OV 20H,#02HMOV 21H,#40HAJMP QUITLOOP1: MOV P1,#090HMOV 20H,#04HMOV 21H,#20HAJMP QUITLOOP2: MOV P1,#0B0HMOV 20H,#08HMOV 21H,#10HAJMP QUITLOOP3: MOV P1,#030HMOV 20H,#10HMOV 21H,#08HAJMP QUITLOOP4: MOV P1 ,#070HMOV 20H,#20HMOV 21H,#04HAJMP QUITLOOP5: MOV P1,#060HMOV 20H,#40HMOV 21H,#02HAJMP QUITLOOP6:
9、MOV P1,#0E0HMOV 20H,#80HMOV 21H,#01HAJMP QUITLOOP7: MOV P1,#0C0HMOV 20H,#01HMOV 21H,#80HAJMP QUIT;*电机反转*FAN: JB 08H,LOOQ0JB 09H,LOOQ1JB 0AH,LOOQ2JB 0BH,LOOQ3JB 0CH,LOOQ4JB 0DH,LOOQ5JB 0EH,LOOQ6JB 0FH,LOOQ7LOOQ0: MOV P1,#0A0HMOV 21H,#02HMOV 20H,#40HAJMP QUITLOOQ1: MOV P1,#0E0HMOV 21H,#04HMOV 20H,#20H
10、AJMP QUITLOOQ2: MOV P1,#0C0HMOV 21H,#08HMOV 20H,#10HAJMP QUITLOOQ3: MOV P1,#0D0HMOV 21H,#10HMOV 20H,#08HAJMP QUITLOOQ4: MOV P1,#050HMOV 21H,#20HMOV 20H,#04HAJMP QUITLOOQ5: MOV P1,#070HMOV 21H,#40HMOV 20H,#02HAJMP QUITLOOQ6: MOV P1,#030HMOV 21H,#80HMOV 20H,#01HAJMP QUITLOOQ7: MOV P1,#0B0HMOV 21H,#01H
11、MOV 20H,#80HQUIT: RETIEND4.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。 步进电机结构的基本原理步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速
12、度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM) 、混合式步进电机 (HB)和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度或 15 度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8
13、度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。步进电机的一些基本参数：电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9/1.8（表示半步工作时为 0.9、整步工作时为 1.8），这个步距角可以称之为电机固有步距角 ，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的为
14、 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数 将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。保持转矩(HOLDING TORQUE)：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2N.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N.m 的步进电
15、机。DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有 DETENT TORQUE。步进电机的一些特点：1.一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。2.步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度
16、完全正常。3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4.步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速) 。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
