51單片機控制步進電機驅動器工作原理

　　步進電機在控制系統中具有廣泛的應用。它可以把脈衝信號轉換成角位移，並且可用作電磁製動輪、電磁差分器、或角位移發生器等。有時從一些舊設備上拆下的步進電機（這種電機一般沒有損壞）要改作它用，一般需自己設計驅動器。本文介紹的就是為從一日本產舊式印表機上拆下的步進電機而設計的驅動器。

　　本文先介紹該步進電機的工作原理，然後介紹了其驅動器的軟、硬體設計。

　　1. 步進電機的工作原理

　　該步進電機為一四相步進電機，採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相繞組磁極產生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。

　　當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由於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.基於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將控制脈衝從P1口的P1.4~P1.7輸出，經74LS14反相後進入9014，經9014放大後控制光電開關，光電隔離後，由功率管TIP122將脈衝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衝信號分別作正轉、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下儘量減小AT89C2051對上位機脈衝信號周期的影響。

　　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，也是一個改善迴路時間常數的元件。D1~D4為續流二極體，使電機繞組產生的反電動勢通過續流二極體（D1~D4）而衰減掉，從而保護了功率管TIP122不受損壞。

　　在50Ω外接電阻上並聯一個200μF電容，可以改善注入步進電機繞組的電流脈衝前沿，提高了步進電機的高頻性能。與續流二極體串聯的200Ω電阻可減小迴路的放電時間常數，使繞組中電流脈衝的後沿變陡，電流下降時間變小，也起到提高高頻工作性能的作用。

　　3.軟體設計

　　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)為步進脈衝輸入端，P3.7為正反轉脈衝輸入端。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後，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，不至於產生錯步，應在每一步中設置標誌位。其中20H單元的各位為步進電機正轉標誌位；21H單元各位為反轉標誌位。在正轉時，不僅給正轉標誌位賦值，也同時給反轉標誌位賦值；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、電容及續流二極體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，對於I/O口線與單片機資源緊張的系統來說特別適用。