步進(jìn)電機驅(qū)動器的工作原理

1、步進(jìn)電機驅(qū)動器的工作原理步進(jìn)電機在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。它可以把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等。 有時從一些舊設(shè)備上拆下的步進(jìn)電機(這種電機一般沒有損壞)要改作它用，一般需自己設(shè)計驅(qū)動器。本文介紹的就是為從一日本產(chǎn)舊式打印機上拆下的步進(jìn)電機而設(shè)計的驅(qū)動器。本文先介紹該步進(jìn)電機的工作原理，然后介紹了其驅(qū)動器的軟、硬件設(shè)計。1. 步進(jìn)電機的工作原理該步進(jìn)電機為一四相步進(jìn)電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電機步進(jìn)轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機工作原理示意圖。圖1 四相步進(jìn)電機步進(jìn)示意圖 開始時，開關(guān)SB接

2、通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當(dāng)開關(guān)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極 產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。四相步進(jìn)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(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙

3、四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)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：圖2.步進(jìn)電機工作時序波形圖 2.基于AT89C2051的步進(jìn)電機驅(qū)動器系統(tǒng)電路原理圖3 步進(jìn)電機驅(qū)動器系統(tǒng)電路原理圖 AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4P1.7輸出，經(jīng)74LS14反相后進(jìn)入9014，經(jīng)9014放大后控制光電開關(guān)，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號進(jìn)行電壓和電流放大，驅(qū)動步進(jìn)電機的各相繞組。使步進(jìn)電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動作。圖中L1為步進(jìn)電機的一相繞組。AT89C2051選

4、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RL1RL4為繞組內(nèi)阻，50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(shù)的元件。D1D4為續(xù)流二極管，使電機繞組產(chǎn)生的反電動勢通過續(xù)流二極管(D1D4)而衰減掉，從而保護(hù)了功率管TIP122不受損壞。在50外接電阻上并聯(lián)一個200F電容，可以改善注入步進(jìn)電機繞組的電流脈沖前沿，提高了步進(jìn)電機的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200電阻可減小回路的放電時間常數(shù)，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(shè)計該驅(qū)動器根據(jù)撥碼開關(guān)KX

5、、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(jìn)脈沖輸入端，P3.7為正反轉(zhuǎn)脈沖輸入端。上位機(PC機或單片機)與驅(qū)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(fā)送給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)控制命令自行完成有關(guān)控制過程。方式3為撥碼開關(guān)控制方式：通過K1K5的不同組合，直接控制步進(jìn)電機。當(dāng)上電或按下復(fù)位鍵KR后，AT89C2051先檢測撥碼開關(guān)KX、KY的狀態(tài)，根據(jù)KX、KY 的不同組合，進(jìn)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(jìn)電機在換向時的處理。為使步進(jìn)電機在換向時能平滑過渡，不至于產(chǎn)

6、生錯步，應(yīng)在每一步中設(shè)置標(biāo)志位。其中20H單元的各位為步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)標(biāo)志位;21H單元各位為反轉(zhuǎn)標(biāo)志位。在正轉(zhuǎn)時，不僅給正轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值，也同時給反轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值;在反轉(zhuǎn)時也如此。這樣，當(dāng)步進(jìn)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(chǎn)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(zhuǎn)位置指針MOV 21H,#00H ;21H單元置初值，電機反轉(zhuǎn)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(shù)器置初值,開中斷MOV TL1,#0FFHMOV TH1,#0FFHSETB ET1

7、SETB EASETB TR1SJMP $;*計數(shù)器1中斷程序* IT1P: JB P3.7,FAN ;電機正、反轉(zhuǎn)指針;*電機正轉(zhuǎn)*JB 00H,LOOP0JB 01H,LOOP1JB 02H,LOOP2JB 03H,LOOP3JB 04H,LOOP4JB 05H,LOOP5JB 06H,LOOP6JB 07H,LOOP7LOOP0: MOV P1,#0D0HMOV 20H,#02HMOV 21H,#40HAJMP QUITLOOP1: MOV P1,#090HMOV 20H,#04HMOV 21H,#20HAJMP QUITLOOP2: MOV P1,#0B0HMOV 20H,#08HMO

8、V 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: MOV P1,#0E0HMOV 20H,#80HMOV 21H,#01HAJMP QUITLOOP7: MOV P1,#0C0HMOV 20H,#01HMOV 21H,#80HAJMP QUIT;*電機反轉(zhuǎn)*FAN: JB 08H,L

9、OOQ0JB 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,#20HAJMP 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,#0B