步進馬達驅(qū)動電路的工作原理與設(shè)計解析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-01-11
步進電機驅(qū)動電路設(shè)計解析步進電機在控制系統(tǒng)中具有普遍的應(yīng)用。它能夠把脈沖信號轉(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)作器等。有時從一些舊設(shè)備上拆下的步進電機（這種電機普通沒有損壞）要改作它用，普通需本人設(shè)計驅(qū)動器。
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。只需對步進電機的各相繞組按適宜的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反響式步進電機工作原理表示圖。
開端時，開關(guān)SB接通電源，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四相繞組輪番供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。
四相步進電機依照通電次第的不同，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四拍的一半，因而，八拍工作方式既能夠堅持較高的轉(zhuǎn)動力矩又能夠進步控制精度。
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：
AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4～P1.7輸出，經(jīng)74LS14反相后進入9014，經(jīng)9014放大后控制光電開關(guān)，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號停止電壓和電放逐大，驅(qū)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(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和中止等動作。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(nèi)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(shù)的元件。D1～D4為續(xù)流二極管，使電機繞組產(chǎn)生的反電動勢經(jīng)過續(xù)流二極管（D1～D4）而衰減掉，從而維護了功率管TIP122不受損壞。
在50Ω外接電阻上并聯(lián)一個200μF電容，能夠改善注入步進電機繞組的電流脈沖前沿，進步了步進電機的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200Ω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，電流降落時間變小，也起到進步高頻工作性能的作用。
2.軟件設(shè)計
該驅(qū)動器依據(jù)撥碼開關(guān)KX、KY的不同組合有三種工作方式供選擇：
方式1為中綴方式：P3.5（INT1）為步進脈沖輸入端，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)動器依據(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：經(jīng)過K1～K5的不同組合，直接控制步進電機。
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)，依據(jù)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，要特別留意步進電機在換向時的處置。為使步進電機在換向時能平滑過渡，不至于產(chǎn)生錯步，應(yīng)在每一步中設(shè)置標志位。其中20H單元的各位為步進電機正轉(zhuǎn)標志位;21H單元各位為反轉(zhuǎn)標志位。
在正轉(zhuǎn)時，不只給正轉(zhuǎn)標志位賦值，也同時給反轉(zhuǎn)標志位賦值;在反轉(zhuǎn)時也如此。這樣，當(dāng)步進電機換向時，就能夠上一次的位置作為起點反向運動，防止了電機換向時產(chǎn)生錯步。
3.步進電機細分驅(qū)動電路
為了對步進電機的相電流停止控制，從而到達細分步進電機步距角的目的，人們曾設(shè)計了很多種步進電機的細分驅(qū)動電路。隨著微型計算機的開展，特別是單片計算機的呈現(xiàn)，為步進電機的細分驅(qū)動帶來了便利。
目前，步進電機細分驅(qū)動電路大多數(shù)都采用單片微機控制。單片機依據(jù)請求的步距角計算出各相繞組中經(jīng)過的電流值，并輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DPA） 中，由DPA 把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模仿電壓，經(jīng)過環(huán)形分配器加到各相的功放電路上，控制功放電路給各相繞組通以相應(yīng)的電流，來完成步進電機的細分。
單片機控制的步進電機細分驅(qū)動電路依據(jù)末級功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開關(guān)型兩種（見下圖5）。
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