步進(jìn)電機(jī)工作原理及電路設(shè)計(jì)解析—電路精選（44）

步進(jìn)電機(jī)在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。它可以把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動(dòng)輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等。

有時(shí)從一些舊設(shè)備上拆下的步進(jìn)電機(jī)（這種電機(jī)一般沒有損壞）要改作它用，一般需自己設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器。

1. 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。

圖1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖

開始時(shí)，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。

當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時(shí)，由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極

產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

四相步進(jìn)電機(jī)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(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)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(shí)序與波形分別如圖2.a、b、c所示：

圖2.步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)電路原理圖

AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4～P1.7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(hào)進(jìn)行電壓和電流放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組。使步進(jìn)電機(jī)隨著不同的脈沖信號(hào)分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動(dòng)作。圖中L1為步進(jìn)電機(jī)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(duì)上位機(jī)脈沖信號(hào)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(gè)改善回路時(shí)間常數(shù)的元件。D1～D4為續(xù)流二極管，使電機(jī)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)通過續(xù)流二極管（D1～D4）而衰減掉，從而保護(hù)了功率管TIP122不受損壞。

在50Ω外接電阻上并聯(lián)一個(gè)200μF電容，可以改善注入步進(jìn)電機(jī)繞組的電流脈沖前沿，提高了步進(jìn)電機(jī)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(shí)間常數(shù)，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時(shí)間變小，也起到提高高頻工作性能的作用。

2.軟件設(shè)計(jì)

該驅(qū)動(dòng)器根據(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(jī)（PC機(jī)或單片機(jī)）與驅(qū)動(dòng)器僅以2條線相連。

方式2為串行通訊方式：上位機(jī)（PC機(jī)或單片機(jī)）將控制命令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)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K1～K5的不同組合，直接控制步進(jìn)電機(jī)。

當(dāng)上電或按下復(fù)位鍵KR后，AT89C2051先檢測(cè)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(jī)在換向時(shí)的處理。為使步進(jìn)電機(jī)在換向時(shí)能平滑過渡，不至于產(chǎn)生錯(cuò)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(jī)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(shí)，不僅給正轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值，也同時(shí)給反轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值;在反轉(zhuǎn)時(shí)也如此。這樣，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)，就可以上一次的位置作為起點(diǎn)反向運(yùn)動(dòng)，避免了電機(jī)換向時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)步。

圖4 方式1程序框圖

3.步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路

為了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的相電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到細(xì)分步進(jìn)電機(jī)步距角的目的，人們?cè)O(shè)計(jì)了很多種步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，特別是單片計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)帶來了便利。目前，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路大多數(shù)都采用單片微機(jī)控制。單片機(jī)根據(jù)要求的步距角計(jì)算出各相繞組中通過的電流值，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)的模擬電壓，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，來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分。單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)末級(jí)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）。

圖5 　步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路