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基于单片机的步进电机驱动电路设计
[导读]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
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SB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　　
　　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P1.4～P1.7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RL1～RL4为绕组内阻，50&O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。D1～D4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(D1～D4)而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。
　　在50&O外接电阻上并联一个200&F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。与续流二极管串联的200&O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K1～K5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,#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,#0FFH
　　MOV TH1,#0FFH
　　SETB ET1
　　SETB EA
　　SETB TR1
　　SJMP $
　　;***********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,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
　　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
　　;***************电机反转*****************
　　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
　　4.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。
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基于单片机的步进电机控制系统设计
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&通过单片机来实现的步进电机控制系统其具备有成本低廉、使用灵活的特点，被广泛的应用于各类数控机床、机器人，定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域。步进电机其实是一种数字型的控制电机，通过将脉冲信号转换变为角位移运动，电机的转速、停止的位置仅仅取决于其接受的脉冲信号的频率快慢和脉冲数的多少，而不受到所带负载大小变化的影响，非超载状态下，我们根据上述所表现的线性关系可知，再加上步进电机仅仅只存在周期性的误差而不存在累积性的误差这一特点，因此这步进电机也仅仅适用于单片机的控制。步进电机是通过其输入的脉冲信号来对其进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。
1 系统设计原理
步进电机控制系统主要由单片机、键盘LED、驱动／放大和PC上位机等4个模块组成，其中PC机模块是软件控制部分，该控制系统可实现的功能：1)通过键盘启动／暂停步进电机、设置步进电机的转速和改变步进电机的转向；2)通过LED管显示步进的转速和转向等工作状态；3)实现三相或四相步进电机的控制：4)通过PC上位机实现对步进电机的控制(启停、转速和转向等)。为保护单片机控制系统硬件电路，在单片机和步进电机之间增加过流保护电路。图l为步进电机控制系统框图。
2 系统硬件电路设计
2．1 单片机模块
单片机模块主要由MSP430FG4618单片机及外围滤波、电源管理和晶振等电路组成。MSP430FG4618单片机内部的8 KB RAM和116 KB Flash满足控制系统的存储要求，P1和P2端口在步进电机工作过程中根据按键状态判断是否跳入中断服务程序来改变步进电机的工作状态，USART模块实现单片机和PC上位机之间的通信，实现PC机对步进电机控制。电源管理电路提供稳定的3．3 V和5 V电压，分别给单片机、晶振电路和驱动和功率放大电路供电。32 kHz晶振给单片机、键盘／显示接口器件8279和脉冲分配器PMM8713提供时钟；当采用USART模块时需开启8MHz晶振设置通信模块。图2为单片机模块结构框图。
2．2 键盘／LED模块
为实现人机对话，该系统设计扩展了3x4按钮矩阵键盘和4片8段LED数码管，可手动直接操作该控制系统。系统上电后，通过键盘输入步进电机的启停、步数转速和转向等，由LED管动态显示步进电机的转速和转向。键盘的输入和LED管的输出由8279进行控制，减少单片机工作负担。8279编程工作在键盘扫描输入方式，读入键盘时具有去抖动功能，避免误触发。图3为键盘LED模块设计结构框图。
2．3 驱动／放大模块
控制系统采用步进电机控制用的脉冲分配器(又称逻辑转换器)PMM8713，该器件是CMOS集成电路，相输出驱动能力(源电流或吸入电源)为20 mA，适用于控制三相或四相步进电机，可选择下列6种激励方式：三相步进电进：1相，2相，1-2相；四相步进电进：1相，2相，1-2相。输入方式可选择单时钟(加方向信号)和双时钟(正转或反转时钟)两种方式，具有正反转控制、初始化复位、原点监视、激励方式监视和输入脉冲监视等功能。器件PMM8713由时钟选通、激励方式控制、激励方式判断和可逆环形计数器等部分构成，所有输入端内都设有施密特电路，可提高抗干扰能力。PMM8713输出需接功率驱动电路，选用功率驱动器PMM2101，最大输出电流为1．4 A，满足驱动步进电机的要求。驱动／放大电路如图4所示。MSP430单片机通过调节PMM8713的端口1～4输入脉冲信号控制步进电机的启停、速度和转向等。
3 系统软件设计
3．1 单片机程序
利用单片机的定时器TIMER_A(TA)中断产生脉冲信号，通过在响应的中断程序中实现步进电机步数和圈数的准确计数，通过PWM实现转速控制；利用P1．0端口的中断关闭TA中断程序，并推入堆栈，停止电机；P1．1中断则开启TA中断，堆栈推入程序计数器(PC)，开启电机；P3．1端口输出高电平由PMM8713的U／D端口控制电机的转向；P3．0～P3．7端口接8279的8个数据接口，当单片机扫描到矩阵键盘有键按下时，利用P2端口的中断设置TA，控制启停、调速和转向等，同时单片机反馈给8279控制LED管显示转速和转向。其程序流程如图5所示。
3．2 PC上位机模块
PC上位机模块实现PC机对步进电机的控制。利用MSP430单片机的USART模块实现与PC上位机的通信，PC机通过串口向单片机发送控制命令，实现电机控制。单片机所接收到控制命令暂存在RXBUFFER中，然后与存储在片内Flash的中断程序的入口地址相比较，相同就进入中断，实现步进电机的控制。操作该模块时需要开启8 MHz晶振为USART模块设置波特率(设置波特率为9 600)。控制软件由VB6．0编写，利用MSComm控件实现串行通讯功能。其控制软件界面如图6所示。
4 系统检测
为检验该控制系统的实际工作情况，在给定PMM2101输出工作电流的状态下采用能量转化法测得步进电机输出的最大静转矩。选取输出电流间隔0．2 A，测到步进电机最大静转矩与电流之间关系的静特性曲线，如图7所示，说明该控制系统设计较合理。
该系统通过MSP430单片机控制步进电机运转情况，可靠性高，在电机运行时能够方便设定步进电机的启／停、转速和方向，提高步进电机的步进精度；能够控制三相或四相步进电机；由PC上位机完全控制步进电机的各种运行方式，使系统能够应用于恶劣环境中，保证人员安全，适用范围较广，且电路简单，成本较低，控制方便，移植性强，实用价值高。
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基于单片机控制的步进电机高低压驱动系统设计
第４２卷第２期２００８年２月
电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２００８
基于单片机控制的步进电机高低压驱动系统设计
丛君丽，刘永红，张海峰，李庆云
（中国石油大学，山东东营２５７０６１）
摘要：基于Ｍｏｔｏｒｏｌａ单片机设计了一种步进电机高低压驱动系统。该驱动系统采用电流检测反馈控制方法解决了步
进电机的发热问题，采用整步变速方法，提高了步进电机的变速性能。实验表明，该驱动系统具有电路简单，工作可靠性和自动化水平都高等优点。详细介绍了所设计驱动系统的驱动电路、硬件与软件组成，并对该系统进行了实验研究，给出了相应的实验结果。
关键词：步进电动机；驱动；单片微型机中图分类号：ＴＭ３０１．２
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０２－００７８－０３
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＤｏｕｂｌｅ－ｖｏｌｔａｇｅＤｒｉｖｉｎｇＳｙｓｔｅｍｏｆＳｔｅｐＭｏｔｏｒｓｂａｓｅｄｏｎＭｏｔｏｒｏｌａＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ
ＣＯＮＧＪｕｎ－ｌｉ，ＬＩＵＹｏｎｇ－ｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＨａｉ－ｆｅｎｇ，ＬＩＱｉｎｇ－ｙｕｎ
（，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ２５７０６１，Ｃｈｉｎａ）ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（ＥａｓｔＣｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｓａｄｏｕｂｌｅ－ｖｏｌｔａｇｅｄｒｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｓｔｅｐ－ｍｏｔｏｒｂａｓｅｄｏｎＭｏｔｏｒｏｌａｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ．Ｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇ
ａｎｄｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｙｓｔｅｍｓｏｌｖｅｄｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｓｔｅｐ－ｍｏｔｏｒｓ’ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｈｅａｔｔｈｒｏｕｇｈｃｕｒｒｅｎｔｔｅｓｔａｎｄｆｅｅｄｂａｃｋ，
ｓｈｉｆｔｉｎｇｇｅａｒｓｔｈｒｏｕｇｈｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｗｈｏｌｅ－ｐａｃｅｓｈｉｆｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍ’ｓｃｉｒｃｕｉｔｉｓｓｉｍｐｌｅ，ａｎｄｗｏｒｋｓｗｅｌｌ，ａｎｄｉｔｓａｕｔｏｍａｔｉｃｉｔｙｌｅｖｅｌｉｓｈｉｇｈ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅ’ｓｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｓｙｓｔｅｍｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｖｅａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｇｉｖｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｐ－ｍｏｔｏｒ；ｄｒｉｖｅ；ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ
ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔ：ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．５０６７４０９９）
步进电机因具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，在现代工业中得到广泛的应用［１－２］。采用高低压驱动方式可以有效地提高步进电机的输出矩频特性，但传统的高低压驱动方式是采用逻辑电路来实现的，其电路复杂，控制柔性差。
以单片机ＭＣ６８ＨＣ９０８ＧＰ３２作为驱动系统控制芯片，采用软件与硬件相结合的方法设计步进电机驱动系统，有效地提高了驱动系统的可靠性和智能化水平，同时还较大地简化了硬件电路。
Ｌａ的电流ｉＬａ快速上升，形成较陡的电流波上升沿。
信号处理电路发当检测电流超过工作电流２０％时，
出低电平，与ＵＨｉ一起通过逻辑与非门输出高电平，
使高压处于非工作状态，此时，低压端电关断ＶＱ３，
使电机连续工作。压ＵＬ开始为绕组供电，
２步进电机高低压驱动电路设计
图１示出所设计的步进电机单相高低压驱动电
高压控路的原理图。当要求给该相绕组Ｌａ通电时，
制信号ＵＨｉ和低压控制信号ＵＬｉ同时起步，但ＵＨｉ的
电路中采用负逻辑，脉宽比ＵＬｉ的窄。ＵＨｉ和ＵＬｉ经过
非门和晶体管ＶＱ１，ＶＱ２的放大电路，使ＭＯＳ管ＶＱ３，ＶＱ４同时导通。
由于快恢复二极管ＶＤ１的反向截止作用，此
使流经时，只有高电压的电流流过电机的绕组Ｌａ，
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０６７４０９９）定稿日期：２００７－０８－３１
作者简介：丛君丽（１９８２－），女，山东文登人，硕士研究
，图１步进电机高低压驱动电路的原理图
控制电路采用大功率、大容量ＶＱ３，ＶＱ４作为电机的驱动元件，电流迅速上升；快恢复二极管作为续流二极管，可以迅速泄放电流，改善电机的动态转矩，保证电机的平稳运行。电路通过高速光耦将弱电控制部分和强电驱动部分隔离开，以防止电机启动或发生故障时对控制电路产生干扰，提高驱动电路的可靠性。最为重要的是，绕组ＵＬ维持电机转动，上无需串联电阻分压，电源功耗小，节省能源。由图１ａ７８
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