实用的步进电机驱动电路图

实用的步进电机驱动电路(图)概述步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。

本设计选用第三种方案，用PMM8713三相或四相步进电机的脉冲分配器、SI-7300A 两相或四相功率驱动器，组成四相步进电机功率驱动电路，以提高集成度和可靠性，步进电机控制框图见图1。

图1 步进电机控制系统框图硬件简介● PMM8713原理框图及功能PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器，适用于控制三相或四相步进电机。

控制三相或四相步进电机时都可以选择3种励磁方式，每相最小吸入与拉出电流为20mA，它不仅满足后级功率放大器的输入要求，而且在其所有输入端上均内嵌施密特触发电路，抗干扰能力强，其原理框图如图2所示。

图2 PMM8713的原理框图在PMM8713的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入发。

PMM8713有两种脉冲输入法：双脉冲输入法和单脉冲输入法。

采用双脉冲输入法时，CP、CU两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲。

当采用单脉冲输入时，步进电机的正反转方向由U/D的高、低电位决定。

激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。

激励方式判断电路用于输出检测；而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序信号。

● SI-7300A的结构及功率驱动原理SI-7300A是日本三青公司生产的高性能步进电机集成功率放大器，该器件为单极性四相驱动，采用SIP18封装。

步进电机功率驱动级电路可分为电压和电流两种驱动方式。

电流驱动方式最常用的是PWM恒流斩波驱动电路，也是最常用的高性能驱动方式，其中一相的等效电路图如图3所示。

图3 LM331电压/频率变换电路● LM331芯片LM331是美国国家半导体公司生产的双列直插式8脚芯片，只需接入几个外部元件就可以方便地构成电压/频率(V/F)变换电路，电路如图4所示。

图4 四相步进电机功率驱动电路LM331的输出频率和输入电压存在如下关系：f0=Vi/(IRt1RL)，其中t1由外接的定时元件Rt和Ct决定，t1＝1.1RtCt，IR由内部精密电流源提供，IR＝1.9V/RS。

故f0=ViRS/(2.09RtRLCt)。

RS为可调电阻，它的作用是调整LM331的增益偏差。

Ct为滤波电容，一般为 0.01～0.1μF，在滤波效果较好的情况下，可使用1μF的电容。

为了提高精度和稳定度，组容元件选用低温度系数的器件。

应用举例用PMM8713步进电机环形分配器与SI7300A步进电机功率放大器设计了一个四相步进电机功率驱动电路，PMM8713采取单脉冲输入、1-2相励磁方式，电路如图5所示。

图中PD控制端为SI7300A的输入电流I0调节端，可悬空或接高电平，接高电平时可适当提高SI7300A的输出电流I0，在本应用系统中悬空使用。

图中PMM8713的时钟脉冲输入信号由LM331(V/F)输出，方向控制信号和步进电机的起停信号由窗口比较电路给出。

图5 窗口比较电路窗口比较电路为步进电机提供方向控制信号和步进电机的起停控制信号，电路如图6所示。

其中，U1、U2为数控等离子切割机弧压的上、下限电压，Ui为检测到的弧压。

当Ui>U1，V3输出为高电平，V4输出为低电平，V5输出为高电平；当U2<Ui<U1，V3和V4输出均为高电平，V5输出为低电平；当Ui<U2，V3输出为低电平，V4输出为高电平，V5输出为高电平。

将V3输出或V4输出作为步进电机的方向控制信号，V5作为步进电机的起停控制信号。

脉冲控制信号由LM331输出信号提供。

方向控制信号V3或V4输出端接PMM8713的C/D，控制步进电机的正反转；U5输出端接PMM8713的复位端R，控制步进电机的起停。

LMM331(V/F)输出端f0接PMM8713的CK，为步进电机提供脉冲控制信号。

由此可见，当U2<Ui<U1时，V5输出为低电平，步进电机不运动；当Ui>U1或者Ui<U2时，V5输出为高电平，步进电机运动(步进电机的正反转由方向控制信号控制)至U2<Ui<U1的范围内，从而保证Ui始终位于U2<Ui<U1范围内。

结束语该驱动电路被用于数控等离子切割机弧压自动调高系统中，系统中的电机是42BYG009型混合式步进电机，驱动电压为直流24V。

通过实践证明该步进电机功率驱动电路控制系统结构简单、性能稳定、效率高、矩频特性好，可广泛应用于小型机电一体化设备中。

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，50Ω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50Ω外接电阻上并联一个200μF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200Ω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,#0FFHMOV TH1,#0FFHSETB ET1SETB EASETB TR1SJMP $;***********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,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,#08HMOV 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;***************电机反转***************** FAN: JB 08H,LOOQ0JB 09H,LOOQ1JB 0AH,LOOQ2JB 0BH,LOOQ3JB 0CH,LOOQ4JB 0DH,LOOQ5JB 0EH,LOOQ6JB 0FH,LOOQ7LOOQ0: MOV P1,#0A0H MOV 21H,#02HMOV 20H,#40HAJMP QUITLOOQ1: MOV P1,#0E0H MOV 21H,#04HMOV 20H,#20HAJMP QUITLOOQ2: MOV P1,#0C0H MOV 21H,#08HMOV 20H,#10HAJMP QUITLOOQ3: MOV P1,#0D0H MOV 21H,#10HMOV 20H,#08HAJMP QUITLOOQ4: MOV P1,#050HMOV 21H,#20HMOV 20H,#04HAJMP QUITLOOQ5: MOV P1,#070H MOV 21H,#40HMOV 20H,#02HAJMP QUITLOOQ6: MOV P1,#030H MOV 21H,#80HMOV 20H,#01HAJMP QUITLOOQ7: MOV P1,#0B0H MOV 21H,#01HMOV 20H,#80HQUIT: RETIEND。