四相步进电机驱动电路及驱动程序设计

四相步进电机驱动电路及驱动程序设计

我们用一个单片机控制多个步进电机指挥跳舞机器人的双肩、双肘和双脚伴着音乐做出各种协调舒缓充满感情的动作，荣获一等奖。电路采用74373锁存，74LS244和ULN2003作电压和电流驱动，单片机（Atc52）作脉冲序列信号发生器。程序设计基于中断服务和总线分时利用方式，实时更新各个电机的速度、方向。整个舞蹈由运动数据所决定的一截截动作无缝连接而成。本文主要介绍一下这个机器人的四相五线制步进电机驱动电路及程序设计.

1、步进电机简介

步进电机根据内部线圈个数不同分为二相制、三相制、四相制等。本文以四相制为例介绍其内部结构。图1为四相五线制步进电机内部结构示意图。

2、四相五线制步进电机的驱动电路

电路主要由单片机工作外围电路、信号锁存和放大电路组成。我们利用了单片机的I/O端口，通过74373锁存，由74LS244驱动，ULN2003对信号进行放大。8个电机共用4bit I/O端口作为数据总线，向电机传送步进脉冲。每个电机分配1bit的I/O端口用作74373锁存信号，锁存步进电机四相脉冲，经ULN2003放大到12V驱动电机运转。

电路原理图（部分）如图2所示。

（1）Intel 8051系列单片机是一种8位的嵌入式控制器，可寻址64K字节，共有32个可编程双向I/O口，分别称为P0～P3。该系列单片机上集成8K的ROM，128字节RAM可供使用。

（2）74LS244为三态控制芯片，目的是使单片机足以驱动ULN2003。

ULN2003是常用的达林顿管阵列，工作电压是12V，可以提供足够的电流以驱动步进电机。关于这些芯片的详细介绍可参见它们各自的数据手册。

（3）74373是电平控制锁存器，它可使多个步进电机共用一组数据总线。我们用P1.0～P1.7作为8个电机的锁存信号输出端，见表1。

这是一种基于总线分时复用的方式，以动态扫描的方式来发送控制信号，这和高级操作系统里的多任务进程调度的思想一致。这种方法明显的好处是节省I/O口，使系统可以控制更多的步进电机。本电路设计为控制8个。

3 、程序设计

传统的步进电机驱动程序利用简单的条件循环来发送脉冲序列，但当电机数目发生变化时，编程繁杂，冗余代码较多，难以做到信号占空比一致，进而产生“抖动” 现象。下面提出一种基于中断服务方式，面向舞蹈动作，可实时改变各个电机速度和方向（每200ms可改变一次）的程序设计方法。

3.1 速度归一化和线性关系

我们将速度量化成一个-128～127内可变的数，正号代表正转，负号代表返转，称之归一化速度（-128～127为一个字节）。给每个电机分

配一个速度累加计数器speed_tickers[i](I=0,1,2…,7分别代表8个电机)，初始值为0，每个中断触发周期内给该累加计数器加上从舞步信息数组dancedata中读取的速度值speeds[i]，当计数器值大于或等于预设的阈值MAX_SPEED_TICKER=600时，则发送脉冲序列中的下一个（正转）或上一个（反转）给步进电机，这取决于速度的符号（参考3.2节）。同时，将该电机的累加计数器speed_tickers[i]恢复为0。给出的速度值speed[i]越大，则累加达到或超过阈值MAX_SPEED_TICKER的时间就越短，那么向步进电机发送脉冲的频率就越高，速度也就越快。

归一化速度值设为num（-128～127），电机实际旋转速度设为V，那么V和num之间满足关系式：

（1）当num是阈值600的约数时，

其中，[x]代表不超过x的最大整数。

（3）V0是一个速度常数，即当归一化速度值num=120的时候对应的电机实际速度。

（4）num和速度V近似线性关系，V∝num。正是因为有了这种函数关

系，我们在舞蹈动作控制中，可以轻松实现速度在大范围内变化。

3.2 速度正负实现方式

（1）在程序中，数组steps[8]用于存放步进电机的脉冲序列。

（2）设置指针cur_step[8]指向8个电机当前处在脉冲序列step[8]中的位置。

易知：0 <=step[i]<=7，其中，i分别代表8个电机。

（3）设置指针移动变量delta=0。delta=1，指针向后移动一步，电机正转；delta=-1，指针向前移动一步，电机反转；delta=0，指针不移动，电机不发生转动。

3.3 程序具体步骤

3.3.1 初始化计时器InitTimer，然后空循环，进入等中断阶段。

3.3.2 中断触发后，程序进入服务程序。

（1）执行函数SetAllSpeeds，函数根据提供的速度值speed[i]依次判断是否给各个电机发送脉冲，实现电机以特定的速度和方向旋转。

SetAllSpeeds具体算法流程见图3。

（2）从定义的数组dancedata中读取新的速度信息，每200ms一次。（3）将系统在调用中断处理函数时关闭的计时器重新打开InitTimer。（4）中断处理函数结束返回。

注意：第一，（1）和（2）不可交换，这是为了保证步进电机每步延时的均匀性；第二，内部中断间隔时间1ms内，8051是否能够将中断服务程序中所有的代码执行完全？答案是肯定的。参考图4，我们对整

个中断服务程序进行了统计，它所要执行的指令数在200～300之间变化，时钟间隔设置为1ms，选用12MHz晶振，执行这些指令需要耗时约500～600μs<1ms，因此，中断处理完全可以在一个计时器周期内执行完毕。

3.4 舞蹈编排

在舞蹈编排中，我们面向的是动作，因此，必须关心三要素：快慢、方向和幅度。在程序中，舞步信息数组格式如下：

每组数据含有8个字节，分别代表8个电机的归一化速度num，这

点在3.1节中已经做了详细分析。程序每200ms读一次数据，换句话说，每组数据的有效期只有200ms。我们分析表2一组数据代表的含义。

（1）组数为25，这隐含了动作的时间信息。因为每组数据的有效期为200ms，所以，25组数据的执行时间为：200ms×25=5000ms

（2）左脚和右脚（轮式）的归一化速度相等，方向相反。根据公式（1）可以知道

V=0.5×V0

所以，机器人以0.5V0的速度原地转圈5000ms。

（3）其它关节的归一化速度num=0，说明其它关节均无动作。

3.5 可视化辅助程序简介

我们发现一个简单的动作竞需要5组数据，5分钟的舞蹈需要

5X60X1000ms/200ms=1500 组数据（需占用1.5K存储空间，AT89C52足够）。如果人工填写这些数据，将十分困难。因此在实际的运用中，我们用C+Builder编写了机器人模拟程序，采用图形界面，预一化速度