4相步进电机驱动原理

步进电机驱动器的工作原理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2.基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理图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,#0D0H MOV 20H,#02HMOV 21H,#40HAJMP QUITLOOP1: MOV P1,#090H MOV 20H,#04HMOV 21H,#20HAJMP QUITLOOP2: MOV P1,#0B0H MOV 20H,#08HMOV 21H,#10HAJMP QUITLOOP3: MOV P1,#030H MOV 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,#050H MOV 21H,#20HMOV 20H,#04HAJMP QUITLOOQ5: MOV P1,#070H MOV 21H,#40HMOV 20H,#02HAJMP QUITLOOQ6: MOV P1,#030HMOV 21H,#80HMOV 20H,#01HAJMP QUITLOOQ7: MOV P1,#0B0HMOV 21H,#01HMOV 20H,#80HQUIT: RETIEND4.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。

步进电动机的工作原理及驱动方法作者：时间：2007-12-05 来源:电子元器件网浏览评论推荐给好友我有问题个性化定制：步进电动机工业控制电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。

步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动响。

由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。

动机的种类常用的有三种步进电动机：反应式步进电动机(VR)。

反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。

永磁式步进电动机(PM)。

永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。

混合式步进电动机(HB)。

混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是步进电动机。

它有时也称作永磁感应子式步进电动机。

动机的工作原理图1 三相反应式步进电动机的结构示意图1——定子2——转子3——定子绕组{{分页}}是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。

电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60º。

各磁极上套有线圈，按图1相绕组。

转子上均布40个小齿。

所以每个齿的齿距为θE=360º/40=9º，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和宽均相同。

由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。

若以A相磁极齿对齐，如图1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3º。

因此，B、C极下的磁阻比A磁若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3º；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。

相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3º。

依次类推，当三相绕组按A→B→C 电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3º的规律步进式转动起来。

若改变通电顺序，按A→C→B→A顺序循环通逆时针方向以每个通电脉冲转动3º的规律转动。

因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单单三拍运行时的步矩角θb为30º。

三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按AB→BC→CA→AB顺序，以及单、双六拍运行，即按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序循环通电的方式。

六拍运行时的步矩角将减小一半。

反应式角可按下式计算：θb=360º/NE r(1)——转子齿数；——运行拍数，N=km，m为步进电动机的绕组相数，k=1或2。

动机的驱动方法电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图2所示，它由脉冲发生控制单元、保护单元等组成。

图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。

驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机率接口，这里予以简单介绍。