基于单片机的步进电机驱动电路.doc

1、目 录1、步进电机驱动器系统示意框图22、两相步进电机的基本结构和工作原理23、由功率MOSFET管组成的H桥驱动电路94、由AT89C51组成的步进控制信号产生电路125、AT89C51程序编写方法146、完整的步进电机控制驱动器电路14摘要：步进电机驱动器是将电脉冲信号转变为电机角位移或线位移的开环控制电路，本文通过分析步进电机工作原理，结合单片机技术，提出了一种单片机控制的脉冲分配器产生办法，实现用H桥电路对两相步进电动机的驱动，通过控制脉冲个数来达到准确定位的目的，同时也通过控制脉冲频率来控制步进电机转动的速度和加速度，达到调速的目的。关键词：步进电机，单片机，驱动控制1、步进电机驱动

2、器系统示意框图组成步进电机驱动器的电路包括： 光电隔离电路、单片机系统电路产生控制逻辑信号电路、功率MOSFET管驱动电路、H桥驱动电路等。系统框图如图1所示。图1 步进电机驱动器系统示意框图方向控制信号与启停控制信号均是TTL逻辑电平，一般情况下是开关信号，其中方向控制决定了步进电机是按顺时针旋转还是按逆时针旋转，启停控制则可用于紧急情况下的电机停止旋转，切断电源。2、两相步进电机的基本结构和工作原理(1)基本结构。两相步进电机的基本结构和原理图如图2(a)、(b)所示。两相步进电机在结构上分转子和定子两部分。定子一般由硅钢片叠成，定子上所绕的线圈称为励磁线圈。对于如图2(a)所示的绕线方式

3、，AB引线为一相，CD引线为另一相。当给某相线圈供电时将形成4个磁极。对于两相步进电机，两个绕组全部供电时将形成8个磁极。每个定子磁极的内表面都分布着多个小齿，它们大小相同，间距相同。(a)基本结构图(b)原理图图2两相步进电机基本结构图和原理图转子是由永磁材料制成的，其主视图如图3所示。分上、下两层，若上层为S极，则下层必为N极。上、下两层外表面均匀分布着小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同，形状相似。转子上、下两层的齿呈半径相同的圆周分布，并相互错开二分之一齿距角。而定子的小齿只分布在磁极上，属不完全齿。需注意的是，转子的上、下两层是做成一体的，即上层转子的旋转将带动下层转子的旋转，

4、反过来亦如此。图3转子主视图由于齿距相同，所以不管是定子还是转子，它们的齿距角都可以由下式来计算：，其中，Z为转子的齿数。对于两相步进电机，一般取转子齿数Z=50，则齿距角为，上层转子与下层转子错开。同时，定子的齿距角亦为。定子小齿与转子小齿对齐，称为对齿。定子小齿与转子小齿完全不对齐，称为完全错齿。其它情况下均称为错齿。如图4所示。(a)对齿(b)完全错齿(c)错齿图4定子小齿与转子小齿的三种相对状态步进电机转动的力距来自电磁力。在电磁力的作用下，如果定子小齿和转子小齿的磁极性相异，则电磁力使转子小齿向对齿方向转动，如果定子小齿与转子小齿的磁极性相同，则电磁力使转子小齿向完全错齿方向转动。定

5、子小齿与转子小齿在任何时刻，有错齿的存在是步进电机能够旋转的前提条件。(2)工作原理。在设计步进电机的结构时，保证了不管转子处于什么位置，一定会有错齿状态存在。如果给处于错齿状态的相线圈供电，转子在电磁力的作用下，如果磁极性相异，则转子向完全对齿方向转动，如果磁极性相同，则转子向完全错齿方向转动。步进电机的转动就是基于这一原理实现的。转子受电磁力转动情况的分析。为了能说明步进电机的转动，我们在下面的图中将步进电机的上层转子半径缩小，并规定上层转子的极性为S极，下层转子的极性为N极，这并不影响我们对电磁力的分析。同时，我们只对一个有代表性的转子小齿(如靠近中心轴处的小齿)的受力情况作出分析。图5

6、步进电机供电前转子相对于定子处于随机位置在给步进电机供电前，转子相对于定子处于随机的位置，如图5。我们作一轴线，将八个定子编号为、号，其中、号属于AB相绕组，、属于CD相绕组；将转子齿沿顺时针方向编上齿号，其中下层N极转子为0、1、3、49号齿，上层S级转子为0、1、3、49号齿，并规定上部离轴线最近的齿为0或0号齿。(a)AB相线圈供电前瞬间转子与定子的位置关系(b)AB相线圈供电后定子极性和转子受力情况(c) AB相线圈供电后转子旋转到的平衡位置图6AB相线圈供电时转子相对于定子所处的三种位置当给电机的AB相线圈供电时，在刚供电前的瞬间，转子相对于定子的位置处于如图6(a)所示的位置(即我

7、们在图5中规定的随机位置)。当AB相线圈供电后，在AB相线圈的四个定子、上将形成N极和S极，如图6(b)所示。由于此时上层S极转子的0号齿与号定子磁极性相异，转子受到的电磁力是向着对齿方向运动；而下层N极转子的0号齿与号定子磁极性相同，转子受到的电磁力是向着完全错齿方向运动。在两者的共同作用下，转子在号定子处受到的电磁力的合力是顺时针方向旋转的力F1。同理，在号定子处，转子的上层S极38号齿、下层N极37号齿将因磁极性相同和相异，受到的电磁力是顺时针方向旋转的力F3。在、号定子处转子25/25号齿、12/13号齿亦如此。这样，在这些力的共同作用下，转子将向顺时针方向旋转。当转子旋转到如图6(c

8、)所示的位置时，上层S极0号齿与号N极定子处于对齿状态，下层N极0号齿与号N极定子处于完全错齿状态，因此，转子在此处将不再受到旋转电磁力的作用。在、号定子处，转子37/38号齿、25/25号齿、12/13号齿亦如此。这样，即使AB相线圈继续供电，转子仍将停留在该平衡位置上。注意当转子处于此位置时，上层S极转子的0号齿处于轴线的中心位置上，读者先记住这个相对位置。(a) CD相线圈供电后定子极性和转子受力情况(b)CD相线圈供电后转子旋转到平衡位置图7 CD相线圈供电时转子相对于定子所处的两种位置此后，当去掉对AB相线圈的供电而改成对CD相线圈供电时，在CD相线圈的四个定子、上将形成S极和N极，

9、如图7(a)所示。上层S极转子的44号齿与号S极定子磁极性相同，转子受到的电磁力是使其向着完全错齿方向运动；而下层N极转子的43号齿与号S极定子磁极性相异，转子受到的电磁力是使其向着对齿方向运动。在两者的共同作用下，转子在号定子处受到的合力是顺时针方向旋转的力F2。同理，在、号定子处的转子31/31号齿、18/19号齿、6/6号齿受到的力F4、F6、F8均是转子顺时针方向旋转的力。在这些力的共同作用下，转子顺时针方向旋转到如图7(b)所示的平衡位置。此时，即使CD相线圈继续供电，转子将不再受到顺时针旋转的电磁力作用。从对AB相线圈供电换成对CD相线圈供电，亦是转子从图6(c)所示的平衡位置到图

10、7(b)所示的平衡位置的旋转过程。这一过程使上层S极转子0号齿顺时针旋转了1.8，也就是说，整个转子在对AB相线圈供电换成对CD相线圈供电的过程中沿顺时针方向旋转了四分之一齿距角即1.8。供电状态转换一次称为一拍，拍信号即是步进电机的步进脉冲信号。步进电机的三种激励方式和两种工作方式。单相激励方式：单相激励方式是指对定子两个绕组供电时，在一拍时间内只有一个绕组被供电，且供电转换方式按如下四步循环：(a) AB相供电，电流方向为AB；(b) CD相供电，电流方向为CD；(c) BA相供电，电流方向为BA；(d) DC相供电，电流方向为DC。在单相激励方式中，每一拍转子转动1.8，经过四拍，即经过

11、一个循环后，转子转动一个齿距角即7.2。对于齿数为50的转子，转子转动一周，则需504200拍，即需要200个脉冲信号。两相激励方式：两相激励方式是指对定子两个绕组供电时，在一拍时间内均同时对两个绕组供电，供电方式按如下四步循环：(a) AB相、CD相同时供电，电流方向为AB、CD；(b) BA相、CD相同时供电，电流方向为BA、CD；(c) BA相、DC相同时供电，电流方向为BA、DC；(d) AB相、DC相同时供电，电流方向为AB、DC。两相激励方式和单相激励方式一样，在一拍时间内，转子也是转动1.8，经过四拍一个循环后，转子转动一个齿距角即7.2。单两相激励方式：单两相激励方式是指对定子

12、两个绕组供电时，一拍单相供电，一拍双相供电，供电方式按如下八拍八步循环：(a) AB相供电，电流方向为AB；(b) AB相、CD相同时供电，电流方向为AB、CD；(c) CD相供电，电流方向为CD；(d) BA相、CD相同时供电，电流方向为BA、CD；(e) BA相供电，电流方向为BA；(f) BA相、DC相同时供电，电流方向为BA、DC；(g) DC相供电，电流方向为DC；(h) AB相、DC相同时供电，电流方向为AB、DC。在单两相激励方式中，完成一个循环是八拍，即需要八个激励脉冲，在每一个循环中，绕组供电状态有八种，绕组供电状态每改变一次，转子转动0.9。基本步工作方式和半步工作方式：在

13、描述步进电机工作过程时，除用激励方式这一表述外，还常用工作方式表述。在单相、两相激励方式中，在每一拍内，两个绕组的供电状态只有一种，在完成一种供电状态后，转子转动1.8，步进电机的这种工作状态称为基本步工作方式。在单两相激励方式中，每一循环内两个绕组的供电状态有八种，在完成一种供电状态后，转子转动0.9，步进电机的这种工作状态称半步工作方式。三种激励方式下的相电压波形。一个脉冲对应于步进电机某相绕组的一次供电，在基本步单相激励方式、两相激励方式和半步单两相激励方式的三种激励方式中，步进脉冲和AB相绕组及CD相绕组对应的电压波形分别如图8(a)、(b)、(c)所示。(a) 基本步单相激励方式的相

14、电压波形(b) 基本步两相激励方式的相电压波形(c) 半步单两相激励方式的相电压波形图8三种激励方式下的相电压波形在三种激励方式中，基本步两相激励方式的AB相绕组和CD相绕组一直处于工作状态，没有关断状态；基本步单相激励方式的AB相绕组在第2、4、6、个脉冲中处于关断状态，CD相绕组在第1、3、5、个脉冲中处于关断状态；半步单两相激励方式的AB相绕组在第3、7、11、个脉冲中处于关断状态，CD相绕组在第1、5、9、个脉冲中处于关断状态。可见，基本步两相激励方式的相线圈利用率是最高的，而基本步单相激励方式的相线圈利用率最低。3、由功率MOSFET管组成的H桥驱动电路电流在电机绕组AB相和CD相中

15、有两种可能的流向，通常由一种叫做H桥的驱动电路来实现，图9给出了H桥驱动电路与步进电机AB相绕组连接的电路框图。 (a)(b)图9 电机绕组AB的电流方向四个开关K1和K4、K2和K4分别受控制信号a、b的控制，当控制信号使开关K1、K4合上，K2、K3断开时，电流IL在线圈中的流向如图9(a)，当控制信号使开关K2、K3合上，K1、K4断开时，电流IL在线圈中的流向如图9(b)。四个二极管VD1、VD2、VD3、VD4称为续流二极管，它们所起的作用是：以图9(a)为例，当K1、K4开关受控制由闭合转向断开时，由于此时线圈绕组AB上的电流不能突变，仍需按原电流方向流动(即AB)，此时就是由VD

16、3、VD2来提供回路的。因此，电流在K1、K4关断的瞬间的流向是由地VD3线圈绕组ABVD2电源VS。同理，在图9(b)中，当开关K2、K3关断的瞬间，由二极管VD4、VD1提供线圈绕组的续流，电流回路为地VD4线圈绕组ABVD1电源VS。实现上述开关功能的元件在实际电路中常采用功率MOSFET管。下图10给出了用H桥驱动步进电机AB相线圈的电路原理图。选用的功率MOSFET元件是IRFP460，其ID=20A，VDSS=500V，RDS(ON)=0.27。图10H桥驱动电路和功率MOSFET管的驱动在图10中，功率MOSFET管VT1、VT5、VT2、VT6和续流二极管VD11、VD19、V

17、D14、VD22相当于图9中的K1、K2、K3、K4和VD1、VD2、VD3、VD4。功率MOSFET管的控制信号是由TTL逻辑电平a、b、来提供的，其中a与、b与在逻辑上互反，下面讨论一下TTL电平的控制信号是如何驱动功率MOSFET管的。由于功率MOSFET管栅极电容的存在，对该管的驱动电流实际表现为对栅极电容的充、放电。极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越大，为了使开关波形具有足够的上升和下降陡度，驱动电流要具有较大的数值。如果直接用集电极开路的器件如SN7407驱动功率MOSFET管，则电路在MOSFET管带感性负载时，上升时间过长，会造成动态损耗增大。为了改进功率MOSFET

18、管的快速开通时间，同时也减少在前级门电路上的功耗，我们采用的MOSFET管驱动电路是图10虚线框内的左下臂驱动电路。在该驱动电路中，集电极开路器件G14是将TTL电平转换成CMOS电平的缓冲/驱动器，当G14输出低电平时，功率MOSFET管VT2的栅极电容通过1N4148被短路至地，这时G14吸收电流的能力受G14内部导通管所允许通过的电流限制(可参考课本中门电路特性参数有关内容)。而当G14输出为高电平时，VT2管的栅极通过晶体管V9获得电压和电流，充电能力提高，因而开通速度加快。虚线框中，1N4744是栅源间的过压保护齐纳二极管，其稳压值为15V。我们知道，功率MOSFET管栅源间的阻抗很

19、高，故工作于开关状态下的漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相当幅度的VGS脉冲电压。这一电压会引起栅源击穿造成管子的永久损坏，如果是正方向的VGS脉冲电压，虽然达不到损坏器件的程度，但会导致器件的误导通。为此，要适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源之间并接阻尼电阻或接一个稳压值小于20V而又接近20V的齐纳二极管，防止栅源开路工作，1N4744就是起这样的作用的。同理，我们不难分析图5.15中其它功率MOSFET管如VT1管驱动电路中V5、C6V8和R35所起的作用。在图10所示电路中，VD11、VD14、VD19、VD22的作用是给感性绕组提供续流通路。VD12、VD13、VD20

20、、VD21的作用是防止感性绕组续流流经功率管MOSFET内部的快恢复二极管。其中，反并联快恢复二极管VD11、VD14的作用是为电机AB相绕组提供续流通路，VD12、VD13是为了使功率MOSFET管VT1、VT2内部的快恢复二极管不流过反向电流，以保证VT1、VT2在动态工作时能起正常的开关作用。VD19、VD20、VD21、VD22的作用亦是同样的道理。图10电路的工作过程是这样的：当控制信号a1、b0(即a为高电平、b为低电平)时，左边的V1管因0而处于关断状态，于是V5管导通，V5的导通将使VT1导通；b0使G14输出低电平，于是V9管关断，VT2亦关断。同时，在a1、b0的情况下，右

21、边的VT5管关断，VT6管导通。此时该电路处于如图9(a)所示状态，即电流IL由电源+VSVT1VD12电机AB相绕组VD21VT6地，电机AB相绕组上的电流方向为AB。当控制信号a0、b1时，图10的电路将处于如图9(b)所示状态，即电流IL由电源+VSVT5VD20电机AB相绕组VD13VT2地，电机AB相绕组上的电流方向为BA。而当a0、b0时，VT1、VT2、VT5、VT6均处于关断状态，此时绕组驱动电路中没有电流通路存在，电机AB相绕组没有电流流过。a1、b1的情况是不允许存在的，否则将因VT1和VT2、VT5和VT6同时导通从而使电源直接连到地造成功率管的损坏。由上可以看出，使绕组

22、电流按预定方向流动的关键是正确提供功率MOSFET管的驱动控制信号。对于采用上述驱动电路的两相步进电机，即在基本步单向激励方式下，其AB相和CD相绕组的电流方向和控制信号a和b、c和d的关系如表1所示。表1 电流方向和控制信号的关系电流方向ab电流方向cdAB10CD10BA01DC01无电流00无电流00同样可以分析出，当两相步进电机在基本步两相激励方式工作时，其相电流方向与四个控制信号a、b、c、d的时序关系如表5.6所示。表1基本步两相激励方式下的相电流方向和控制信号关系相电流方向abcdAB，CD1010BA，CD0110BA，DC0101AB，DC10014、由AT89C51组成的步

23、进控制信号产生电路通过对AT89C51的编程，可以产生三种时序控制信号，对应于步进电机的三种激励方式。如图11所示，由AT89C51的P1.0、P1.2、P1.4、P1.6提供上述的a、b、c、d控制信号，而由AT89C51的P1.1、P1.3、P1.5、P1.7提供与a、b、c、d相反的、控制信号。图11 AT89C51引脚分配图管脚功能说明如下：脚a、b、：步进电机AB相绕组的控制信号。脚c、d、：步进电机CD相绕组的控制信号。脚：正/反转控制信号输入，该信号来自外部发出的方向控制命令。当为高电平时，电机顺时针旋转；当为低电平时，电机逆时针旋转。注意，电机的顺、逆时针旋转与相绕组的接线有关

24、系，这里只是一个相对的定义。脚：基本步/半步控制信号输入端。当为高电平时，AT89C51输出如图12(a)所示的半步工作方式控制信号(对应步进电机单两相激励方式)。当将设为低电平，若此时CONTROL引脚为高电平，则AT89C51将输出如图12(b)所示的基本步工作方式时序控制信号 (对应步进电机两相激励方式)；而若此时的CONTROL引脚为低电平，则AT89C51输出如图12(c)所示的基本步工作方式时序控制信号(对应步进电机单相激励方式)。(a) 半步工作方式时序信号(单两相激励方式)(b) 基本步工作方式时序信号(两相激励方式)(c) 基本步工作方式时序信号(单相激励方式)图12 AT8

25、9C51产生的三种时序信号5、AT89C51程序编写方法先编写一个时间可以调整的延时子程序，其延时值为步进电机每步进一步所需的时间，并调试通过。在主程序编写过程中，先判断、CONTROL引脚的状态，即处于何种电平。然后由a、b、c、d和、引脚周期性输出与这三种电平逻辑对应的控制信号，即如图12所示的时序信号，每次输出的时间由调用一次上述延时子程序实现。需注意的是，在电机锁住不转动的过程中，要保证a、b、c、d和、的输出为关闭后续电路的开关管，否则要烧坏管子。6、完整的步进电机控制驱动器电路完整的对两相激励式步进电机进行控制的驱动器电路如图13所示。电路所用元器件型号名称及参数标在电路图中。图13步进电机控制驱动15