步進(jìn)電機在控制系統中具有廣泛的應用。它可以把脈沖信號轉換成角位移，并且可用作電磁制動(dòng)輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等。
有時(shí)從一些舊設備上拆下的步進(jìn)電機（這種電機一般沒(méi)有損壞）要改作它用，一般需自己設計驅動(dòng)器。
1. 步進(jìn)電機的工作原理
該步進(jìn)電機為一四相步進(jìn)電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機步進(jìn)轉動(dòng)。圖1是該四相反應式步進(jìn)電機工作原理示意圖。
圖1 四相步進(jìn)電機步進(jìn)示意圖
開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開(kāi)，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時(shí)，轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。
當開(kāi)關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開(kāi)時(shí)，由于C相繞組的磁力線(xiàn)和1、4號齒之間磁力線(xiàn)的作用，使轉子轉動(dòng)，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極
產(chǎn)生錯齒。依次類(lèi)推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉子會(huì )沿著(zhù)A、B、C、D方向轉動(dòng)。
四相步進(jìn)電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動(dòng)力矩又可以提高控制精度。
單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖2.a、b、c所示：
圖2.步進(jìn)電機工作時(shí)序波形圖
圖3 步進(jìn)電機驅動(dòng)器系統電路原理圖
AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4～P1.7輸出，經(jīng)74LS14反相后進(jìn)入9014，經(jīng)9014放大后控制光電開(kāi)關(guān)，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號進(jìn)行電壓和電流放大，驅動(dòng)步進(jìn)電機的各相繞組。使步進(jìn)電機隨著(zhù)不同的脈沖信號分別作正轉、反轉、加速、減速和停止等動(dòng)作。圖中L1為步進(jìn)電機的一相繞組。AT89C2051選用頻率22MHz的晶振，選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小AT89C2051對上位機脈沖信號周期的影響。
圖3中的RL1～RL4為繞組內阻，50Ω電阻是一外接電阻，起限流作用，也是一個(gè)改善回路時(shí)間常數的元件。D1～D4為續流二極管，使電機繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢通過(guò)續流二極管（D1～D4）而衰減掉，從而保護了功率管TIP122不受損壞。
在50Ω外接電阻上并聯(lián)一個(gè)200μF電容，可以改善注入步進(jìn)電機繞組的電流脈沖前沿，提高了步進(jìn)電機的高頻性能。與續流二極管串聯(lián)的200Ω電阻可減小回路的放電時(shí)間常數，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時(shí)間變小，也起到提高高頻工作性能的作用。
2.軟件設計
該驅動(dòng)器根據撥碼開(kāi)關(guān)KX、KY的不同組合有三種工作方式供選擇：
方式1為中斷方式：P3.5（INT1）為步進(jìn)脈沖輸入端，P3.7為正反轉脈沖輸入端。上位機（PC機或單片機）與驅動(dòng)器僅以2條線(xiàn)相連。
方式2為串行通訊方式：上位機（PC機或單片機）將控制命令發(fā)送給驅動(dòng)器，驅動(dòng)器根據控制命令自行完成有關(guān)控制過(guò)程。
方式3為撥碼開(kāi)關(guān)控制方式：通過(guò)K1～K5的不同組合，直接控制步進(jìn)電機。
當上電或按下復位鍵KR后，AT89C2051先檢測撥碼開(kāi)關(guān)KX、KY的狀態(tài)，根據KX、KY 的不同組合，進(jìn)入不同的工作方式。以下給出方式1的程序流程框圖與源程序。
在程序的編制中，要特別注意步進(jìn)電機在換向時(shí)的處理。為使步進(jìn)電機在換向時(shí)能平滑過(guò)渡，不至于產(chǎn)生錯步，應在每一步中設置標志位。其中20H單元的各位為步進(jìn)電機正轉標志位;21H單元各位為反轉標志位。在正轉時(shí)，不僅給正轉標志位賦值，也同時(shí)給反轉標志位賦值;在反轉時(shí)也如此。這樣，當步進(jìn)電機換向時(shí)，就可以上一次的位置作為起點(diǎn)反向運動(dòng)，避免了電機換向時(shí)產(chǎn)生錯步。
圖4 方式1程序框圖
3.步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路
為了對步進(jìn)電機的相電流進(jìn)行控制，從而達到細分步進(jìn)電機步距角的目的，人們曾設計了很多種步進(jìn)電機的細分驅動(dòng)電路。隨著(zhù)微型計算機的發(fā)展，特別是單片計算機的出現，為步進(jìn)電機的細分驅動(dòng)帶來(lái)了便利。目前，步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路大多數都采用單片微機控制。單片機根據要求的步距角計算出各相繞組中通過(guò)的電流值，并輸出到數模轉換器（DPA） 中，由DPA 把數字量轉換為相應的模擬電壓，經(jīng)過(guò)環(huán)形分配器加到各相的功放電路上，控制功放電路給各相繞組通以相應的電流，來(lái)實(shí)現步進(jìn)電機的細分。單片機控制的步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路根據末級功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開(kāi)關(guān)型兩種（見(jiàn)下圖5）。
圖5 步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路 |
