四相步进电机原理图及其驱动器的软、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 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：

a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍

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。

该系统采用应变片式传感器进行测量，得出模拟信号；再进行放大和模数转换，然后送入单片机进行处理&根据需要实现显示、打印等功能，或者对数据进行必要的处理后送交上位机，由上位机对数据进行再处理，满足了生成报表、存储、称重管理、误差分析等功能。

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,#0FFH
　　MOV TH1,#0FFH
　　SETB ET1
　　SETB EA
　　SETB TR1
　　SJMP $
　　;***********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,LOOP0
　　JB 01H,LOOP1
　　JB 02H,LOOP2
　　JB 03H,LOOP3
　　JB 04H,LOOP4
　　JB 05H,LOOP5
　　JB 06H,LOOP6
　　JB 07H,LOOP7
　　LOOP0: MOV P1,#0D0H
　　MOV 20H,#02H
　　MOV 21H,#40H
　　AJMP QUIT
　　LOOP1: MOV P1,#090H
　　MOV 20H,#04H
　　MOV 21H,#20H
　　AJMP QUIT
　　LOOP2: MOV P1,#0B0H
　　MOV 20H,#08H
　　MOV 21H,#10H
　　AJMP QUIT
　　LOOP3: MOV P1,#030H
　　MOV 20H,#10H
　　MOV 21H,#08H
　　AJMP QUIT
　　LOOP4: MOV P1,#070H
　　MOV 20H,#20H
　　MOV 21H,#04H
　　AJMP QUIT
　　LOOP5: MOV P1,#060H
　　MOV 20H,#40H
　　MOV 21H,#02H
　　AJMP QUIT
　　LOOP6: MOV P1,#0E0H
　　MOV 20H,#80H
　　MOV 21H,#01H
　　AJMP QUIT
　　LOOP7: MOV P1,#0C0H
　　MOV ; 20H,#01H
　　MOV 21H,#80H
　　AJMP QUIT
　　;***************电机反转*****************
　　FAN: JB 08H,LOOQ0
　　JB 09H,LOOQ1
　　JB 0AH,LOOQ2
　　JB 0BH,LOOQ3
　　JB 0CH,LOOQ4
　　JB 0DH,LOOQ5
　　JB 0EH,LOOQ6
　　JB 0FH,LOOQ7
　　LOOQ0: MOV P1,#0A0H
　　MOV 21H,#02H
　　MOV 20H,#40H
　　AJMP QUIT
　　LOOQ1: MOV P1,#0E0H
　　MOV 21H,#04H
　　MOV 20H,#20H
　　AJMP QUIT
　　LOOQ2: MOV P1,#0C0H
　　MOV 21H,#08H
　　MOV 20H,#10H
　　AJMP QUIT
　　LOOQ3: MOV P1,#0D0H
　　MOV 21H,#10H
　　MOV 20H,#08H
　　AJMP QUIT
　　LOOQ4: MOV P1,#050H
　　MOV 21H,#20H
　　MOV 20H,#04H
　　AJMP QUIT
　　LOOQ5: MOV P1,#070H
　　MOV 21H,#40H
　　MOV 20H,#02H
　　AJMP QUIT
　　LOOQ6: MOV P1,#030H
　　MOV 21H,#80H
　　MOV 20H,#01H
　　AJMP QUIT
　　LOOQ7: MOV P1,#0B0H
　　MOV 21H,#01H
　　MOV 20H,#80H
　　QUIT: RETI
　　END

4、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。