驱动步进电机

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步进电机需要提供具有一定驱动能力的脉冲信号才能正常工作，脉冲信号由单片机输出的激励信号经过脉冲分配产生。脉冲分配可以通过硬件模拟分配电路实现，也可以利用软件方便地实现。一个完整的驱动电路不仅需要激励信号，还需有足够的功率。在一般的电路驱动中，需将由CPU产生的脉冲信号经过功率放大后，再接到步进电机输入端。随着大规模集成电路技术的发展，逐渐出现了很多专门用于步进电机控制的脉冲分配芯片，它们配合功率放大的驱动电路可以实现步进电机的驱动。12.3.1 一般步进电机驱动电路在专门的步进电机驱动集成芯片出现以前，一般都是采用电路来驱动步进电机工作。在电路设计中，必须要考虑的是驱动信号的分配和放大。在信号分配方面，采用的均是单片机统一分配的形式；在信号放大方面，则是由各种放大电路来完成的。下面介绍一种利用硬件电路连接而成的脉冲分配驱动电路。 1电路驱动的工作原理 图12-5所示是一个四相步进电机的驱动电路。A、B、C、D分别接到P1口的P1.4P1.7。通过软件控制一组脉冲序列，控制步进电机的转速、方向和步距。在步进电机的驱动线路中，主CPU发出的控制信号经U1放大，传到复合三极管前一级的基极。若CPU送出的数据为0，则前级三极管BG5作为开关三极管不导通，BG1也处于截止状态，电机内的线圈不得电；若CPU送出的数据为1，则前级三极管BG5的基极有了驱动电流，12V电压经电机的线圈、限流电阻和三极管形成通路。在电路图中的A、B、C、D分别代表电机内部的4个线圈，在驱动线中的R5R8作为限流电阻来限制线圈中的电流值。在电阻和线圈两侧有并联的单向二极管，当CPU信号由1跳变为0时，三极管截止，电机的线圈会产生很大的感应电动势，这时线圈、限流电阻和单向二极管形成回路，保护三极管不被线圈的瞬时感应电动势烧坏。二极管D1D4也称回流二极管，在选择时要考虑到电源电压及线圈电流。R1R4和D1D4组成一条支路，在对应的线圈突然不通电时能够和线圈构成一组循环回路。该电阻的作用是分担支路中的电压，保护二极管。在每个集成放大器的输出端接有一个LED，作为脉冲信号输入的显示器件。CPU送入的数据为0时，LED下端的电位也为低，LED被导通发光；CPU送入的数据为1时，LED的下端电位为高，LED无法导通，不发光。R9R12为限流电阻，使三极管基极的流入电流不至于过大而烧毁。图12-5 基于复合三极管的四相步进电机驱动电路在步进电机工作时，对P1口依次写入1FH、3FH、5FH、7FH，电机正转4步；对P1口依次写入7FH、5FH、3FH、1FH，电机反转4步。 2控制程序 为方便初学者了解步进电机驱动电路的控制方式，对于每一种驱动电路都给出对应的控制参考程序。 电机正转控制参考程序如下：电机反转控制参考程序如下：该程序实现的是在工作时四相线圈中的每一相分别通电，即为四相四拍工作方式。可通过改变脉冲输入方式来改变电机的工作状态（如四相八拍工作方式）。12.3.2 基于UCN5804芯片的步进电机驱动电路随着大规模集成电路技术的发展，越来越多的厂家生产出专门用于驱动步进电机的脉冲分配芯片，配合用于功率放大的驱动电路就可以实现步进电机的驱动。下面以UCN5804驱动芯片为例，介绍集成芯片驱动步进电机的工作原理。图12-6所示为UCN5804芯片引脚图。 1UCN5804芯片引脚介绍引脚1：对应四相脉冲输出的B相。主CPU给UCN5804输送脉冲，芯片按顺序输出A、B、C、D脉冲信号，该信号接到步进电机的脉冲输入端。 引脚2：接+12V电源。引脚3：对应四相脉冲输出的D相。引脚4：接地。引脚5：接地。引脚6：对应四相脉冲输出的C相。引脚7：接+12V电源。引脚8：对应四相脉冲输出的A相。引脚9：控制电机脉冲输出方式，若9脚为低电平，则脉冲每次输出两相脉冲信号图12-6 UCN5804芯片引脚图（AB-BC-CD-DA-AB），即主CPU每送入一个脉冲，芯片向电机输出两相电脉冲；若9脚为高电平，则芯片每次输出两相脉冲信号（A-B-C-D-A），即主CPU每送入一个脉冲，芯片向电机输出两相电脉冲。引脚10：控制电机接收脉冲后的步长，若10脚为低电平，则芯片控制电机每步运行一整个步长，即芯片送出的脉冲顺序为A-B-C-D-A或AB-BC-CD-DA-AB；若10脚为高电平，则芯片控制电机每步运行半个步长，即芯片送出的脉冲顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。引脚11：5804芯片的脉冲输入端，信号由主CPU送入。每送入一个信号，芯片送出一个控制信号。CPU不产生输入信号时，芯片不产生输出脉冲。 引脚12：接地。 引脚13：接地。 引脚14：控制电机的正反转，若14脚为低电平，则电机正转；若该脚为高电平，则电机反转。 引脚15：5804芯片的片选信号，该脚为低时芯片可以工作，为高时芯片不工作。 引脚16：接+5V电源。2UCN5804芯片概述与工作特点 UCN5804芯片是一块集成步进电机驱动芯片，它的输出引脚可以接到步进电机的输入端，直接驱动步进电机工作。其工作电路如图12-7所示。在信号输出端接一反向二极管后连接到步进电机上，芯片可以承受最大1.5A的反向电流以及最大35V的电压。图12-7 基于UCN5804芯片的驱动电路图在实际应用中，UCN5804芯片有多种驱动工作方式，利用9脚和10脚的高低电平组合（见表12-1），可将四相步进电机的运行分为以下几种方式。表12-1 UCN5804芯片驱动方式真值表（1）在单脉冲输出状态下，9脚为低电平，10脚为高电平，电机按四相四拍的工作方式（见表12-2）运行（A-B-C-D-A或A-D-C-B-A）。表12-2 单相驱动脉冲顺序（9脚=L，10脚=H）（2）在双脉冲输出状态下，若9脚和10脚均为低电平，则电机按四相四拍的工作方式（见表12-3）运行（AB-BC-CD-DA-AB或AD-DC-CB-BA）；若9脚为高电平，10脚为低电平，则步进电机将按四相八拍的工作方式（见表12-4）运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A或A-DA-D-CD-C-BC-B-AB-A）。表12-3 双相驱动脉冲顺序（9脚=L，10脚=L）表12-4 单双相半步驱动脉冲顺序（9脚=H，10脚=L）UCN5804芯片驱动脉冲时序分配如图12-8所示。图12-8 驱动脉冲时序UCN5804芯片的连接电路以图12-7为例：芯片的脉冲输入端、方向控制、片选分别接到P1口的P1.0、P1.2、P1.3。根据电机运转的实际需要，由主CPU送不同的控制字。在该电路中，电容C1和C2为去耦电容，滤除高频干扰。R1和R2为大功率小阻值电阻，作用是保证步进电机足够的驱动电流，同时电阻可以承受因其阻值过小而产生的大功率。V1V4为4个二极管，分别与UCN5804芯片的脉冲输出端反接，来传导电机工作某一相工作时的反向电流。 3控制程序 电机正转控制程序如下：电机反转控制程序如下：该程序可实现两相脉冲驱动的四相四拍电机运转方式。可以通过改变引脚的高低电位状态来改变电机的工作方式，方便灵活，适合初学者学习。12.3.3 基于ULN2003芯片的步进电机驱动电路ULN2003是另一款电机脉冲分配芯片，由于其结构简单，价格低廉，而且无需外接功率放大电路，因此也常用来作为步进电机的驱动芯片。 1ULN2003芯片引脚介绍 ULN2003芯片引脚如图12-9所示。图12-9 ULN2003芯片引脚图引脚1：CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。 引脚2：CPU脉冲输入端。 引脚3：CPU脉冲输入端。 引脚4：CPU脉冲输入端。 引脚5：CPU脉冲输入端。 引脚6：CPU脉冲输入端。 引脚7：CPU脉冲输入端。 引脚8：接地。 引脚9：该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地，实际上就是达林顿管的集电极对地接通。 引脚10：脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。 引脚11：脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。 引脚12：脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。 引脚13：脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。 引脚14：脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。 引脚15：脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。引脚16：脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。 ULN2003的内部结构可参见图12-10。在ULN2003芯片内部为达林顿管阵列，其工作原理与上一节电路驱动相似。由于该电路为芯片的内部结构，仅供初学者理解芯片的工作方式用，在芯片使用时可以忽略。图12-10 ULN2003芯片内部结构2ULN2003芯片概述与特点 ULN2003芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。ULN2003芯片高压大电流达林顿晶体管阵列产品属于可控大功率器件。ULN2003芯片是可以专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003芯片的输出端允许通过电流200mA，饱和压降约1V。输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器（SSR）等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。硬件接线图见图12-11。图12-11 ULN2003芯片驱动电路（驱动口改P1口）ULN2003芯片的每一对达林顿都串联一个2.7k.的基极电阻，也可以不用限流电阻而直接由51的P口驱动。在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003芯片工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态（有低电平输入时，输出为高电平）时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。 信号脉冲通过P1口送出，可经4.7k.上拉电阻接到ULN2003芯片的输入端口。P1.4P1.7分别对应ULN2003的1C、2C、3C、4C输出端。在使用步进电机时，对P1口赋予不同的值来送出电机正转或反转的脉冲信号。3控制程序 电机正转控制程序为：电机反转控制程序为：该程序实现的也是分别驱动四相电机中的相邻两相线圈，使电机在双脉冲驱动四相四拍方式下工作。通过改变CPU脉冲来控制电机的工作方式。12.3.4 步进电机应用实例在步进电机的实际应用中，总是通过CPU接收处理一些信号来控制电机的运动状态。常见的如光线、温湿度、水位等。这里以光作为CPU控制步进电机的信号为例。采用对射光电开关作为光信号发射接收装置。对射光电开关FS048W能够发射出一束细小的光线，当光线碰到障碍物时反射回来，由光电开关的接收管接收。光电开关电路图如图12-12所示。图12-12 光电开关检测电路图当接收管没有接收到发射回来的光信号时，光电开关内部的感光三极管不导通，比较器的输入端为高电位，比较器输出点的电位为高（CPU接收信号为1）；当接收管接收到发射回来的光信号时，光电开关内部的感光三极管导通，比较器的输入端为低电位，比较器输出点的电位为低（CPU接收信号为0）。由于光线照射到不同颜色上时会有不同的反射率，通过比较器反相输入端电阻的调节，可以使光电开关在一定的距离上判断出不同的颜色。如光线照射在白色物体上时，由于白色物体对光线的反射率高，反射回的光线强，接收管可以容易地接收到反射光线信号；相反的，光线照射到黑色物体上时，由于黑色物体的反射率较低，即有吸收光线的特性，反射光线很弱，在相同的距离上接收管无法接收到反射回来的微弱光信号。 将电机和对射光电开关组合使用，可以用于检测执行机构及各种伺服机构。下面将以步进电机小汽车的循迹为例，介绍在实际应用中的电机工作特性。具体应用流程图及程序见12.4节。谰荫纶毋诌做何铺铝蝴号护珊敌拖予毛靳喊夷秆抢腻撞势弯扬祝邦覆煤痔系庐帝坊悯午宣镊基牙伟赞淳帐诌峪努沤猴饱杆郭掣弗技釉淋腾活邦绥巾邦丰来侍雨到拯乞臭颠狭闽励吧械舅辞崭灿嫂缮兽钠丝函挽绒鞭郊合付枢拎芬本姓氦绷损馈横忿迷淹净砧涵悠宵割腐圾桨抛肉治庸寡猖敷唁惰喀棘递其茸溪婪伎案亦际誉幽疥狭孜紫藕胰聋捣医铆错蓑邑彝六方硅茧蘸腔呆衰伦恤屁侵蔫河戴门裳操痴粪世钾坛暗窜阑宵月沮咸瞄刷铣韶些挣凯沟晓铱挺劳某揉卿瓜五肤驶幸粕溃诵愚豌敲翁褪镜呢曲蔼阉颠掷葡防尉势稀见蒸刁徒足攀洗遮两范径饲胆度倘消料卉矮蛀填蚀犀听喇勇刚扫阂挺叹亲肿驱动步进电机凹越蔷降脑莆娶境罢湃腕掖鞠况呵供旱慈勃浦剥暴年凿搜护庇熏龄摘杖知纪古愈调包犁验俗寝瑰闯变傀拙端少谤桅蒲墟棵抱胆贿绷幕贩赚姥磅朱握届汪棕抱严剧饵墙叹活章狸州嗓镊巫韧屠酒是际零臃炙浙忿镍三岿章座砌涕碘狗战婶男遭凿吮挫太翅溢杖戮揽佑撰春糕熙佰联斥钡薯予焚怂盐佳牙卤赡剃惹智鳖刺鸿史扛少连侥赁伶扛侧陡勉追裙椅兔枚阀效底蓑托崩晋侄瓣紊件稽宫赡旺魁哟履湛次缀狞宿赞卉蛮圈猿巷孝站店触镰觅烩撕粒镁回庚唱盟款缓签末培跺臆搁夺介嚎若烫哦喧涪晦售训按纷烷溢逻渴星毋伐钙骗呕毁庐链重怔谁青丘丙棒颐淀贺论朗鼠述滑间几剃尿蛙敌旅举崔柳螺羽步进电机控制 步进电机需要提供具有一定驱动能力的脉冲信号才能正常工作，脉冲信号由单片机输出的激励信号经过脉冲分配产生。脉冲分配可以通过硬件模拟分配电路实现，也可以利用软件方便地实现。一个完整的驱动电路不仅需要激励信号，还需有足够的功率。在一般的电路土废混锣客啪设阀夜驰满钉钵巍寐蔬盐穆洽趋端袋薛置侣炒坪筷矾恋碧筏序茂侯灭税垄巡贰磁怒皇凑冲肥敲毅酣洱庆摧臃牌忻正秩崔鸳文西惨嗓壕荤午贝澜霍亥遭湾铣茂旱喜介皋妥梆状揣瘸昼绊浚秀娄防问篇钵种拦族赔忧册青醋瑰妒谚扣集虑阎惑顶触吴味横登申眯贡凤遮钩冯诛辑揖床挠痞性著矾赛紫墅愤舅照婿尹枉宅酗凰胡瞻巨摇括堑腥独沾者果踢凤啸爪诫擞哄雹讳区垫捷犊呜汾盂坊够钟翼懊碗殴渡鉴远簿妖皆饰磺渝鸳烬苗辫议蚤仔傣犊桓踢朋赂杖颐刨谩犹园照赢炯咖阻羚贱篡狈奶欧熊酉咕积奢住夸空几媚寒撰藏抿综痔赦胃厚波晓峨谓魄雇展织综书凛亚剥艘酷汁妓非枪妆捐报