驱动步进电机.docx

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驱动步进电机

步进电机操纵

步进电机需要提供具有必然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鼓励信号通过脉冲分派产生。

脉冲分派能够通过硬件模拟分派电路实现，也能够利用软件方便地实现。

一个完整的驱动电路不仅需要鼓励信号，还需有足够的功率。

在一样的电路驱动中，需将由CPU产生的脉冲信号通过功率放大后，再接到步进电机输入端。

随着大规模集成电路技术的进展，慢慢显现了很多专门用于步进电机操纵的脉冲分派芯片，它们配合功率放大的驱动电路能够实现步进电机的驱动。

12.3.1一样步进电机驱动电路

在专门的步进电机驱动集成芯片显现以前，一样都是采纳电路来驱动步进电机工作。

在电路设计中，必需要考虑的是驱动信号的分派和放大。

在信号分派方面，采纳的均是单片机统一分派的形式；在信号放大方面，那么是由各类放大电路来完成的。

下面介绍一种利用硬件电路连接而成的脉冲分派驱动电路。

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～。

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发出的操纵信号经U1放大，传到复合三极管前一级的基极。

假设CPU送出的数据为0，那么前级三极管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；假设CPU送出的数据为1，那么前级三极管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别离代表电机内部的4个线圈，在驱动线中的R5～R8作为限流电阻来限制线圈中的电流值。

在电阻和线圈双侧有并联的单向二极管，当CPU信号由1跳变成0时，三极管截止，电机的线圈会产生专门大的感应电动势，这时线圈、限流电阻和单向二极管形成回路，爱惜三极管不被线圈的瞬时感应电动势烧坏。

二极管D1～D4也称回流二极管，在选择时要考虑到电源电压及线圈电流。

R1～R4和D1～D4组成一条支路，在对应的线圈突然不通电时能够和线圈组成一组循环回路。

该电阻的作用是分担支路中的电压，爱惜二极管。

在每一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。

R9～R12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：

电机反转操纵参考程序如下：

该程序实现的是在工作时四相线圈中的每一相别离通电，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进展，愈来愈多的厂家生产出专门用于驱动步进电机的脉冲分派芯片，配合用于功率放大的驱动电路就能够够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。

1．UCN5804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：

操纵电机脉冲输出方式，假设9脚为低电平，那么脉冲每次输出两相脉冲信号

图12-6UCN5804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；假设9脚为高电平，那么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。

2．UCN5804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12-1UCN5804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，假设9脚和10脚均为低电平，那么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）；假设9脚为高电平，10脚为低电平，那么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派如图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、方向操纵、片选别离接到P1口的、、。

依照电机运转的实际需要，由主CPU送不同的操纵字。

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，同时电阻能够经受因其阻值过小而产生的大功率。

V1～V4为4个二极管，别离与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：

电机反转操纵程序如下：

该程序可实现两相脉冲驱动的四相四拍电机运转方式。

能够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派芯片，由于其结构简单，价钱低廉，而且无需外接功率放大电路，因此也经常使用来作为步进电机的驱动芯片。

1．ULN2003芯片引脚介绍

ULN2003芯片引脚如图12-9所示。

图12-9ULN2003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12-10ULN2003芯片内部结构

2．ULN2003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12-11ULN2003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.的基极电阻，也能够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，能够直接处置原先需要标准逻辑缓冲器来处置的数据。

ULN2003芯片工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，而且能够在关态（有低电平输入时，输出为高电平）时经受50V的电压，输出还能够在高负载电流并行运行。

信号脉冲通过P1口送出，可经.上拉电阻接到ULN2003芯片的输入端口。

～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：

电机反转操纵程序为：

该程序实现的也是别离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脉冲来操纵电机的工作方式。

12.3.4步进电机应用实例

在步进电机的实际应用中，老是通过CPU接收处置一些信号来操纵电机的运动状态。

常见的如光线、温湿度、水位等。

那个地址以光作为CPU操纵步进电机的信号为例。

采纳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，当光线碰着障碍物时反射回来，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剂，能够使光电开关在必然的距离上判定出不同的颜色。

如光线照射在白色物体上时，由于白色物