基于AT89C51單片機的步進電動機控制器硬件設計

劉勇 張宇亭 王碩

摘 要：文章闡述一種基于51單片機的步進電動機控制器設計，同時著重研究其細分驅動技術并建立了細分驅動參考電流波形的產生的函數表達式。設計過程中采用電流追蹤型PWM法細分驅動技術。通過細分模型分析和建立設計了一種兩相混合式步進電動機驅動器。并以驅動器的硬件原理圖為基礎，分別闡述了每個模塊的工作原理。

關鍵詞：步進電動機；細分驅動；單片機

1 步進電機及其發展

步進電機又稱脈沖電機或者階躍電動機，國外一般稱之為step motor或者stepping motor、pulse motor等等。其應用發展已有約80年的歷史。步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內通過改變脈沖頻率來實現調速、快速起停、正反轉控制等，這是步進電動機最突出的優點[1]。

步進電機也在軍用儀器，通信和雷達設備，攝影系統，光電組合裝置，閥門控制，數控機床，電子鐘，醫療設備及自動繪圖儀，數字控制系統，工控機控制，程序控制系統以及許多航天工業的系統中得到應用[2]。因而，對于步進電機控制的研究也就顯得尤為重要了。

2 兩相混合式步進電機工作原理

2.1 基本結構及工作原理

混合式步進電機其典型結構主要由定子和轉子組成。當定子的兩相繞組按A-B-（-A）-（-B）的順序通電時，磁通Φ1經永磁體→第一段轉子鐵心→氣隙→定子鐵心→氣隙→第二段轉子鐵心→永磁體形成閉合回路，使電機轉動。

2.2 通電方式

本設計使用細分通電方式，而兩相混合式步進電機共有4種供電方式：單四拍、雙四拍、單雙八拍及細分通電方式。

2.3 步進電機的運行特性

2.3.1 矩角特性

2.3.2 矩頻特性

矩頻特性最重要的特點是電機產生的力矩隨電機速度的升高而逐漸下降，其決定了步進電機不適宜高速運動。

3 細分驅動系統硬件設計

3.1 單片機控制單元

3.1.1 AT89C51單片機

本設計選擇了AT89C51。

3.1.2 復位電路

當RESET出現2個機器周期以上的高電平，執行復位。復位電路如圖4。

3.1.3 晶振電路

單片機芯片內部的高增益反相放大器與片外晶體振蕩器CRYS和微調電容Cl、C2，形成反饋電路，構成一個穩定的自激振蕩器。其中CRYS為12M晶體，C1、C2取30PF。

3.2 D/A轉換電路

DA/轉換電路主要由兩片DAC0832及兩片OP07運放組成，接線方式和引腳排列見圖5，RP52為用來調節輸出電壓的大小。RP53也是用來調節OP07的零點。

3.3 SPWM產生電路

如圖2，Tl494采用單端射極輸出方式，5、6腳產生的鋸齒波控制PWM的動作快慢和電流閉環反饋系統零極點進行補償，其取值與電機內部參數有關，太大會使PWM動作太快出現電流異常尖峰，而太小會失去了微步切換的跟隨程度。

3.4 信號邏輯綜合電路

邏輯綜合分配電路由一片GALI6V8邏輯門陣列和一片ULN28O3邏輯反相功率驅動芯片完成。邏輯綜合分配電路的輸入信號為雙路PWM信號SPWM-A，SPWM-B，A、B兩相功率管控制信號AC、BC并導通控制方向信號DIR-A、DIR-B。這些信號經過一定的工作，使電機運轉。

3.5 功率驅動與H橋電路

開關管選用MOSEFT（IRF54O），用晶體管IRF54O作功率器件并組成H橋電路。

3.6 電源電路及過流保護電路

3.6.1 電源電路

電源電路采用三端集成模塊LM7812C×2、LM7815C、LM7805C芯片為系統的芯片供電，由變壓器出來的直流電壓經過濾波電機繞組供電。

3.6.2 過流保護電路

當精密電阻從驅動橋上采集反饋回來的相電壓的值一個或者兩個超過被比較電壓時，LM393輸出低電平經過與門電路，產生關斷信號SD，電機停止工作。

4 總結

研究成果及其不足：（1）實現了電流追蹤型SPWM細分驅動技術，推導出了細分電流參考波形產生的方程，設計出了步進電機的驅動原理圖。（2）使用的51單片機有一定運算速度和處理能力限制。DAC的精度不高。

參考文獻

[1]程樹康.步進電動機及其驅動控制系統[M].哈爾濱工業大學出版社，1997.

[2]彭樹生，周旋.基于PIC16F876的步進電機細分驅動電路設計[J].計算機測量與控制，2004，12（1）：79-82.

（作者單位：江蘇省徐州市中國礦業大學徐海學院）