基于AT89C2051的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)電路及軟件設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。它可以把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)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(shè)備上拆下的步進(jìn)電機(jī)（這種電機(jī)一般沒有損壞）要改作它用，一般需自己設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器。本文介紹的就是為從一日本產(chǎn)舊式打印機(jī)上拆下的步進(jìn)電機(jī)而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器。
本文先介紹該步進(jìn)電機(jī)的工作原理，然后介紹了其驅(qū)動(dòng)器的軟、硬件設(shè)計(jì)。

1. 步進(jìn)電機(jī)的工作原理
該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖

圖1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖
開始時(shí)，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。
當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時(shí)，由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
四相步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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：

a. 單四拍 b. 雙四拍 c八拍
圖2.步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖

2.基于AT89C2051的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)電路原理
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)電路原理如圖3：

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)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放大后控制光電開關(guān)，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號(hào)進(jìn)行電壓和電流放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組。使步進(jìn)電機(jī)隨著不同的脈沖信號(hào)分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動(dòng)作。圖中L1為步進(jìn)電機(jī)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(jī)脈沖信號(hào)周期的影響。
圖3中的RL1~RL4為繞組內(nèi)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(shù)的元件。D1~D4為續(xù)流二極管，使電機(jī)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢通過續(xù)流二極管（D1~D4）而衰減掉，從而保護(hù)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(jī)繞組的電流脈沖前沿，提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200Ω電阻可減小回路的放電時(shí)間常數(shù)，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。

3.軟件設(shè)計(jì)
該驅(qū)動(dòng)器根據(jù)撥碼開關(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(zhuǎn)脈沖輸入端。上位機(jī)（PC機(jī)或單片機(jī)）與驅(qū)動(dòng)器僅以2條線相連。
方式2為串行通訊方式：上位機(jī)（PC機(jī)或單片機(jī)）將控制命令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制命令自行完成有關(guān)控制過程。
方式3為撥碼開關(guān)控制方式：通過K1~K5的不同組合，直接控制步進(jìn)電機(jī)。
當(dāng)上電或按下復(fù)位鍵KR后，AT89C2051先檢測撥碼開關(guān)KX、KY的狀態(tài)，根據(jù)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(jī)在換向時(shí)的處理。為使步進(jìn)電機(jī)在換向時(shí)能平滑過渡，不至于產(chǎn)生錯(cuò)步，應(yīng)在每一步中設(shè)置標(biāo)志位。其中20H單元的各位為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)標(biāo)志位；21H單元各位為反轉(zhuǎn)標(biāo)志位。在正轉(zhuǎn)時(shí)，不僅給正轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值，也同時(shí)給反轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值；在反轉(zhuǎn)時(shí)也如此。這樣，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)，就可以上一次的位置作為起點(diǎn)反向運(yùn)動(dòng)，避免了電機(jī)換向時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)步。

圖4 方式1程序框圖
方式1源程序：
MOV 20H,#00H ;20H單元置初值，電機(jī)正轉(zhuǎn)位置指針
MOV 21H,#00H ;21H單元置初值，電機(jī)反轉(zhuǎn)位置指針
MOV P1,#0C0H ;P1口置初值，防止電機(jī)上電短路
MOV TMOD,#60H ;T1計(jì)數(shù)器置初值,開中斷
MOV TL1,#0FFH
MOV TH1,#0FFH
SETB ET1
SETB EA
SETB TR1
SJMP $
;***********計(jì)數(shù)器1中斷程序************

IT1P: JB P3.7,FAN ;電機(jī)正、反轉(zhuǎn)指針
;*************電機(jī)正轉(zhuǎn)*****************
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
;***************電機(jī)反轉(zhuǎn)*****************
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.結(jié)論
該驅(qū)動(dòng)器經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能驅(qū)動(dòng)0.5N.m的步進(jìn)電機(jī)。將驅(qū)動(dòng)部分的電阻、電容及續(xù)流二極管的有關(guān)參數(shù)加以調(diào)整，可驅(qū)動(dòng)1.2N.m的步進(jìn)電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器電路簡單可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，對于I/O口線與單片機(jī)資源緊張的系統(tǒng)來說特別適用。