基于AT89C51单片机的步进电动机控制器硬件设计

刘勇 张宇亭 王硕

摘 要：文章阐述一种基于51单片机的步进电动机控制器设计，同时着重研究其细分驱动技术并建立了细分驱动参考电流波形的产生的函数表达式。设计过程中采用电流追踪型PWM法细分驱动技术。通过细分模型分析和建立设计了一种两相混合式步进电动机驱动器。并以驱动器的硬件原理图为基础，分别阐述了每个模块的工作原理。

关键词：步进电动机；细分驱动；单片机

1 步进电机及其发展

步进电机又称脉冲电机或者阶跃电动机，国外一般称之为step motor或者stepping motor、pulse motor等等。其应用发展已有约80年的历史。步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。

步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工控机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用[2]。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。

2 兩相混合式步进电机工作原理

2.1 基本结构及工作原理

混合式步进电机其典型结构主要由定子和转子组成。当定子的两相绕组按A-B-（-A）-（-B）的顺序通电时，磁通Φ1经永磁体→第一段转子铁心→气隙→定子铁心→气隙→第二段转子铁心→永磁体形成闭合回路，使电机转动。

2.2 通电方式

本设计使用细分通电方式，而两相混合式步进电机共有4种供电方式：单四拍、双四拍、单双八拍及细分通电方式。

2.3 步进电机的运行特性

2.3.1 矩角特性

2.3.2 矩频特性

矩频特性最重要的特点是电机产生的力矩随电机速度的升高而逐渐下降，其决定了步进电机不适宜高速运动。

3 细分驱动系统硬件设计

3.1 单片机控制单元

3.1.1 AT89C51单片机

本设计选择了AT89C51。

3.1.2 复位电路

当RESET出现2个机器周期以上的高电平，执行复位。复位电路如图4。

3.1.3 晶振电路

单片机芯片内部的高增益反相放大器与片外晶体振荡器CRYS和微调电容Cl、C2，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。其中CRYS为12M晶体，C1、C2取30PF。

3.2 D/A转换电路

DA/转换电路主要由两片DAC0832及两片OP07运放组成，接线方式和引脚排列见图5，RP52为用来调节输出电压的大小。RP53也是用来调节OP07的零点。

3.3 SPWM产生电路

如图2，Tl494采用单端射极输出方式，5、6脚产生的锯齿波控制PWM的动作快慢和电流闭环反馈系统零极点进行补偿，其取值与电机内部参数有关，太大会使PWM动作太快出现电流异常尖峰，而太小会失去了微步切换的跟随程度。

3.4 信号逻辑综合电路

逻辑综合分配电路由一片GALI6V8逻辑门阵列和一片ULN28O3逻辑反相功率驱动芯片完成。逻辑综合分配电路的输入信号为双路PWM信号SPWM-A，SPWM-B，A、B两相功率管控制信号AC、BC并导通控制方向信号DIR-A、DIR-B。这些信号经过一定的工作，使电机运转。

3.5 功率驱动与H桥电路

开关管选用MOSEFT（IRF54O），用晶体管IRF54O作功率器件并组成H桥电路。

3.6 电源电路及过流保护电路

3.6.1 电源电路

电源电路采用三端集成模块LM7812C×2、LM7815C、LM7805C芯片为系统的芯片供电，由变压器出来的直流电压经过滤波电机绕组供电。

3.6.2 过流保护电路

当精密电阻从驱动桥上采集反馈回来的相电压的值一个或者两个超过被比较电压时，LM393输出低电平经过与门电路，产生关断信号SD，电机停止工作。

4 总结

研究成果及其不足：（1）实现了电流追踪型SPWM细分驱动技术，推导出了细分电流参考波形产生的方程，设计出了步进电机的驱动原理图。（2）使用的51单片机有一定运算速度和处理能力限制。DAC的精度不高。

参考文献

[1]程树康.步进电动机及其驱动控制系统[M].哈尔滨工业大学出版社，1997.

[2]彭树生，周旋.基于PIC16F876的步进电机细分驱动电路设计[J].计算机测量与控制，2004，12（1）：79-82.

（作者单位：江苏省徐州市中国矿业大学徐海学院）