一種微型步進電機的驅(qū)動設計

1、一種微型步進電機的驅(qū)動設計李志新張曉健本文介紹了一種微型步進電機的工作、驅(qū)動原理和硬件、程序設計， 可用于各種小型機電設備如微型云臺、玩具等的應用。步進電機是一種控制用的特種電機， 具有精度高、 可開環(huán)控制的特點， 可廣泛應用于各種低速、 高精度定位的智能建筑監(jiān)控、 工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中。 筆者在設計網(wǎng)絡攝像機微型云臺時用到了一種微型步進電機，現(xiàn)將該步進電機的工作原理、驅(qū)動方法說明如下。1 步進電機的應用原理步進電機可以將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運動， 當它收到一個脈沖信號后， 就會按照設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 （即步距角），通過控制脈沖個數(shù)就可以控制電機轉(zhuǎn)動的角度，通過控制脈沖頻率則可以控

2、制電機的速度和加速度，達到調(diào)速的目的。在不超載的情況下，步進電機的轉(zhuǎn)速、 停止的位置只與脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)有關， 而與負載變化無關， 是一種線性關系，因而可用于精確位置控制。步進電機具有如下特點：轉(zhuǎn)動位移與輸入脈沖數(shù)嚴格對應， 步距誤差不會累積， 可以組成結(jié)構(gòu)簡單且有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)；可以使用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，簡單、廉價；易于起動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，響應性好；停轉(zhuǎn)時有自鎖能力；可很方便地實現(xiàn)在超低速下高精度穩(wěn)定運行，通?？梢圆唤?jīng)過減速器直接驅(qū)動負載；電機速度可在相當寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)， 可以使用一臺驅(qū)動控制器同時控制幾臺步進電機完全同步運行。本設計中使用的是一種型號為HYH-

3、25BYJ-5V的微型步進電機，該電機使用DC5V 供電，可以使用單片機進行控制，十分適合于各種小型機電自動控制系統(tǒng)。該步進電機內(nèi)部有4 相繞組，外引5 根控制線，如圖1 所示，其中導線5 接 DC5V 的“”極，導線1、2、 3、 4 按照控制時序接DC5V 的“”極。電機的驅(qū)動采用四相八拍的方式，如表1 所示。表中“”表示接電源正極，“”表示接電源負極。如果按照A 相導電、 A 相 B 相同時導電、 B 相導電，然后依次是BC 、 C、CD 、 D、 AD的順序分別導電，電機就實現(xiàn)了正轉(zhuǎn)（從電機輸出軸方向看逆時針旋轉(zhuǎn)），這就是驅(qū)動電機的8 拍（ 8 種脈沖）。若把驅(qū)動脈沖的順序反過來，按照

4、 AD 、D、CD 、C、BC、B、AB 、A的順序依次導電，電機就可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。電機端子序號電機繞組相數(shù)分配順序1234567854A3B2C1D表 1該電機的步距角為5.625°，減速比為1/64。驅(qū)動時對電機發(fā)一次脈沖就稱為一拍，即一次電平的變化，步進電機在一拍作用下內(nèi)部轉(zhuǎn)過的角度為5.625°， 8 拍后轉(zhuǎn)動 45°， 64拍后內(nèi)部轉(zhuǎn) 360°，由于減速比為1：64，所以內(nèi)部轉(zhuǎn)一圈，外部轉(zhuǎn)5.625°，也就是說，驅(qū)動發(fā)出 64 拍后，步進電機外部轉(zhuǎn)5.625°。外部驅(qū)動時，脈沖的頻率應小于1KHz ，計算下來電機的最大轉(zhuǎn)速約為每

5、分鐘14.6 轉(zhuǎn)。驅(qū)動電機的脈沖頻率越大，轉(zhuǎn)速越快，而力矩越小，反之，脈沖頻率越小，轉(zhuǎn)速越慢，輸出力矩越大。2步進電機的驅(qū)動電路設計由于該步進電機 4相繞組每相的直流電阻為20 歐姆，用 DC5V驅(qū)動時每相電流約為250mA ，若直接用單片機驅(qū)動，單片機承受不了這么大的電流，因此需要外加大電流驅(qū)動電路，可以使用如 ULN2003 、 ULN2803 之類的達林頓陣列集成電路。本設計中使用的是ULN2803 ，該芯片有 8路達林頓陣列，可同時驅(qū)動2 個步進電機。硬件設計原理圖如圖 2 所示。C3 0.1uFGN D+3. 3VR1U1U2GN D1RSTVCC202K219118C122PRX

6、DP1. 71B1C3182174TX DP1. 61732B2C16+5VCN1XT AL2P1. 53B3C516415CR1XT AL1P1. 44B4C5615P1351412M7INT 0/P3. 2P1. 314P1265B5C134INT 1/P3. 3P1. 26B6C3813P11712T0/P3.4P1. 17B7C2912P10811C2 22PT1/P3.5P1. 08B8C11011910GN DP3. 7GN DCO M+5VGN DSTC12LE2052GN DULN2803C40.1uF單片機驅(qū)動芯片步進電機接口GN D3步進電機的驅(qū)動程序設計如圖 2 所示，單

7、片機的管腳P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 分別對應步進電機的1、2、3、4 腳，若要使步進電機正轉(zhuǎn)， ULN2803需要按如下順序提供8 拍（電機 4 號線在前，為高位）：0111、0011、 1011、 1001、 1101、 1100、1110、 0110，由于 ULN2803具有反相作用，因此單片機應提供如下次序的脈沖：1000、1100、0100、0110、0010、0011、0001、1001 ，其中的 “ 1000”表示單片機的管腳 P1.3 為高電平， P1.2、P1.1、P1.0 均為低電平， 其余類推。 若要驅(qū)動反轉(zhuǎn)，按相反順序驅(qū)動即可。本程序提供了一種驅(qū)動步進電機的

8、基本方法，首先控制電機正轉(zhuǎn)約168°，延時 1 秒后，反轉(zhuǎn) 168°，之后再延時1 秒，正轉(zhuǎn)，周而復始。讀者對程序加以適當修改可適應于不同的應用，如修改脈沖頻率可以改變步進電機的轉(zhuǎn)速，修改脈沖數(shù)可以改變電機轉(zhuǎn)動的角度。程序源代碼如下：;=ORG0000HLJMPS;*ORG0050HS:CLREA;關中斷MOVSP,#60HMOVP1,#00H;*MAIN:NOP;- 下面電機正轉(zhuǎn) -MOVR0,#240;正轉(zhuǎn) 240個8拍;8 個 8 拍后電機轉(zhuǎn) 5.625 度， 240 個 8 拍轉(zhuǎn) 168.75 度MAIN10: MOVB,#8;正轉(zhuǎn) 8拍MOVDPTR,#DATA1

9、MAIN20: MOVA,#0MOVCA,A+DPTRMOVP1,ACALLDLY10MS;修改時間可以改變脈沖頻率INCDPTRDJNZB,MAIN20DJNZR0,MAIN10CALLDELAY1;- 下面電機反轉(zhuǎn) -MAIN25: MOVR0,#240;反轉(zhuǎn) 240個8拍MAIN30: MOVB,#8;反轉(zhuǎn) 8拍MOVDPTR,#DATA2MAIN40: MOVA,#0MOVCA,A+DPTRMOVP1,ACALLDLY10MSINCDPTRDJNZB,MAIN40DJNZR0,MAIN30CALLDELAY1SJMPMAINDA TA1:DB 0F8H,0FCH,0F4H,0F6H,0F2H,0F3H,0F1H,0F9HDA TA2:DB 0F9H,0F1H,0F3H,0F2H,0F6H,0F4H,0FCH,0F8H;*;*延時 10ms *DLY10MS:NOPMOV R6,#2;延時10msCDD2: MOV R5,#230; 延時0.5msCDD3: DJ