四相步进电机驱动电路与驱动程序设计.pdf

四相步进电机驱动电路及驱动程序设计 我们用一个单片机控制多个步进电机指挥跳舞机器人的双肩、双肘和 脚伴着音乐做出各种协调舒缓充满感情的动作，荣获一等奖。电路采用 74373 锁存，74LS244 和ULN2003 作电压和电流驱动，单片机（Atc52 ） 作脉冲序列信号发生器。程序设计基于中断服务和总线分时利用方式， 实时更新各个电机的速度、方向。整个舞蹈由运动数据所决定的一截截 动作无缝连接而成。本文主要介绍一下这个机器人的四相五线制步进电 机驱动电路及程序设计. 1、步进电机简介 步进电机根据内部线圈个数不同分为二相制、三相制、四相制等。本 文以四相制为例介绍其内部结构。图1 为四相五线制步进电机内部结构 示意图。 2、 四相五线制步进电机的驱动电路 电路主要由单片机工作外围电路、信号锁存和放大电路组成。我们利 用了单片机的I/O 端口，通过74373 锁存，由74LS244 驱动，ULN2003 对信号进行放大。8 个电机共用4bit I/O 端口作为数据总线，向电机传 送步进脉冲。每个电机分配1bit 的I/O 端口用作74373 锁存信号，锁存 步进电机四相脉冲，经ULN2003 放大到 12V 驱动电机运转。 电路原理图 （部分）如图2 所示。 （1）Intel 8051 系列单片机是一种8 位的嵌入式控制器，可寻址64K 字 节，共有32 个可编程双向I/O 口，分别称为P0～P3 。该系列单片机上 集成8K 的ROM，128 字节RAM 可供使用。 （2 ）74LS244 为三态控制芯片，目的是使单片机足以驱动ULN2003 。 ULN2003 是常用的达林顿管阵列，工作电压是12V，可以提供足够的 电流以驱动步进电机。关于这些芯片的详细介绍可参见它们各自的数据 手册。 （3 ）74373 是电平控制锁存器，它可使多个步进电机共用一组数据总线。 我们用P1.0～P1.7 作为8 个电机的锁存信号输出端，见表1。 这是一种基于总线分时复用的方式，以动态扫描的方式来发送控制信 号，这和高级操作系统里的多任务进程调度的思想一致。这种方法明显 的好处是节省I/O 口，使系统可以控制更多的步进电机。本电路设计为 控制8 个。 3 、程序设计 传统的步进电机驱动程序利用简单的条件循环来发送脉冲序列，但当 电机数目发生变化时，编程繁杂，冗余代码较多，难以做到信号占空比 一致，进而产生 抖动” 现象。下面提出一种基于中断服务方式，面向 舞蹈动作，可实时改变各个电机速度和方向 （每200ms 可改变一次）的 程序设计方法。 3.1 速度归一化和线性关系 我们将速度量化成一个-128～127 内可变的数，正号代表正转，负号 代表返转，称之归一化速度 （-128～127 为一个字节）。给每个电机分 配一个速度累加计数器speed_tickers[i](I=0,1,2…,7 分别代表8 个电机) ， 初始值为0，每个中断触发周期内给该累加计数器加上从舞步信息数组 dancedata 中读取的速度值speeds[i]，当计数器值大于或等于预设的阈值 MAX_SPEED_TICKER=600 时，则发送脉冲序列中的下一个 （正转） 或上一个 （反转）给步进电机，这取决于速度的符号 （参考3.2 节）。 同时，将该电机的累加计数器speed_tickers[i]恢复为 0 。给出的速度值 speed[i]越大，则累加达到或超过阈值MAX_SPEED_TICKER 的时间就 越短，那么向步进电机发送脉冲的频率就越高，速度也就越快。 归一化速度值设为num （-128～127），电机实际旋转速度设为V ， 那么V 和num 之间满足关系式： （1）当num 是阈值600 的约数时， 其中，[x]代表不超过x 的最大整数。 （3 ）V0 是一个速度常数，即当归一化速度值num=120 的时候对应的 电机实际速度。 （4 ）num 和速度V 近似线性关系，V ∝num 。正是因为有了这种函数关 系，我们在舞蹈动作控制中，可以轻松实现速