步进电机驱动电路图

单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 步进电机
2007-03-10 12:12
单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 是步进电机最常采用的两种驱动架构。

单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构则如图1所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。

这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人混淆又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说法应是双相位六线式步进电机。

六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。

图1：单极性步进电机驱动电路
双极性步进电机的驱动电路则如图2所示，它会使用八颗晶体管来驱动两组相位。

双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的成本。

双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。

双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。

图2：双极性步进电机驱动电路。

接线图适配驱动器电机型号 适配驱动器57HS04 DM422C/DM432C/DM556/DM856/M752/M542/M860/M880A/ MA550/MA860/H850/ND556/ND882/M415B/M32557HS0657HS0957HSM0957HS13DM556/DM856/M752/M542/M860/M880A/MA550/MA860/H850/ND556/ND88257HS22步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。

步进电机的最大特点是其“数字性”，对于控制器发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度(简称一步)，如下图所示。

如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离。

同时可通过控制脉冲频率，直接对电机转速进行控制。

由于步进电机工作原理易学易用，成本低(相对于伺服)、电机和驱动器不易损坏，非常适合于微电脑和单片机控制，因此近年来在各行各业的控制设备中获得了越来越广泛的应用。

步进电机的种类和特点步进电机在构造上有三种主要类型：反应式(Variable Reluctance ，VR)、永磁式(PermanentMagnet,PM)和混合式(Hybrid Stepping,HS)。

* 反应式定子上有绕组、转子由软磁材料组成。

结构简单、成本低、步距角小，可达°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

* 永磁式永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。

其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大(一般为°或15°)。

* 混合式混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。

其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。

最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。

一份步进电机驱动器整机电路图（原创）在由上位机或PLC为主的工控系统中，尤其是在对各种机械设备的控制中，常常看到PLC、触摸屏、伺服电机驱动器、伺服电机或步进电机驱动器、步进电机的组合应用。

对于伺服电机和步进电机，由于结构简单，原理上也不是太复杂，看到实物，再配合应用，就了解了。

但对电机驱动器的结构和电路，限于各种条件，就难以知道其“本来面目”了。

本人由于工作关系，接手了一台需维修的步进电机驱动器，又由于维修的需要，测绘了步进电机的整机电路图，浏览之下，就知道步进电机驱动器是个怎么回事了。

在此将整机全图奉献于大家。

整机全图共4张。

第一张图：步进电机驱动的主电路和开关电源电路。

步进电机驱动器的功率输出电路的形式同变频器主电路是相似的。

每一路皆由两只IGBT管子做推挽式输出，在管子上也反向并联了二极管，以提供反向电流的通路，进而保护IGBT管子的安全。

IGBT 管子的过流保护信号由AR1、BR1两只电阻上取得，此两只电阻将流经IGBT管子的电流信号转化为电压信号，经后级保护电路处理，送入单片机。

开关电源输出的+5V，作为单片机的电源。

另外，+5V、-5V还作为保护电路的双电路供电。

一路+15V电源，经PIC和PT1转化为四路15V电源，供四路驱动电路用。

第二张图：驱动电源及端子信号来源。

由电源板来的+15V电源，经NE555时基电路振荡逆变，开关变压器PT1四个次级绕组输出四组互相隔离的15V直流电压，供驱动IC的供电；第三张图：步进电机驱动器的脉冲驱动电路及步时电机的工作电流设定电路等。

驱动IC采用IS2110S专用的驱动芯片，单片机输出的四路脉冲信号经由74LS08四二输入与门电路处理后，送入四片IS2110S驱动电路，经光电隔离和功率放大后，送放逆变功率电路，输入步进脉冲到步时电机；第四张图：CPU（单片机）电路和控制端子内电路图。

步进电机驱动器是由单片机生成四路脉冲信号，经后续电路驱动功率输出电路，进而驱动步进电机的。

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、双肘和双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。

步进电机驱动器及细分控制原理步进电机驱动器原理：步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。

驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电。

以两相步进电机为例，当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时，驱动器经过环形分配器和功率放大后，给电机绕组通电的顺序为AABB A A B B，其四个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；若方向信号变为负时，通电时序就变为AA B BA A BB，电机就逆时针转动。

随着电子技术的发展，功率放大电路由单电压电路、高低压电路发展到现在的斩波电路。

其基本原理是：在电机绕组回路中，串联一个电流检测回路，当绕组电流降低到某一下限值时，电流检测回路发出信号，控制高压开关管导通，让高压再次作用在绕组上，使绕组电流重新上升；当电流回升到上限值时，高压电源又自动断开。

重复上述过程，使绕组电流的平均值恒定，电流波形的波顶维持在预定数值上，解决了高低压电路在低频段工作时电流下凹的问题，使电机在低频段力矩增大。

步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机性能影响较大，电压越高，步进电机转速越高、加速度越大；在驱动器上一般设有相电流调节开关，相电流设的越大，步进电机转速越高、力距越大。

细分控制原理：在步进电机步距角不能满足使用要求时，可采用细分驱动器来驱动步进电机。

细分驱动器的原理是通过改变A，B相电流的大小，以改变合成磁场的夹角，从而可将一个步距角细分为多步。

定子A转子SNB B BSNA A(a)(b)AS NB B N S BS NA(c)(d)图3.2步进电机细分原理图仍以二相步进电机为例，当A、B相绕组同时通电时，转子将停在A、B相磁极中间，如图3.2。

若通电方向顺序按AA AABB BB BB AA AA AA BB BB BB AA,8个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；电机每转动一步，为45度，8个脉冲电机转一周。

与图2.1相比，它的步距角小了一半。

步进电机在控制系统中具有广泛的应用。

它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。

有时从一些旧设备上拆下的步进电机（这种电机一般没有损坏）要改作它用，一般需自己设计驱动器。

本文介绍的就是为从一日本产旧式打印机上拆下的步进电机而设计的驱动器。

本文先介绍该步进电机的工作原理，然后介绍了其驱动器的软、硬件设计。

1. 步进电机的工作原理该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。

只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。

图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

图1 四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。

而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。

依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：a. 单四拍b. 双四拍c八拍图2.步进电机工作时序波形图2.基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理步进电机驱动器系统电路原理如图3：图3 步进电机驱动器系统电路原理图AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4~P1.7输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。

步进电机需要提供具有一定驱动能力的脉冲信号才能正常工作，脉冲信号由单片机输出的激励信号经过脉冲分配产生。

脉冲分配可以通过硬件模拟分配电路实现，也可以利用软件方便地实现。

一个完整的驱动电路不仅需要激励信号，还需有足够的功率。

在一般的电路驱动中，需将由CPU产生的脉冲信号经过功率放大后，再接到步进电机输入端。

随着大规模集成电路技术的发展，逐渐出现了很多专门用于步进电机控制的脉冲分配芯片，它们配合功率放大的驱动电路可以实现步进电机的驱动。

12.3.1 一般步进电机驱动电路在专门的步进电机驱动集成芯片出现以前，一般都是采用电路来驱动步进电机工作。

在电路设计中，必须要考虑的是驱动信号的分配和放大。

在信号分配方面，采用的均是单片机统一分配的形式；在信号放大方面，则是由各种放大电路来完成的。

下面介绍一种利用硬件电路连接而成的脉冲分配驱动电路。

1．电路驱动的工作原理图12-5所示是一个四相步进电机的驱动电路。

A、B、C、D分别接到P1口的P1.4～P1.7。

通过软件控制一组脉冲序列，控制步进电机的转速、方向和步距。

在步进电机的驱动线路中，主CPU发出的控制信号经U1放大，传到复合三极管前一级的基极。

若CPU送出的数据为0，则前级三极管BG5作为开关三极管不导通，BG1也处于截止状态，电机内的线圈不得电；若CPU送出的数据为1，则前级三极管BG5的基极有了驱动电流，12V电压经电机的线圈、限流电阻和三极管形成通路。

在电路图中的A、B、C、D分别代表电机内部的4个线圈，在驱动线中的R5～R8作为限流电阻来限制线圈中的电流值。

在电阻和线圈两侧有并联的单向二极管，当CPU信号由1跳变为0时，三极管截止，电机的线圈会产生很大的感应电动势，这时线圈、限流电阻和单向二极管形成回路，保护三极管不被线圈的瞬时感应电动势烧坏。

二极管D1～D4也称回流二极管，在选择时要考虑到电源电压及线圈电流。

R1～R4和D1～D4组成一条支路，在对应的线圈突然不通电时能够和线圈构成一组循环回路。

∙o接线图适配驱动器电机型号 适配驱动器57HS04 DM422C/DM432C/DM556/DM856/M752/M542/M860/M880A/MA550/MA860/H850/ND556/ND882/M415B/M325 57HS06 57HS0957HSM0957HS13 DM556/DM856/M752/M542/M860/M880A/MA550/MA860/H850/ND556/ND882 57HS22步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。

步进电机的最大特点是其“数字性”，对于控制器发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度(简称一步)，如下图所示。

如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离。

同时可通过控制脉冲频率，直接对电机转速进行控制。

由于步进电机工作原理易学易用，成本低(相对于伺服)、电机和驱动器不易损坏，非常适合于微电脑和单片机控制，因此近年来在各行各业的控制设备中获得了越来越广泛的应用。

∙步进电机的种类和特点步进电机在构造上有三种主要类型：反应式(Variable Reluctance ，VR)、永磁式(Permanent Magnet,PM)和混合式(Hybrid Stepping,HS)。

* 反应式定子上有绕组、转子由软磁材料组成。

结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

* 永磁式永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。

其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大(一般为7.5°或15°)。

* 混合式混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。

其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。

四相步进电机原理图本文先介绍该步进电机的工作原理，然后介绍了其驱动器的软、硬件设计。

1. 步进电机的工作原理该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。

只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。

图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

图1 四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。

而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。

依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：a. 单四拍b. 双四拍c八拍图2.步进电机工作时序波形图2.基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理步进电机驱动器系统电路原理如图3：图3 步进电机驱动器系统电路原理图AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4~P1.7输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。

使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。

图中L1为步进电机的一相绕组。

AT89C2051选用频率22MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。

步进电机控制驱动电路设计一、任务步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，它在速度、位置等控制领域被广泛地应用。

但步进电机必须由环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

设计一个三相步进电机控制驱动电路。

二、要求1．基本要求1）时钟脉冲产生电路，能实现步进电机的正转、反转、手动（点动）和自动控制；2）用IC设计一个具有“自启动”功能的三相三拍环形分配器；3）能驱动三相步进电机的功放电路。

使用的是三相步进电机，工作相电压为12V2．发挥部分1）设计的环形分配器可实现“三相单三拍”、“三相双三拍”和“三相六拍”的多工作方式选择；2）完成步进电机供电电源电路设计；3）其它创新。

操作说明(与实际电路相对应):（从上到下依次）（从左到右）短路环： 1 2 3 4 开关：1 4 工作模式：断开接通断开接通0 0 三相单三拍正转断开接通断开接通0 1 三相单三拍反转断开接通断开接通0 0 三相六拍反转断开接通断开接通0 1 三相六拍正转接通断开接通断开0 0 三相双三拍正转接通断开接通断开0 1 三相双三拍反转注意：按键按下为0 向上为1如果在工作时有异常情况请按复位键调节变阻器2可以调节速度的大小摘要本设计采用自己设计的电源来给整个电路供电，用具有置位，清零功能的JK触发器74LS76作为主要器件来设计环行分配器，来对555定时器产生的脉冲进行分配，通过功率放大电路来对步进电机进行驱动，从而来完成题目中的要求。

并且产生的脉冲的频率可以控制，从而来控制步进电机的速度，环形分配器中具有复位的功能，在对于异常情况可以按复位键来重新工作。

本系统具有以下的特点：1．时钟脉冲产生电路，能实现步进电机的正转、反转、手动（点动）和自动控制；2．具有“自启动”的功能。

3．可以工作在“三相单三拍”、“三相双三拍”和“三相六拍”的多工作方式选择的状态下。

4．具有复位的功能。

（创新）5．具有速度可变的功能。