步進電機驅(qū)動電路設(shè)計

1、步進電機驅(qū)動電路設(shè)計摘 要隨著數(shù)字化技術(shù)發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)得到了廣泛而深入的應用。步進電機是一種將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制驅(qū)動元件, 具有快速起動和停止的特點。因為步進電動機組成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，性能上能滿足工業(yè)控制的基本要求，所以廣泛地應用于手工業(yè)自動控制、數(shù)控機床、組合機床、機器人、計算機外圍設(shè)備、照相機,投影儀、數(shù)碼攝像機、大型望遠鏡、衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)、醫(yī)療器件以及各種可控機械工具等等。直流電機廣泛應用于計算機外圍設(shè)備( 如硬盤、軟盤和光盤存儲器) 、家電產(chǎn)品、醫(yī)療器械和電動車上, 無刷直流電機的轉(zhuǎn)子都普遍使用永磁材料組成的磁鋼, 并且在航空、航天、汽車、精密電

2、子等行業(yè)也被廣泛應用。在電工設(shè)備中的應用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應用在直流旋轉(zhuǎn)電機中。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機的勵磁機、蓄電池的充電機等，都是直流發(fā)電機；鍋爐給粉機的原動機是直流電動機。此外，在許多工業(yè)部門，例如大型軋鋼設(shè)備、大型精密機床、礦井卷揚機、市內(nèi)電車、電纜設(shè)備要求嚴格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動機作為原動機來拖動工作機械的。直流發(fā)電機通常是作為直流電源，向負載輸出電能；直流電動機則是作為原動機帶動各種生產(chǎn)機械工作，向負載輸出機械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機還有其它的用途，例如測速電機、伺服電機等。他們都是利用電和磁的相互作用來實現(xiàn)向機械能能的

3、轉(zhuǎn)換。介紹了步進電機和直流電機原理及其驅(qū)動程序控制控制模塊，通過AT89S52單片機及脈沖分配器(又稱邏輯轉(zhuǎn)換器) L298完成步進電機和直流電機各種運行方式的控制。實現(xiàn)步進電機的正反轉(zhuǎn)速度控制并且顯示數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,結(jié)構(gòu)簡單、可靠,通過按鍵控制，操作方便，節(jié)省成本。  關(guān)鍵詞：步進電機，單片機控制，AT89S52，L297，L298目 錄1 步進電動機11.1 步進電機簡介11.2 步進電機分類12 步進電機工作原理221 步進電機結(jié)構(gòu) 222 步進電機的旋轉(zhuǎn)方式 23 設(shè)計原理33.1 硬件電路組成43.2 步進電機控制電路4

4、3.2.1 計數(shù)器工作模式43.2.2 定時器工作模式44 步進電機驅(qū)動電路設(shè)計44.1 驅(qū)動芯片L29754.2 驅(qū)動芯片L29854.3 鍵盤電路74.4 顯示電路75 步進電機控制程序8總 結(jié)12致  謝13參考文獻141 步進電動機1.1 步進電機簡介步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精密執(zhí)行元件，由于步進電機具有控制方便、體積小等特點，所以在數(shù)控系統(tǒng)!自動生產(chǎn)線!自動化儀表!繪圖機和計算機外圍設(shè)備中得到廣泛應用。微電子學的迅速發(fā)展和微型計算機的普及與應用，為步進電動機的應用開辟了廣闊前景，使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復雜的控制器得以用軟件實現(xiàn)，既降

5、低了硬件成本又提高了控制的靈活性，可靠性及多功能性市場上有很多現(xiàn)成的步進電機控制機構(gòu)，但價格都偏高。應用SGS公司推出的L297和 L298兩芯片可方便的組成步進電機驅(qū)動器，并結(jié)合51單片機進行控制，即可以實現(xiàn)用相對便宜的價格組成一個性能不錯的步進電機驅(qū)動電路。圖 1 步進電機步進電機把電脈沖信號變換成角位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的微特電機。在自動控制裝置中作為執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖信號，步進電動機前進一步，故又稱脈沖電動機。步進電動機多用于數(shù)字式計算機的外部設(shè)備，以及打印機、繪圖機和磁盤等裝置。步進電動機的驅(qū)動電源由變頻脈沖信號源、脈沖分配器及脈沖放大器組成，由此驅(qū)動電源向電機繞組提供脈沖電流。步

6、進電動機的運行性能決定于電機與驅(qū)動電源間的良好配合。步進電機的優(yōu)點是沒有累積誤差，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，制造成本低，步進電動機帶動負載慣量的能力大，適用于中小型機床和速度精度要求不高的地方，缺點是效率較低，發(fā)熱大，有時會“失步”。 1.2 步進電機分類步進電動機分為機電式、磁電式及直線式三種基本類型。1、機電式步進電動機機電式步進電動機由鐵心、線圈、齒輪機構(gòu)等組成。螺線管線圈通電時將產(chǎn)生磁力，推動其鐵心心子運動，通過齒輪機構(gòu)使輸出軸轉(zhuǎn)動一角度，通過抗旋轉(zhuǎn)齒輪使輸出轉(zhuǎn)軸保持在新的工作位置；線圈再通電，轉(zhuǎn)軸又轉(zhuǎn)動一角度，依次進行步進運動。2、磁電式步進電動機磁電式步進電動機主要有永磁式、反應式和

7、永磁感應子式3種形式。永磁式步進電動機由四相繞組組成。A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子磁鋼將轉(zhuǎn)向該相繞組所確定的磁場方向;A相斷電、B相繞組通電時，就產(chǎn)生一個新的磁場方向，這時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一角度而位于新的磁場方向上，被激勵相的順序決定了轉(zhuǎn)子運動方向。永磁式步進電動機消耗功率較小，步矩角較大。缺點是起動頻率和運行頻率較低。3、直線式步進電動機有反應式和索耶式兩類。索耶式直線步進電動機由靜止部分（稱為反應板）和移動部分(稱動子)組成。反應板由軟磁材料制成，在它上面均勻地開有齒和槽。電機的動子由永久磁鐵和兩個帶線圈的磁極A和B組成。動子是由氣墊支承,以消除在移動時的機械摩擦,使電機運行平穩(wěn)并提高定位精度。這種電

8、機的最高移動速度可達1.5米/秒，加速度可達2g,定位精度可達20多微米。由兩臺索耶式直線步進電動機相互垂直組裝就構(gòu)成平面電動機。給x方向和y方向兩臺電機以不同組合的控制電流，就可以使電機在平面內(nèi)做任意幾何軌跡的運動。大型自動繪圖機就是把計算機和平面電動機組合在一起的新型設(shè)備。平面電動機也可用于激光剪裁系統(tǒng)，其控制精度和分辨力可達幾十微米。2 步進電機工作原理21 步進電機結(jié)構(gòu)  電機轉(zhuǎn)子均勻分布著40個小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開0、1/3、2/3,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即圖2 定子和轉(zhuǎn)子的展開圖A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開

9、1/3，C與齒3向右錯開2/3，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1），如圖2。  22 步進電機的旋轉(zhuǎn)方式  如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。  如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3，此時齒3與C偏移為1/3，齒4與A偏移（-1/3）=2/3。  如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3，此時齒4與A偏移為1/3對齊。  如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 ，這樣經(jīng)過A

10、、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A通電，電機就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A通電，電機就反轉(zhuǎn)。  由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關(guān)系，而方向由導電順序決定。如圖3。  圖3 步進電機運轉(zhuǎn)順序圖不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 所以電機定子上有

11、m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。 3 設(shè)計原理由于步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專用設(shè)備5步進電機控制驅(qū)動器。典型步進電機控制系統(tǒng)如圖4所示：控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾十千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功

12、率放大器的放大加到步進電機驅(qū)動電源的各項輸人端，以驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動。環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)分器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅(qū)動步進電機目的。圖 4 典型步進電機控制系統(tǒng)3.1 硬件電路組成文中所控制的步進電機是四相單極式減速步進電動機。本文所設(shè)計的步進電機控制驅(qū)動器的框圖如圖5所示。它由 51單片機、集成芯片L297和L298組成。圖 5 步進電機控制驅(qū)動器的框圖3.2 步進電機控制電路 本系統(tǒng)的控制電路采用單片機MCS-51進行控制。在工業(yè)檢

13、測、控制中，許多場合都要用到計數(shù)或定時功能。例如，對外部脈沖進行計數(shù)、產(chǎn)生精確的定時時間等。MCS-51單片機內(nèi)有兩個可編程的定時器/計數(shù)器T1、T0,以滿足這方面的需要。兩個定時器/計數(shù)器都具有定時器和計數(shù)器兩種工作模式。3.2.1 計數(shù)器工作模式計數(shù)器是對外來脈沖進行計數(shù)51單片機芯片有T0(P3.4)和T1(P3.5)兩個輸入引腳，分別是這兩個計數(shù)器的輸入端。每當計數(shù)器的輸入引腳的脈沖發(fā)生負跳變時，計數(shù)器加1。3.2.2 定時器工作模式定時功能也是通過計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，不過此時的計數(shù)脈沖來自單片機的內(nèi)部，即每個機器周期產(chǎn)生1個計數(shù)脈沖，也就是每經(jīng)過1個機器周期的時間，計數(shù)器加1。如果

14、MCS-51采用12Hz晶體，則計數(shù)頻率為1MHz，即每過1微妙的時間計數(shù)器加1。這樣可以根據(jù)計數(shù)值計算出定時時間，也可根據(jù)定時時間的要求計算出計數(shù)器的初值。4 步進電機驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路由L297和L298芯片組成。L297是步進電動機控制器（包括環(huán)形分配器），L298是雙H橋式驅(qū)動器。這種方式結(jié)合的優(yōu)點是，需要的元件很少，從而使得裝配成本低，可靠性高和占空間少。并且通過軟件開發(fā)，可以簡化和減輕微型計算機的負擔。另外，4056 和 4057 都是獨立的芯片，所以應用是十分靈活的。4.1 驅(qū)動芯片L297L297是步進電機專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號， 可用于計算機控制的兩相雙極和四相單

15、相步進電機，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式 控制步進電機。芯片內(nèi)的PWM 斬波器電路可開關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進電機繞組中的電機繞組中 的電流。該集成電路采用了SGS 公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L 技術(shù)，使用5V 的電源電壓， 全部信號的連接都與TFL/CMOS 或集電極開路的晶體管兼容。圖 6 L297圖 7 L297引腳圖4.2 驅(qū)動芯片L298L298N 為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1

16、個四相步進電機，內(nèi)含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯準位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信號，但在本驅(qū)動電路中用L297 來提供時序信號，節(jié)省了單片機IO 端口的使用。L298N 之接腳如圖9 所示，Pin1 和Pin15 可與電流偵測用電阻連 接來控制負載的電路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之間分別接2 個步進電機；input1input4 輸入控制電位來控制電機的正反轉(zhuǎn)；Enable 則控制電機停轉(zhuǎn)。圖 8 驅(qū)動芯片L298圖 9 驅(qū)動芯片L298引

17、腳圖設(shè)計的模塊采用的為H橋芯片L298，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，具有兩套H橋電路。L298N內(nèi)部H橋驅(qū)動電路的工作原理圖如圖10所示。同一側(cè)的晶體管不能同時導通。當VT1和VT4導通，VT2和VT3截止時，電流由正電流經(jīng)VT1，從電機正極流入電機，再經(jīng)由VT4流入，此時電機正向運轉(zhuǎn)。同樣當VT2和VT3導通時，電流由負極進入電機，電機反向運轉(zhuǎn)。當VT1和VT3或VT2和VT4同時導通時，電機處于制動（剎車）狀態(tài)。電路中二極管主要起續(xù)流保護作用，由于電機具有較大的感性，電流不能突變，若突然將電流切斷，將在功率管兩端產(chǎn)生很高的電壓，損壞器件。圖 10 L298N內(nèi)部H橋驅(qū)動電路的工作原理圖4.

18、3 鍵盤電路本系統(tǒng)采用了4×4鍵盤實現(xiàn)對功能鍵的設(shè)定。行列式鍵盤與單片機的接口電路如圖11所示，H0-H3為行線，接單片機P2口的高4位，L0-L3為列線，接單片機P2口的低4位。初始化時鍵盤行線為高電平，列線為低電平。鍵盤的行線接4輸入與門，4輸入與門的輸出接單片機的外部中斷0引腳P3.2口。當有鍵按下時，將產(chǎn)生中斷，在中斷程序里對按鍵進行掃描，得到按鍵的鍵值。圖 11 行列式鍵盤與單片機的接口電路4.4 顯示電路如圖產(chǎn)12所示，根據(jù)設(shè)計需要，該系統(tǒng)采用4位一體的LED顯示。動態(tài)掃描顯示基本原理，每個數(shù)碼管的同名端連在一起，每一個數(shù)碼管的公共端獨立受I/O線控制。CPU向字段輸出口

19、送出字形碼時，雖然所有顯示器接收到相同的字形碼，但是只有被選中的位才顯示。所謂動態(tài)掃描就是指采用分時的方法，輪流控制數(shù)碼管。圖 12 步進電機顯示電路5 步進電機控制程序步進電機控制程序就是完成環(huán)形分配器的任務，從而控制步進電機轉(zhuǎn)動，以達到控制轉(zhuǎn)動角度和位移之目的。首先要進行旋轉(zhuǎn)方向的判斷，然后轉(zhuǎn)到相應的控制程序。正反向控制程序分別按要求的控制順序輸出相應的控制模型，再加上脈寬延時程序即可。圖13 程序流程圖脈沖序列的個數(shù)可以用寄存器CL進行計數(shù)?？刂颇Ｐ涂梢砸粤⒓磾?shù)的形式一一給出?？刂茦酥締卧狥LAG為00H時，表示正轉(zhuǎn)；為01H時，表示反轉(zhuǎn)。其程序流程圖如圖13所示：步進電機驅(qū)動程序編寫：

20、D0 EQU 0D2 EQU 2 ORG 0000HSTART: LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT0 ORG 0100HMAIN: MOV P2,#00H ;等待信號 MOV P0,#FFH MOV R2,#0 MOV R3,#0 MOV R4,#0 CLR IT0 SETB EA SETB EX0 LJMP MAININT0: JNB P2.0,ZHENG;正轉(zhuǎn) JNB P2.1,FAN ;反轉(zhuǎn) JNB P2.2,JIA ;加速 JNB P2.3,JIAN ;減速 JNB P2.4,TIN ;停 RETIZHENG: MOV R2,#1 ;正轉(zhuǎn) MOV DPTR,CH

21、A MOV A,D0 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A ACALL YAN0 CPL P0.0 CPL P0.2 ACALL YAN0 CPL P0.0 CPL P0.1 ACALL YAN0 LJMP ZHENGFAN: MOV R2,#0 ;反轉(zhuǎn) MOV DPTR,CHA MOV A,D2 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A ACALL YAN0 CPL P0.0 CPL P0.1 ACALL YAN0 CPL P0.0 CPL P0.2 LJMP FANZHENG1:MOV DPTR,CHA ;加減速正轉(zhuǎn) MOV A,D0 MOVC A,A+DPTR MOV P0,

22、A CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2 CPL P0.0 CPL P0.2 CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2 CPL P0.0 CPL P0.1 CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2 LJMP ZHENGFAN1: MOV DPTR,CHA ;加減速反轉(zhuǎn) MOV A,D2 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2 CPL P0.0 CPL P0.1 CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2 CPL P0.0 CPL P0.

23、2 CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2 LJMP FAN1JIA: MOV R3,#1 ;加速 MOV R4,#0 CJNE R2,#0,ZHENG1 LCALL FAN JIAN: MOV R4,#1 ;減速 MOV R3,#0 CJNE R2,#0,ZHENG LCALL FANTIN: LCALL MAIN ;停 YAN0: MOV R0,#25LOOP00:MOV R1,#100LOOP01:DJNZ R1,LOOP01 DJNZ R0,LOOP00 RETYAN1: MOV R0,# 20 LOOP10:MOV R1,#100LOOP11:DJNZ R1,LOOP11 DJNZ R0,LOOP10 RETYAN2: MOV R0,#30 LOOP20:MOV R1,#100LOOP21:DJNZ R1,LOOP21 DJNZ R0,LOOP20 CHA: DB 03H,06H,05HEND總 結(jié)本設(shè)計是以AT89C51、步進電機驅(qū)動模塊L298為核心的步進電機控制電路系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理進行了相應的描述。通過對L298驅(qū)動模塊進行控制實現(xiàn)步