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)開展，數(shù)字控制技術(shù)得到了廣泛而深入的應(yīng)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)控制的根本要求， 所以廣泛地應(yīng)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)療器件以與各種可 控機械工具等等。直流電機廣泛應(yīng)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、精細

2、電子等行業(yè)也被廣泛應(yīng)用。在電工設(shè)備中的應(yīng)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(yīng)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。止匕外，在許多工業(yè)部門，例如大型軋鋼設(shè)備、大型精細機床、 礦井卷揚機、市電車、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 流電動機如此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

3、實現(xiàn)向機械能能的轉(zhuǎn)換。介紹了步進電機和直流電機原理與其驅(qū)動程序控制控制模塊，通過AT89S52單片機與脈沖分配器（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)省本錢。關(guān)鍵詞：步進電機，單片機控制，AT89S52 L297, L2981步進電動機1步進電機簡介1步進電機分類22步進電機工作原理22. 1步進電機結(jié)構(gòu) 22. 2步進電機的旋轉(zhuǎn)方式3設(shè)計原理4硬件電品&組成4步進電機控制電路4計數(shù)器工作模式4定時器工作模式54步進電機驅(qū)動電路設(shè)計6驅(qū)動芯片L2976驅(qū)動

4、芯片L2987鍵盤電路8顯示電路95步進電機控制程序10總結(jié)13致 14參考文獻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細執(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(yīng)用。微電子學的迅速開展和微型計算機的普與與應(yīng)用， 為步進電動機的應(yīng)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)，既降低了硬件本錢又提高了控制的靈活性，可靠性與多功能性市場上 有很多現(xiàn)成的步進電機控制機構(gòu)，但價格都偏高。應(yīng)用SGS公司推出的L297和L298兩芯片可方便的組成步

5、進電機驅(qū)動器，并結(jié)合51單片機進展控制，即可以實現(xiàn)用相對廉價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，以與打印機、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、脈沖分配器與脈沖放大器組成，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，制造本錢低，步進電 動機帶動負載慣量的能力大，適用

6、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、磁電式與直線式三種根本類型。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，依次進展步進運動。2、磁電式步進電動機磁電式步進電動機主要有永磁式、反響式和永磁感應(yīng)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

7、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響式和索耶式兩類。索耶式直線步進電動機由靜止局部稱為反響板和移動 局部（稱動子）組成。反響板由軟磁材料制成，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

8、向兩臺電機以不同組合的控制電流，就可以使電機在平 面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2. 1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、1/32/3 ,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1/3 T, 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。2. 2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，

9、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(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3 T,此時 齒3與C偏移為1/3 齒4與A偏移 X -1/3 T =2/3 To如C相通電，A, B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 T,止匕時 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 T ,這樣經(jīng)過 A B G 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

10、的位置和速度由導電次數(shù)脈沖數(shù)和頻率成一一對應(yīng)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)、噪音與減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC-C-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 T, 1/24 T,這就是電機細分驅(qū)動的根本理論依據(jù)。所以電機定子上有 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)被控制一一這是步進電機旋轉(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，出于本錢等多方面 考慮，市場

11、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

12、率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進展放大，以達到驅(qū)動步 進電機目的?？刂齐娐坟味?驅(qū)動電踣匚二 步進電機圖4 典型步進電機控制系統(tǒng)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。MCS-51L297 匚 L298 U步進電機圖5 步進電機控制驅(qū)動器的框圖步進電機控制電路本系統(tǒng)的控制電路采用單片機 MCS-51進展控制。在工業(yè)檢測、控制中，許多場合 都要用到計數(shù)或定時功能。例如，對外部脈沖進展計數(shù)、產(chǎn)生準確的定時時間等。MCS-51 單片機有兩個可編程的定時器/計數(shù)器T1、T0,以滿

13、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。計數(shù)器工作模式計數(shù)器是對外來脈沖進展計數(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。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MCS-5俅用12Hz晶體，如此計數(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

14、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，從而使得裝配本錢 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(yīng)用是十分靈活的。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 片的PW晰波器電路可開關(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

15、技術(shù)，使用5V的電源電壓，全部信號的 連接都與TFL/CMOSIE集電極開路的晶體管兼容。圖 6 L297SYNCL1劉J RESETGNL?1iHALF/FUL-home3isJ CLOCKA 117押IliH 1 3 L297 Joses c15Vr*f714JSENS 1EUH 2 8驀SENS d912ENASLEn1ft11control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) ,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

16、 2個二相或1個四相步進電機，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；inputlinput4 輸 入控制電位來控制電機的正反轉(zhuǎn)；Enable如此控制電機停轉(zhuǎn)。圖9 驅(qū)動芯片L298弓I腳圖設(shè)計的模塊采用的為

17、H橋芯片L298,部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，具有兩套H橋電 路。L298N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，假設(shè)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。4.3鍵盤電路本系統(tǒng)采用了 4X4鍵盤實現(xiàn)對功能鍵的設(shè)定。行列式鍵

18、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 斷程序里對按鍵進展掃描，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I/O線控制。根本原理，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CPU向字段輸出口送出字形碼時，雖然所有顯示器接收到一樣的字形碼，但是只有被選 中

19、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(wù)，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。首先要進展旋轉(zhuǎn)方向的判斷，然后轉(zhuǎn)到相應(yīng)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(yīng)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)可以用存放器 CL進展計數(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：D0 EQU 0D2 EQU 2ORG 0000HSTAR

20、T: LJMP MAINORG 0003HLJMP INT0ORG 0100HMAIN: MOV P2,#00H ;等待信號MOV P0,#FFHMOV R2,#0MOV R3,#0MOVR4,#0CLRIT0SETBEASETBEX0LJMPMAININT0: jnbP2.0,ZHENG;止轉(zhuǎn)JNBP2.1,FAN ;反轉(zhuǎn)JNBP2.2,JIA ;加速JNBP2.3,JIAN ;減速JNBP2.4,TIN ;停RETIZHENG: MOV R2,#1;正轉(zhuǎn)MOV DPTR,CHAMOV A,D0MOVC A,A+DPTRMOV P0,AACALL YAN0ACALL YAN0ACALL YA

21、N0LJMP ZHENGFAN: MOV R2,#0 ; 反轉(zhuǎn)MOV DPTR,CHAMOV A,D2MOVC A,A+DPTRMOV P0,AACALL YAN0ACALL YAN0LJMP FANZHENG1:MOV DPTR,CHA 加減速正轉(zhuǎn)MOV A,D0MOVC A,A+DPTRMOV P0,ACJNE R3,#0,YIA1CJNE R4,#0,YIA2CJNE R3,#0,YIA1CJNE R4,#0,YIA2CJNE R3,#0,YIA1CJNE R4,#0,YIA2 LJMP ZHENGFAN1: MOV DPTR,CHA ;力口減速反轉(zhuǎn)MOV A,D2MOVC A,A+DP

22、TRMOV P0,ACJNE R3,#0,YIA1CJNE R4,#0,YIA2CJNE R3,#0,YIA1CJNE R4,#0,YIA2CJNE R3,#0,YIA1CJNE R4,#0,YIA2LJMP FAN1JIA: MOV R3,#1; 力口速MOV R4,#0CJNE R2,#0,ZHENG1 LCALL FANJIAN: MOV R4,#1; 減速MOV R3,#0CJNE R2,#0,ZHENGLCALL FANTIN: LCALL MAIN ; 停YAN0: MOV R0,#25LOOP00:MOV R1,#100LOOP01:DJNZ R1,LOOP01DJNZ R0,LOOP00RETYAN1: MOV R0,# 20LOOP10:MOV R1,#100LOOP11:DJNZ R1,LOOP11DJNZ R0,LOOP10RETYAN2: MOV R0,#30LOOP20:MOV R1,#100LOOP21:DJNZ R1,LOOP21DJNZ R0,LOOP20CHA: 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)