步进电机驱动电路精选(九篇)

前言：一篇好文章的诞生，需要你不断地搜集资料、整理思路，本站小编为你收集了丰富的步进电机驱动电路主题范文，仅供参考，欢迎阅读并收藏。

第1篇：步进电机驱动电路范文

1　PMM8713的功能特点

PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。该器件采用DIP16封装，适用于二相或四相步进电机。PMM8713在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式（1相励磁，2相励磁，1－2相励磁三种励磁方式之一），每相最小的拉电流和灌电流为20mA，它不但可满足后级功率放大器的要求，而且在所有输入端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强，其原理框图如图1所示。

在PMM8713的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。PMM8713有两种脉冲输入法：双脉冲输入法和单脉冲输入法。采用双脉冲输入法的连线方式如图2（a）所示，其中CP、CU两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲。当采用单脉冲输入法时，其连线方式如图2（b）所示，该图中的CK为时钟脉冲输入，步进电机的正反转方向由U／D的高、低电位决定。

片中的激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。激励方式判断电路用于输出检测；而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序信号。

2 SI－7300A的结构及功率驱动原理

SI－7300A是日本三肯公司生产的高性能步进电机集成功率放大器。该器件为单极性四相驱动，采用SIP18封装，其结构框图如图3所示。

步进电机功率驱动级电路可分为电压和电流两种驱动方式，电压驱动方式有串联电阻驱动和双电压驱动两种，其中串联电阻驱动在相绕组中串联了一定阻值和功率的电阻。为了维持步进电机的相电流，通常要提高驱动绕组的相电压，因此绕组串联电阻驱动方式效率较低，但方法简单，成本低，故在实际驱动电路中使用较多。双电压驱动在每相绕组导通时，首先施加高电压VH使电流快速上升，当电压上升到规定幅值时，将高电压VH切断，此时，回路以低电压VL维持，电路驱动效率可大大提高，但因采用高低两种驱动电源，且电源切换的控制电路比较复杂，因而较少采用。电流驱动方式最常用的是PWM恒流斩波驱动电路，也是专用集成电路中最常用的能获得高性能的驱动方式，其中一相的等效电路图如图4所示。步进电机使用较高电压的电源时，绕组电流几乎可以近似直线地上升到预定值，此时由流过RS的检测电流去控制一个斩波控制电路即可关断T1，从而使绕组电流在续流回路（L、D1、T2、RS、）中续流并下降。当电流下降到规定时间后（达到某一电流）由脉冲电路产生脉冲至斩波控制电路可使T1接通，如此反复（由T1的反复开关）对绕组电流进行斩波控制，就可使电流平均值趋于恒定。外接稳压二极管D2、D3可用作嵌位保护和内部集成续流回路（外接检测电阻RS），从而避免T1开关所引起的尖峰感应电动势所造成的尖峰电压T1的危害。

3　在步进电机中应用

步进电机是常用的执行机构，它用脉冲频率控制转动速度，而用脉冲的数目来决定转动的角度。由于拖动负载大小不同，因此，仅仅接上电源是无法工作的，而必须接上相应的驱动器才能工作。驱动器的输出可为电机各相提供相应通电顺序的励磁电流。实际上，步进电机的工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和参数。步进电机可分为PM型、VR型和HB型三种。其相数有两相，三相、四相、五相、六相等，常用的有两相或四相混合式步进电机。

由SI—7300A、PMM8713和80C51构成的步进电机驱动电路如图5所示，图中，PD端为SI—7300A输出电流IO的控制端，可以悬空或接高电平，当接高电平时可以适当提高SI—7300A的输出电流IO。步进电机的旋转方向和旋转速度可通过80C51的键盘输入，同时通过软件可编程控制并行I／O 口P1．0和P1．1，以输出相应频率的脉冲来控制步进电机。步进电机采用42BYG009型时，驱动电压为24V，此时该功率驱动电路的矩频特性如图6所示。

图5

4　结束语

第2篇：步进电机驱动电路范文

关键词：步进电机；驱动；H桥

中图分类号：TM301 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）03-0236-02

步进电机广泛运用于各种数字控制系统中，其精度高，运行可靠，是各种自动化控制系统中的关键部件。本文以小功率两相步进电机为对象，介绍了一种基于PIC24F单片机，采用蓝牙无线通信、手机端APP控制的步进电机控制器设计，硬件部分包括步进电机驱动电路、电机电压电流检测电路、MCU控制电路、电源电路以及机壳温度监测电路，结合所设计的软件和手机端APP，实现了步进电机的无线控制及参数检测。

1 总体方案设计

本方案以16位单片机PIC24FJ64GA004为控制核心，通过蓝牙模块接收来自手机端APP的控制指令，单片机经光耦PC817连接MOS管双H桥电路驱动步进电机，控制步进电机的正反转、加减速等动作。同时，DS18B20温度传感器监测机壳温度，电机参数检测电路检测步进电机的电压和相电流，经MCU进行A/D采样、滤波处理后通过蓝牙模块上传至手机端，从而实现步进电机的控制和在线监测功能。系统原理框图如图1。

2 硬件设计

2.1 步进电机驱动电路

在H桥电路的基础上设计步进电机驱动电路。采用分立元件MOS管搭建双H桥驱动电路是成熟的电机控制方案，电路不复杂，性能可靠，根据MOS管的不同工作电流的上限甚至可以高达数十安培，是理想的步进电机驱动器方案。

MOS管H桥驱动电路有NMOS构型和PMOS+NMOS构型，全NMOS管H桥导通电阻更小，但上桥臂的NMOS管的导通电压高于电源电压，需要额外的升压电路，这样增加了电路的复杂程度和成本，我们采用PMOS+NMOS构型方式搭建双H桥步进电机驱动电路，电路更简洁，成本更低；且在这样的小电流工作场合，PMOS所增加的导通损耗可以忽略不计。驱动电路与MCU之g进行光电隔离，选用广泛使用的低成本光耦PC817。加入双输入四通道与门（74HC08D），为驱动电路添加使能的功能，即只有在使能的前提下，四路控制信号才是有效的，使步进电机运行更安全稳定MOS管选用IRF5305和IRF1205，其参数为55V、110A，TO252贴片封装。步进电机驱动电路原理图如图2所示。

2.2 电机参数测量电路

为了实时监测步进电机的运行状态是否正常，为驱动器设计了电机参数测量功能、通过实时监测电机的工作电压、工作相电流和机壳温度来实时获取电机的运行参数，保证电机运行安全稳定。

电机电流采样电阻选用康铜电阻，一端连接H桥下方，另一端接GND，其工作温度范围宽，温度系数仅为-40～40*10-6/℃，是高精度电流采样电阻的理想选择。电压电流信号调理电路采用LM324运放搭建，电压跟随后送入MCU，由MCU内置10Bit A/D转换器进行A/D采样。机壳温度监测选用数字温芯片DS18B20，将其贴至电机外壳表面，实时监测温度参数并送入MCU。电机参数检测电路原理图如图3所示。

在进行电路设计时，使用0欧姆电阻将模拟地（AGND）和数字地（GND）单点连接，以降低相互干扰，提高电路性能。

2.3 电源及MCU控制电路

系统中，驱动电路用输入电压供电，MCU和蓝牙模块需要额外的3.3V电压供电，传统的线性稳压器效率低、尺寸大且发热严重，因此使用DC―DC开关电源方式提供3.3V电压。开关稳压芯片选用MPS公司MP2359方案，其效率可高至92%、工作频率高达1.4MHZ，极高的工作频率决定其只需要小容量的输入电容、输出电容和功率电感即可正常工作。

蓝牙选用HC-05模块，串口自动发送。主控芯片为PIC24FJ64GA004，电源及主控芯片电路如图4。

3 软件设计

3.1 无线步进电机驱动器软件设计

主控芯片通过蓝牙模块经串口接收来自手机APP的电机控制指令，以此控制电机转速、步数、转动方向等参数；同时将采集到的电机参数经A/D转换、软件滤波后通过蓝牙模块发送至手机端。系统软件流程图如图5所示。

3.2 手机端APP软件设计

手机端APP基于中文编程环境“易安卓”开发，纯中文编程，上手快，减少了开发难度。软件可配置电机步数、速度、转动方向等参数，并通过蓝牙发送至控制器；同时接收控制器发送的电机参数，并对参数进行解码、显示、保存。手机端APP如图6所示。

4 结束语

本设计实现了以PIC24FJ64GA004单片机为控制核心，MOS管双H桥驱动，电机电压、电流、温度采集，蓝牙传输的无线步进电机控制器。并通过C语言开发了控制器程序，通过中文语言“易安卓”完成了手机端APP设计，实现了步进电机的低成本无线控制。

参考文献：

[1] 董晓庆，黄杰贤，张顺扬. 步进电机驱动器的关键技术研究[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2008（6）：14-17.

第3篇：步进电机驱动电路范文

关键词：焊点缺陷；标记；STM32F103VET6；步进电机

随着现代电子工业的不断发展，电路板朝着小面积、小元件、高密度的方向发展。但从成本、工艺以及技术要求等方面考虑，在不需要小型化的产品中仍有大量电路板采用通孔插装技术，因此一般需要采用波峰焊来完成元件引脚与焊盘之间的连接[1]。但由于技术上的瓶颈，波峰焊的工艺流程容易引起焊点质量问题，主要表现为焊点短路、焊点漏焊、焊点不饱满或表面有针孔等。为了解决上述焊点缺陷问题，企业一般采用传统的人工目测来检查并修补。此方法虽然方便实用、适应性强，预先成本最低，但人工目测主观性较强，而且由于人的视觉疲劳以及劳动强度的影响，不可避免的会有焊点缺陷的漏检和误检[2]。

因此，针对上述问题，文章以某企业的电路板装配生产流水线为改造对象，设计出一种电路板缺陷焊点实体标记自动控制系统，通过接收机器视觉检测设备的检测结果，在电路板有缺陷焊点的地方进行自动标记。

1 系统方案设计

1.1 电路板装配流水线改造

某企业的电路板装配线以流水线方式对已经完成机器插件的电路板进行装配和检测，其生产工序包括手工插件、元件插后质量检测、波峰焊机焊接、剪脚分板、执锡、焊后质量检测、打胶、ICT测试、贴标签、装箱。本方案以尽量减少对原装配线的改动，满足原生产工艺规范为原则，对其流水线改造如图1所示。

电路板缺陷焊点实体自动标识装置安装在波峰焊机和传送带之间，工人把经过波峰焊机焊接完毕的电路板进行剪脚、分板和执锡后，放入电路板推送装置中的等待区。原来的焊后质量检测工位分为检测工位以及标识工位，以满足原生产流水线的生产节拍。其中，检测工位安装缺陷焊点检测设备，标识工位安装缺陷焊点自动标记装置。

1.2 控制系统总体设计

电路板缺陷焊点实体自动标记装置由电路板推送装置和标记装置组成。推送装置负责在每个生产周期开始时，将三块电路板推送至下一工位，其主要由一台步进电机和三个电动直线推杆驱动。标记装置负责实现电路板缺陷焊点的实体标记识别，主要由两台步进电机和三个电磁铁驱动。整个系统的控制核心是微处理器，作为下位机，与运行缺陷焊点检测软件的工控机进行通信，包括发送指令和接收参数、检测结果。当系统开始运行时，微处理器首先通过串口，接收工控机的参数，控制推送装置的推送距离，然后在完成了推送电路板工作后，发送指令给工控机，命令工控机开始进行电路板焊点检测工作，最后根据检测结果，控制由步进电机带动的标记装置进行焊点实体标记。为了保证装置运行安全可靠，在控制系统中加入多个开关模块。控制系统框图如图2所示。

2 系统硬件设计

硬件部分主要包括：微处理器控制模块、步进电机控制模块、电动直线推杆控制模块、电磁铁控制模块以及开关模块等五部分。

2.1 微处理器选型

系统选用STMicroelectronics公司的STM32F103VET6微处理器作为主控芯片。该微处理器采用Cortex-M3内核，最高工作频率可达72MHz，内置512KB闪存和64KB SRAM；拥有80个GPIO，并多达11个定时器和13个通信接口，为控制设备和与设备进行通信提供了丰富的资源[3，4]。

2.2 微处理器核心控制模块

微处理器核心控制模块的设计内容主要是处理器的最小系统设计以及GPIO的规划配置。STM32F102VET6使用型号为AMS1117-3.3的电源芯片供电，并且使用振荡频率为8MHz的晶振，通过倍频设置，使芯片工作在72MHz。本设计主要使用的PE口作为信号控制端，与外部设备相连，并工作在推挽输出模式；PA9和PA10是串口通信端，通过串口通信模块与工控机相连。同时，由于系统需要接收多种外部信号，通过外部中断触发，根据硬件设计，将需要中断输入的GPIO配置为上拉输入模式。

2.3 步进电机控制模块

步进电机的正常运行需要驱动器提供电流和微处理器提供信号。为了满足设计的精度要求，本控制系统选用型号为2M542的步进电机驱动器。该驱动器主要用于驱动2相4线的步进电机，能够提供1.00A-4.20A的驱动电流，并且细分驱动最高可达25000步。为了防止由于长时间运行而烧毁步进电机，因此驱动器的工作电流设定为1.46A。微处理器主要提供脉冲信号和方向信号。步进电机驱动器与微处理器连接如图3所示。PE5连接步进电机驱动器的脉冲输入端，PE6连接步进电机驱动器的转向控制端。其余两台步进电机控制方式一样，不再叙述。

2.4 电动直线推杆控制模块

电动直线推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。在本装置的电路板推送机构中需要使用三个电动直线推杆，分别控制推送支架的上升下降和电路板档杆的往复运动。本控制系统中选用直流电机作驱动的电动直线推杆。由于该直流电机属于小容量电机，所以采取直接启动方式[5]，通过控制电机电流方向来控制推杆的往复运动，其控制电路如图4所示。

2.5 电磁铁控制模块

由于要针对三种不同的缺陷焊点做实体标记，因此使用三种不同颜色并可擦除的PCB专用标记笔对电路板上的缺陷焊点进行标记。标记方法为通过导通推拉式电磁铁，由推杆推动标记笔向下运动，在缺陷焊点旁打点标记。电磁铁控制电路如图5所示。

2.6 开关模块

为了保证系统运行准确和安全可靠，需要在装置中分别安装3个光电开关和6个限位开关。3个光电开关分别固定在3个电动滑台导轨的原点处，保证推送电路板距离和标记装置定位符合程序要求；6个限位开关则分别固定在3个电动滑台导轨的两端，防止由于程序出错引起步进电机带动的滑台碰撞导轨两端，设定安全距离。开关模块的控制电路图如图6所示。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括微处理器的硬件配置，装置工作状态初始化和中断服务程序。硬件配置主要根据控制系统的需要，分别配置时钟频率、GPIO工作模式、中断源和中断优先级等。装置工作状态初始化确保装置标记准确。中断服务包括外部中断、定时器中断和串口中断。

3.1 主程序设计

当系统开始运行时，微处理器对硬件进行配置，配置的内容包括系统时钟配置、GPIO工作模式、定时器配置、中断配置、串口配置。然后微处理器正式开始主任务，主程序流程如图7所示。首先进行参数接收确定推送距离，然后初始化装置工作状态，输出脉冲控制三台步进电机，使得标识机构和推架都位于设定的原点位置。完成初始化后，生产节拍开始计时，电路板推送装置的推架上升，分别把三块电路板推送至传送带、标记工位以及检测工位后，与上升档杆共同固定电路板，然后发送指令给工控机，开始缺陷焊点检测。待检测完毕，微处理器根据接收处理的结果，等待XY方向步进电机带动标记机构完成定位，然后对缺陷焊点进行标记。直到当前电路板所有缺陷焊点标记结束后，推架和标识机构回到原点，等待下个生产节拍。

3.2 中断服务程序

3.2.1 外部中断程序。控制系统用到多个外部中断，来源主要是开关模块以及步进电机脉冲。当系统接收到光电开关的信号时，改变程序中原点标记变量，告知主程序该方向上的步进电机已经到达原点处。若接收到限位开关的信号，则发送“error”给工控机，并停止运行。将步进电机的脉冲发送到外部中断，用于脉冲数量的计数，控制步进电机转动步数。

3.2.2 定时器中断程序。设计中使用了系统滴答定时器和通用定时器。系统滴答定时器主要用于生产节拍的计时，控制生产节拍的周期。在每个生产节拍开始时，启动电路板推送装置的步进电机，将电路板推送至下一工位。通用定时器则主要用于控制输出步进电机脉冲的频率。由于步进电机在工作时，频率不能突变，否则将会失步或过冲。因此每次改变频率时，应该保持电机在该频率下持续运行一定的时间。本系统使用的是指数型调速，根据公式

f（t）=f0+（fm-f0）×（1-e-t/T） （1）

可得出每个频率下步进电机转动的步数[6]。当步进电机走完当前频率下的步数时，定时器输出下一个频率的脉冲。

3.2.3 串口中断程序。系统的微处理器与工控机采用串口方式通信。微处理器在接收工控机的检测结果时，采用中断接收处理，然后根据结果，分别确定XY方向步进电机的转向和步数。系统的通信格式是“+/-xxxx+/-xxxxN”。“+/-”表示步进电机的转向，“xxxx”表示步进电机需要转动的步数，且前5位表示X方向的步进电机，第6-10位表示Y方向的步进电机。最后一位“N”表示当前电路板所有缺陷焊点已经完成标记，若未完成，则为空格字符。

4 系统测试

完成了组装后，在实验室对控制系统进行了测试。当系统通电启动后，本装置按照设定流程工作：推架和标识机构回到原点；推架推送电路板；工控机显示屏显示接收到的指令；标记机构根据检测结果，移动到缺陷焊点旁；电磁铁动作，PCB标记笔向下做标记；电路板缺陷焊点标记完毕后，推架和标记机构回到原点处。为了进一步测试步进电机的精度是否满足设计要求，对其进行了测量。步进电机通过联轴器，采用直连方式与电动滑台导轨相连。当步进电机转动一圈时，滑台对应的直线移动距离为75mm，步进电机细分驱动选择1600步/转，采用游标卡尺测量数据如表1所示。

从表1可知，滑台实际移动距离与理论值存在一定的误差，但不足影响工人对标记的判定，工人仍可以通过记号锁定区域，快速寻找缺陷焊点并进行修补。

5 结束语

文章以某企业的电路板生产流水线为改造对象，以解放劳动力为主要目的，设计了一种电路板缺陷焊点实体标记自动控制系统。该系统主要通过接收工控机的检测结果，控制多种机构协调工作，实现缺陷焊点的实体标记。在实验室的运行测试表明，该系统能达到预期效果，本装置已申请发明专利和软件著作权各一件。

参考文献

[1]方明.波峰焊工艺技术研究[D].广东：华南理工大学，2012.

[2]马灿.PCB缺陷智能视觉检测系统研究与设计[D].湖南：湖南大学，2012.

[3]陈福彬，伍毅，王铁流.基于STM32的人行通道智能控制与管理系统设计[J].自动化与仪表，2010，25（1）：45-48.

[4]李晶，李东泽，石坚.基于STM32的时间压力采集系统[J].自动化与仪表，2013，28（12）：42-45.

[5]贺昱曜.运动控制系统[M].西安：西安电子科技大学，2009.16.

[6]李大成，高金吉.基于可编程控制器的转速测量及步进电机升降速控制研究[J].北京化工大学学报，2011，38（4）：119-123.

第4篇：步进电机驱动电路范文

关键词:步进电机 环形分配 细分

中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(a)-0128-01

步进电机结构简单而且控制方便,在机械及自动控制等领域应用较普遍,但是步进电机也存在步距角较大、低频振动等缺点,如需在精度要求较高的工程中应用,除要提高制造工艺,选取高精度高性能的步进电机外,对步进电机驱动技术的研究也是很有必要的。

1 步进电机工作原理

步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构,它有别于普通的旋转电机,步进电机的旋转运动和输入的脉冲个数有严格的对应关系,并以此来控制其角位移量,同时依靠步进电机特有的自锁能力使其保持在目标位置。

2 驱动器设计

步进电机运动方式的特殊性决定了它需用一个专用的驱动器来供电,驱动器主要功能是对输入脉冲分配后再进行功率放大,放大后的功率信号按特定顺序轮流加到电机绕组的两端,控制步进电机运动。驱动器主要由环形分配器、功率放大器及其他控制电路组成,其中环形分配器是步进电机驱动器设计的关键。

目前的DSP技术发展较快,特别是美国TI公司的2000系列DSP是专为控制各种电机设计的,本文以TMS320LF2407控制两相四拍的步进电机为例,主要介绍最常用的两种设计环形分配器的方案:一是通过DSP的PWM口,在程序里对EVA或者EVB的4个PWM口进行精确的时序分配,利用纯软件的方法实现环形分配器;二是以专业的芯片电路为基础,如集成电路芯片L297+L298组成得驱动电路或者THB7128芯片等,利用DSP的I/O口即可实现对环形分配器的控制。

两种方案各有优缺点,下面详细介绍两种方案实现方法。

2.1 硬件实现环形分配器

本文选取比较常用的集成电路芯片L297和L298的组合,该方案特点是控制简单,只需要对L297芯片的几个输入端进行控制即可,其中包括脉冲信号CLK、方向控制信号CW/CCW、半步和整步选择控制信号HALF/FULL 以及使能信号EN。通过对DSP输出单一脉冲信号的频率调节可以控制步进电机的速度,并且可以随时控制电机的运动方向,不需要考虑输出时序问题,大大减轻了DSP的负担。

该方案已经经过了某课题的验证,其电路可靠,控制方便,负载电机是工程中使用较多的四相六线式步进电机,实际作为两相电机使用,只用了电机的红(A+)、蓝(A-)、黑(B+)、绿(B-)四根线,另外两根线悬空不用。选取8个快恢复二极管,用来泄放绕组电流,选取二极管时需根据负载电流及电压的要求,留有一定余量,并且快恢复二极管的反向恢复时间应trr不大于200ns。

用硬件电路实现环形分配器的优点是占用软件资源少,简单的单片机或者DSP系统就能满足设计要求,但是对的硬件电路要求较高,会增加额外的成本。

2.2 软件实现环形分配器

以TMS320LF2407为例,事件管理器EVA和EVB的共12路PWM口都可以使用,理论上可以同时软件实现3个独立的环形分配器,驱动3个步进电机。本文选取事件管理器EVA的PWM1～PWM4作为输出口。

根据输出要求,首先在程序初始化阶段需对寄存器ACTRA配置输出引脚的极性,对寄存器COMCONA配置使能比较操作,设置寄存器T1CMPR比较器数值,初始化结束以后对寄存器ACTRA按照时序要求进行数组分配,程序实现如下:

static const int stepZ[4]={0x0033,0x003C,0x00CC,0x00C3};

disable();

initsys();

for(j=1;j

{ for(i=0;i

{ *ACTRA=stepZ[i];

delay(); //延时控制运行速度

asm(" nop ")

}

}

如果要实现电机的半步工作只需改变数组stepZ[ ]的值,使其输出能满足半步工作的时序要求即可,原理与整步软件分配实现类似,在此不再详细分析。

经实践证明,该程序通过改变数组的循环次数来控制步进电机的运行步数,通过改变数组的顺序可以很方便的改变步进电机的运行方向,通过对延时子程序的设置可以控制步进电机的运行速度。该方案对硬件资源要求较少,通过DSP输出后,只需要用L298或者类似的功率芯片即可实现对步进电机的驱动,但是该方案需要占用较多的软件资源,如果DSP得软件资源不够用的情况下不建议使用该方案。

3 细分改进

用硬件或者软件实现的环形分配器输出原理是一样的,四路经过相序分配以后的驱动电压加到步进电机的绕组上,换相时绕组的电流会产生突变,绕组电流的突变会造成电机输出力矩的大幅波动,使电机运动在过程中,特别是运动速度较低的状态下会产生振动,从而降低步进电机的控制精度。因此,对一些精度要求及平滑性要求较高的场合,除选取性能更高的步进电机之外,也有必要对普通的驱动器作一些细分改进。

对驱动器细分改进的目的就是使步进电机绕组的电流在换相的时候尽量平滑而避免电流突变,最理想的状态是控制绕组中的电流按照正弦规律变化。要用数字信号控制绕组中的电流按照正弦规律变化是很困难的,在工程实践中只能近似地实现,比较常用有两种方法:一是直接对四路输出OUT1～OUT4进行逻辑操作,利用频率更高的脉冲来对其进行逻辑与的操作;二是不对OUT1～OUT4直接操作,而利用DSP产生的更高频率的PWM脉冲来驱动L298芯片的使能开关,用以控制电机绕组电压的通断,从而达到控制绕组电流平滑变化的目的,变化过程可以逼近于正弦波。细分后具体的频率和幅值要求要根据负载对电压和电流的要求来确定。

4 结语

DSP技术的高度发展为步进电机驱动器的设计带来了更多的可能性,步进电机的控制不需要专门去买昂贵又复杂的驱动器,借助系统中的2000系列DSP电路板,再外加一些辅助芯片即可实现对步进电机的精确控制。本文介绍的两种驱动器设计方案都已经在不同工程中实现,且实现都比较方便,具有较高的利用价值。

参考文献

[1] 董晓辉,李国宁.基于CPLD的步进电机控制［J］.铁路计算机应用,2007(4):11～13.

第5篇：步进电机驱动电路范文

关键词：步进电机;脉宽调制;AVR单片机;驱动电路

中图分类号：TP275 文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)0511303

Research on the PWM Drive Technology of Stepping Motor Based on Single Chip and CPLD

CHEN Xiangtao1,ZHANG Qianjin2,3

(1.Modern Education Technology and Information Center,Henan University of Science and Technology,Luoyang,471003,Luoyang,China;

2.School of Electronics and Information Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang,471003,China;

3.School of Computer and Information,Hefei University of Technology,Hefei,230009,China)

Abstract：In this paper,a realization system of control scheme based on AVR single chip and CPLD for three phase hybrid stepper motor is presented.The principle and structure block diagram are introduced.Besides,the design principle and realization for the core section of the control circuit are probed in detail.By using single chip to set up speed and direction.The control signals produced by the single chip are converted into final signals of control by the pulse coder by the CPLD.Through the driving circuit,it can control the speed and direction of the step-motor accurately.A current-controlled generation circuit of PWM is designed.The experiential results show,the system has the features of being easily modified,good flexibility,high reliability,powerful transplantable capability and with powerful resisting interfere.

Keywords：stepping motor;PWM;AVR single chip;drive circuit

步进电动机是一种将数字信号转换为位移(或直线位移)的机电执行元件，每当输入一个脉冲时，转轴便转过一个固定的机械角度，他具有快速起停、精确步进、没有积累误差且能直接接收数字信号的特点，在数字控制系统中得到了广泛的应用。步进电机的运动性能和他的驱动器有密切的关系，驱动器的性能的优劣直接影响到步进电机运行的好坏[1]。细分驱动方式可以减小步进电机的步矩角，提高分辨率，使电机运行更加平稳均匀，可以减小或消除低频振动。利用恒流和细分驱动技术可以大大提高步进电机的步矩分辨率，减小转矩波动，避免低频共振及降低运行噪声。通常的步进电机控制方法是采用CPU配合专用的步进电机驱动控制器来实现，存在成本高、不同种类的电动机必须要有相应的驱动控制器与之配对的问题[2]。

1 混合式步进电机原理分析

混合式步进电机通常只有整步和半步两种工作方式，当要求更小的步进角和更高的分辨率时，可通过改变定子绕组电流来实现。绕组电流给定采用经量化处理后的正弦波并分段切入，将绕组电流给定与反馈进行比较，并根据比较结果决定该相绕组的通断，最终得到正弦化的定子绕组电流。步进电机在高度细分运行时需要在电机内产生接近均匀的圆形旋转磁场各项绕组的合成磁势矢量，即各相绕组电流的合成矢量应在空间作幅度恒定的旋转运动，这就需要在各相绕组中通以正弦电流，三相混合式步进电机的三相绕组A,B和C在空间位置上相差2π/3，如图1所示。

这是一个以32im为幅值、-[WTBX]α[WTBX]为幅角的逆时针旋转[GK!3]矢量。对于三相混合步进电机，三相绕组可以连接成星形或者三角形，按照电路的基本原理三相之和为0即:

通常对三相混合式步进电机进行驱动控制，需要产生相互独立的三相给定信号，然而按照上述分析，只需要产生两相绕组的给定信号，第三相绕组的给定信号可根据式(5)由其他两相求得。同样，只需要对相应的两相绕组的实际电流进行采样，第三相绕组的实际电流可根据式(5)求得。步进电机是脉冲电路驱动的伺服执行器件，在环行脉冲分配器的控制下，设输入一个控制脉冲，[HK]电机绕组的通电状态改变一次，三相步进电机在三相六拍的控制方式下，A,B,C三相的通电状态为：A-AB-B-BC-C-CA-A……。

2 混合式步进电机系统构成与实现

基于AVR单片机和CPLD的三相混合式步进电动机控制系统的结构框图如图2所示。

系统主要包括脉宽调制产生电路、逻辑合成电路、功率驱动电路和电源等4个部分。本设计采用的方法是：单片机采集到现场信号后计算出步进电机运转所需要的控制信息，经过参考电路与反馈信号发生相互作用，得到脉宽调制信号后再传给CPLD，CPLD把接收到的信息转换成步进电机实际的控制信号，即转动速度和转动方向，输出给电机的功率驱动电路模块。下面具体介绍脉宽调制产生电路和脉宽调制产生电路部分。

2.1 PWM信号产生

脉宽调制产生电路主要有单片机和的电路组成，如图3所示。

单片机主要完成转速、转向和细分数的设定。脉冲信号(CP)和方向信号(CW)均由外部控制电路输入，在脉宽调制产生电路中通过高速光电耦合器件和外部控制电路隔离，尽量减少由脉冲信号引入干扰的可能性。中心控制器件采用ATMEL公司的ATTINY2313单片机， ATTINY2313单片机使用AVRRISC结构，有32个8位通用工作寄存器，全静态工作，工作于20 MHz时性能高达20 MIPS。内部集成了128 B的系统内可编程E2PROM和128 B的片内SRAM，具有独立预分频器及比较模式的8位定时器/计数器，有两个全双工的串行通信口，集成看门狗复位电路，由于具有这些优点，使得驱动电路变得更加简洁和高效。在单片机的E2PROM内存储相应的sin(α)和sin(α+2π/3)波形的函数值，单片机复位后，首先读出PD3,PD4和PD5的值，来确定细分的大小，细分的数目可以任意设定，这使系统的通用性有了很大的提高。PD2口读入脉冲，PD8读入电动机的转向。波形发生器的工作原理：在输入步进脉冲CP和方向逻辑控制信号CW的同时，来判定细分的数目，E2PROM中有选择的读出需要的sin(α)和sin(α+2π/3)波形函数细分值，在经过D/A转换器TLC7528变成模拟量[3-5]。由于TLC7528只有两路输出，所以只能得到两路模拟量，即在TL084B的第7(VOA)脚和14(VOB)脚得到相位差2π/3的正弦波。

由于需要的是三相相位差是2π/3的正弦波，可以用┦(5)的方法，在VOA和VOB的输出端用一个加法器和一个反相器就得到第三相正弦波信号，式(6)为其简单的推导。

2.2 功率驱动电路

功率驱动电路采用三菱公司的IPM功率模块PS21564。PS21564是专用的电机控制器，适用于三相步进电机控制。他内部有三个相互独立的高低端输出通道，可以驱动工作电压不高于600 V的MOSFET和IGBT。他自身的工作电源电压范围13-5～16-5 V，输出驱动信号电压为20 V，输出最大正向峰值电流为30 A，他的输出驱动信号的最小上升时间为600 ns，最小下降时间为300 ns，可以在较高的频率下工作。通过外接采样电阻，当被驱动器件过流时，内部的过流保护电路就会封锁输出，从而保护功率器件不被损坏。应用HVIC实现集成电平转移，高电平导通逻辑，可与DSP/MCU接口兼容。智能IPM功率模块内置短路、欠压保护电路，输入信号端内置下拉电阻，外部无须再下拉电阻，热阻低，易于散热，2 500 V绝缘耐压，驱动电路如图5所示。

信号在CPLD内转化为PS21564所需要的六路桥，经74HC14反相器输入到PS21564，处理转换成U,V,W来驱

3 结 语

利用本文设计的驱动器带动90BYG306三相混合步进电机进行试验，三相绕组用三角形接法，采用交流伺服控制原理，在控制方式上增加了全数字式电流环控制，三相正弦电流驱动输出，使三相混合式步进电机低速无爬行、无共振区、噪音小。该系统具备细分和半流功能，多种细分选择，最小步矩角可设置为0.036°。采用细分驱动后扭矩波动大大减小，从而消除了低频振荡对系统的影响，同时降低了高频失步对系统的影响。单片机程序由ICCAVR编写，复杂可编程逻辑器件程序由ISE 9.1i编写。由于步矩角减小电机分辨率高，波形输出稳定，电机运行更平滑，噪声更小电机驱动平稳。另外驱动电路具备短路、过压、欠压、过热等保护功能，可靠性高。

参考文献

［1］刘宝延,程树康.步进电动机及其驱动控制研究[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.

［2］赵小强.基于FPGA的步进电机定位控制系统的设计[J].现代电子技术,2007,30(10):55-57.

［3］张文超.步进电机PWM恒转细分驱动技术研究[J].机械制造,2003,41(6):33-34.

［4］Blasko V.Analysis of a Hybrid PWM Based on Modified Space-Vector and Triangle-Comparison Methods[J].IEEE Trans.on Ind.,1997(33):756-764.

［5］Chung D W.Unified Voltage Modulation Technique for Real Time Three-Phase Power Conversion[J].IEEE Trans.on Ind.,1998(34):374-380.

作者简介

陈祥涛 男，1978年出生，硕士研究生。研究方向为控制理论与控制工程，信号与信息处理。

第6篇：步进电机驱动电路范文

【关键词】晾衣架智能控制 传感器 单片机

随着社会的快速发展，各种高科技产品已经进入到人们的生活中，给人们的衣食住行带来极大便利，而智能家居更是日益普及。目前市面上有自动升降晾衣架，有自动伸缩晾衣架，但大多需半手动控制。本文介绍了一种基于传感器技术和单片机技术实现智能控制晾衣架的方法，介绍了在晾衣架的应用中，如何实现智能控制，以应对各种天气突变情况，在不需要人工操作的情况下，随着天气变化，智能控制晾晒的衣物，保证晴天条件下正常晾晒，在雨天不被淋湿，在大风天气不被风吹走。

1 机械装置结构分析

普通的晾衣架通常只有简单的机械机构，为搭建适合电器设备实现智能控制的条件，要先对晾衣架的结构进行改造。晾衣杆为表面光滑的金属杆体，在晾衣杆上面拴上一定适当大小的金属圆环，晾衣杆与圆环摩擦力较小，圆环下方可悬挂衣物。回收衣服时，步进电机逆时针旋转（反转）并通过上方细钢绳拉动最右边圆环向左移动，逐渐靠拢其他衣物，直至所有衣物回收至避雨区，此过程下方钢绳处于释放状态。恢复晾晒状态时，步进电机顺时针旋转（正转）通过圆环下方钢绳与定滑轮，拉动最右边圆环向右移动，因圆环间有钢绳相连，所以衣物也随着圆环被逐渐拉开而展开晾晒。

2 控制电路研究与设计

根据功能要求，电路的设计包括控制电路、传感器电路、电机驱动电路。传感器电路包括雨滴传感器电路、风力传感器电路和光敏传感器电路，整体的电路原理图如图2。

2.1 控制电路设计

主控电路采用宏晶科技公司生产的新一代8051单片机STC12C5A60S2，更高速、功耗更低，且保密性更强，抗干扰能力也更好 。外接5V电源、时钟电路、复位电路单片机正常工作，P0端推挽输出需外接上拉电阻，运行时保持扫描外接传感器电路端口，根根命令驱动步进电机执行功能操作。下雨或者强风时步进电机动作回收衣物到避雨避风区，在扫描到传感器电路恢复为起始状态时，步进电机动作使衣物恢复晾晒状态。

2.2 传感器电路设计

电路要感知天气的变化情况，需要用到两种类型传感器设备，按照功能要求，传感器电路包括雨滴传感器电路、风力感应电路。为确保单片机掉电后能判断晾衣杆状态，可设计一个光敏传感器电路。

雨滴传感器电路可使用一个面积6×6cm2的短接感应板，板上两个触点，A触点串联10K电阻接到5V电源正极，同时也连接到电压比较器，B触电接电源负极。晴朗天气时，A触点电压高于电压比较器基准电压端，电压比较器输出高电平给单片机 。当感应到雨水时，板上的触点被短接，使电压比较器输出低电平。天气阴转晴时，短接感应板雨水被风干，A触电恢复到+5V，此时电压比较器输出高电平到单片机。

风力感应电路由三个半径2cm半球空心扇叶（扇叶间角度120°）、一个直流发电机、电流放大电路和电压比较电路构成。衣物正常晾晒状态下，若风力较小时，扇叶转动较慢，发电机输出电流较小，此时电压比较器输出低电平给单片机。当风力强度较大时，发电机输出电流通过放大电路进行电流放大，并把电流变化转换为电压变化送入电压比较电路，电压比较电路输出高电平到单片机。

光敏传感器电路中光敏电阻被最右边圆环带的遮光小板挡住时，阻值较大，通过电压比较器向单片机发送高电平信号，没被遮光小板挡住时通过电压比较器向单片机发出低电平。

2.3 电机驱动电路

考虑到单片机I/O最大驱动电流20mA，无法直接驱动选型的步进电机工作，可先用L298N驱动芯片进行电流放大，再送给高频大功率开关管2SC5706基极 。2SC5706能承受最高50V电压，最大工作电流5A，最大输出功率15W，响应频率50KHz，能满足单片机的脉冲响应频率要求。工作时，集电极电压24V，作为两相四线电机驱动芯片，能满足驱动步进电机正常工作的需要。

2.4 步进电机的选用

步进电机在电机应用上能更快速地改变状态与转速，根据普通家庭晾晒衣服的重量情况，选用一种市面上有售的大力矩混合式步进电机。电机两相四线，步距角1.8°，最大电流5A，输出力矩可达8N・m，满足晾衣杆速度与拉力要求。

3 控制程序设计

步进电机采用两相四拍工作方式 ：A-B- A'- B'-A-...... 。通过单片机P1.0-P1.5个端口控制，P1.4、P1.5控制L298N芯片使能端，把控制步进电机正反转的脉冲以十六进制数进行数组定义，例如正转：

unsigned char code Z_Rotation[8]={0x38，0x34，0x32，0x31}；

单片机上电后对端口进行初始化设置后，开始判断光敏传感器电路端口的电平状态，若为低电平则向电机驱动电路发送脉冲信号，并保持扫描该端口信号，直至扫描到该端口为高电平时停止发送脉冲信号，此时晾衣杆衣物处于晾晒状态。之后单片机开始扫描雨滴传感器电路和风力感应电路端口信号，若扫描到雨滴传感器端口为低电平，判断光敏传感器端口是否为低电平，是的话向驱动电路发送反转脉冲，并延时停止，衣物回收到避雨区，每隔10min扫描该端口状态，高电平时向驱动电路发送正转脉冲，延时停止。若单片机扫描风力感应电路端口信号为高电平延时30s再次判断，确定强风持续的时间超过30s，判断光敏传感器电路端口状态，若为高电平则向驱动电路发送反转脉冲。此后，单片机每隔10min扫描该端口信号，若扫描到端口为低电平，延时30s再次判断为低电平时，则向驱动电路发出正转脉冲，延时停止。从而实现晾衣架的智能控制。

参考文献

[1]黄超，刘婷，谢印庆.基于STC12C5A60S2多功能通信开发板设计[J].现代电子技术，2014，37（05）：152-155.

[2]孙传有，孙小斌.感测技术基础[M]北京：电子工业出版社，2006.

[3]高琴，刘淑聪，彭宏伟.步进电机控制系统的设计及应用[J].制造业自动化，2011，34（01）：150-152.

[4]孟武胜，李亮.基于AT89C52单片机的步进电机控制系统设计[J].微电机，2007，40（03）：64-66.

作者简介

林舜杰，男，广东省潮州市人。硕士学位。现为广东创新科技职业学院教师。

第7篇：步进电机驱动电路范文

步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。分散器件组成的环形脉冲分配器体积比较大，同时由于分散器件的延时，其可靠性大大降低；软件环形分配器要占用主机的运行时间，降低了速度；专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高、可靠性好，但其适应性受到限制，同时开发周期长、需求费用较高。通用阵列逻辑GAL(Generic Array Logic)是美国Lattice公司研制的一种电可擦除的可编程的新型PLD器件。近几年来，GAL以其高性能、高可靠性、可擦除及输出逻辑结构可组态等特性和100％的成品率，博得广大用户的信赖。它可以用来构成译码器、优先级编码器、多路开关、比较器、移位寄存器、计数器、总线仲裁器等。采用GAL器件对三相步进电机进行控制，不仅简化了系统的结构，降低了成本，而且编程灵活方便，提高了系统的可靠性，使系统具有更强的适应性。

1 三相六拍步进电机控制要求

矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。三相六拍比三相二拍的矩角特性好一倍，因此在很多情况下，三相步进电机采用三相六拍运行方式。三相步进电机工作在三相六拍运行方式时，每个状态的变化使电机转动1／6齿距，三相激励规律为A-AB-B-BC-C-CA共六拍，对应时序如图1所示。A、B、C分别代表接到三相步进电机A相、B相、C相绕组的驱动脉冲。

通常，步进电机的脉冲控制是由逻辑电路实现的。在计算机控制的系统中，也可以通过编制程序，由扩展I／O口输出脉冲来决定电机的运行方式、方向及转速。这种方式电路简单、控制灵活，但占用CPU的时间过多，每次驱动电机时，PC机都得被占用。本文采用可编程逻辑器件(PLD)中的GALl6V8设计逻辑电路。在此，选三个控制信号：(1)启动控制信号S，当S=1时为停止，S=0为启动；(2)正反转控制信号D，当D=1时电机正转，D=0时电机反转；(3)转速切换信号R和C，当R=0、C=0时，频率为fck；R=1、C=1时，频率为fck／2。步进电机的转速通常都是通过改变时序脉冲的频率来控制的，所以这里用频率来表示转速的改变。由于GAL器件所有触发器的时钟是连在一起的，不能同时引入两种以上频率的时钟，因此从改造组合逻辑部分人手，达到对电动机转速的二分频控制。同理也可以实现四相八拍、五相十拍、六项十二拍的步进电机控制，这就比专用的集成电路功能更强。

2 采用GAL控制脉冲分配的逻辑设计

若采用集成电路芯片来实现三相六拍步进电机的控制，所用器件较多，电路一般比较复杂。为了满足电机转速的二分频，在同一时钟频率控制下，必须利用一个D型触发器，通过C参与组合逻辑来实现。其逻辑电路如图2所示。CK为控制信号，三个D型触发器的输出O、P、Q分别接步进电机的三项绕组。根据步进电机驱动相数及控制要求，必须有相应于相数的延迟触发器保持现态与次态间的转换过程。对此，可利用GAL中八个输出逻辑宏单元中的三个来完成，电机的工作状态(O、P、Q)中的现态与控制信号(S、R、D)可通过GAL的与、或阵列组合逻辑来完成。

2．1 逻辑控制状态表

按照电机的激励规律，在时序脉冲作用下，时序电路的状态将在六个状态中循环，驱动电机运转。这里用a、b、c、d、e、f分别表示其六个状态，即a=100、b=110、c=010、d=011、e=001、f=101。根据逻辑电路图可得其状态表，如表1所示。

表1 逻辑控制状态表

         S

     RDC

现态10×000010100110101111aafbfbaabbecacbbccddbdccddceceddeebfdfeeffaaeaff表1中分频控制量R决定C的取值，即C=RC。当R=0时，电机按fck频率运行，当R=1时，C重复取0和1，电机按fck／2频率运行。

2．2 状态真值表

由表1可得状态真值表，如表2所示。表中O、P、Q状态是在时钟脉冲控制下变化的，在控制变量的控制下，决定电机的启动、转向和转速大小。

表2 状态真值表

OPQSRDCDoDpDq　OPQSRDCDoDpDq1000010110　01101100011100010011　00101110010110010001　00101101010110010001　10101111010010010101　10101101001010010100　10001011001000000101　10001001011010000001　10101011010010000011　10101000010110000010　00101010010100000110　00101000111100000100　01101010111000111100　01101000101000110110　01001010101100111110　01001001101100110010　11001011100100110010　11011001000100110011　×××1×××0000110111011

2．3 卡诺图

在卡诺图中，输入变量分两排表示，变量的取值次序按照循环码排列。这种排列方法使得卡诺图中几何上相邻的两个小方块所代表的最小项只有一个变量不同这正是利用卡诺图化简逻辑函数的基础。

对于多变量输入，使用卡诺图时要注意以下几点：

(1)按照"最少、最大"的原则(即圈数最少，圈内的最小项个数尽可能多)圈起所有取值为1的相邻相。

(2)卡诺图中四个角与两对边的各项也是相邻的，卡诺图里上、下或左右部分中对称的项也是相邻的。

(3)每圈一个矩形圈时，必须至少包含一个在其它圈中未出现过的最小项，否则出现重复而得不到最简式。 (4)每一个取值为"1"的小方块都可以被圈多次，但不能遗漏，最小圈可以只包含一个小方块，即不能简化。

以O为例，由状态真值表可得其卡诺图，如图3所示。根据圈数和最小项可得其逻辑表达式为：

同样，也可以求得P、Q的逻辑表达式

图3

3 GAL的软件设计

3．1 GAL器件选型及引脚变量分配

GAL器件有多种型号，根据设计的需要，同时从经济的角度考虑，选用GALl6V8来实现三相六拍步进电机的控制。

3．2 GAL源文件设计

根据控制要求和编程格式，对已得到的时序逻辑方程编写的源文件如下：

在实际输入时不需要加入，注释行以"；"开始。将上述源文件输入计算机，再对文件进行编译或汇编以生成JEDEC文件、引脚配置图、熔丝图等。用编程器对GAL器件进行编程，编程器在编程结束后还具有对编程芯片所有的存储单元进行自动检验的功能。

第8篇：步进电机驱动电路范文

关键词:恒转矩 斩波恒流 均匀细分 驱动电路

1、引言

步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置,它输出的角位移与输入的脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比,是一种输出与输入脉冲对应的增量驱动元件。该元件具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点,已经在当今工业上得到广泛的应用。但其步矩角较大,一般为1．5°～3°,满足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有效的方法。

本文在选择了合理的电流波形的基础上,提出了基于TSC87C51单片机控制的恒流细分驱动方案,其运行功耗小,可靠性高,通用性好,具有很强的实用性。

2、硬件设计要求及原理

2.1 设计要求

（1）供电电源:10V～40VDC容量0.03KVA。（2）输出电流:共分0.9A、1.2A、1.5A、1.8A、2.1A、2.4A、2.7A、3.0A8档可选,以配合不同电机使用。（3）驱动方式:恒相流PWM控制。（4）细分选择:整步、半步、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分的七种细分模式可选。（5）自动半电流:若上位机在半秒中内没有发出步进脉冲,驱动器自动进入节电的半电流运行模式。

2.2 电气接口要求

2.2.1 输入信号

脉冲信号输入:脉冲信号,5mA～12mA,高电平+5V电平,脉冲信号,最高频率为70KHz。方向信号输入:高、低电平,5mA～12mA,高电平+5V。脱机信号输入:高、低电平,5mA～12mA,高电平+5V。公共端输入:+5V电源。

2.2.2 输出信号

两相步进电机绕组接口:绕组A接:A+,A-;绕组B接:B+,B-。

2.3 硬件设计原理

系统采用TSC87C51单片机接收命令,并将输入命令进行综合处理,控制二相步进电机正反转、运行速度、单次运行线位移、以及启停等的控制;既可由键盘输入,也可通过与上位机的串行通信口由上位机设置。单片机主要功能是输出EEPROM中存储的细分电流控制信号进行D／A转换。根据转换精度的要求,本控制系统选用的是8位双通道的TCL7528转换器。

单片机接收的信号有上位机的命令信号、手动输入细分模式编码信号。输出信号有电流细分控制信号,步进电机运行控制信号。细分模式编码由拨码开关S1的1,2,3开关人工设定,共有8种细分模式可选,单片机P1口为细分模式编码输入I/O口。上位机的命令信号由单片机的中断INT0、INT1和P3.4接收。其中INT0与脉冲信号对应,INT1与方向信号对应,P3.4与脱机信号对应。单片机P0口输出8位数据是与细分电流相对应的。P0口8位数据输出给D/A转换器TLC7528数据输入端,对工作电流进行分割,以控制每级细分电流大小。

步进电机的运行控制信号由单片机P2口输出。命令信号输入电路由S2接线端子,光电耦合器、信号整形电路等组成。上位机命令信号由S2接线端输入,S2接线端子1、2、3、4分别与脱机信号、方向信号、脉冲信号、公共端对应。驱动器输入信号采用共阳极接线方式。输入信号电源正极接在公共端。输入控制信号接到对应信号端子上。控制信号低电平时,对应内部光耦导通,控制信号输入驱动器。脉冲信号下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲,并驱动电机运行一步。方向信号高电平和低电平控制电机两个转向,该端悬空,等效输入高电平。控制电机转向时,应确保方向信号领先脉冲信号至少10μS建立,可避免驱动器对脉冲错误响应。脱机信号高电平或悬空对应转子锁定状态,低电平对应转子自由状态（脱机状态）。电机绕组工作电流编码电路由拨码开关S1和电阻组成。电阻公共端接+5V。电机绕组工作电流有8种可选。工作电流设定电路为一串联电阻分压电路。串联电阻的一端接电源+5V,另一端接电源地,将+5V电压进行分压,对应8种工作电流。

D4是多路选择开关HEF4051BT。D4输出和串联电阻分压电路输出连接。D4的通道编码输入端A0、A1、A2与拨码开关S1的5,6,7开关相连。在人工选定工作电流后,D4将串联电阻分压电路的相应电压选人,并传送到D4输出端Z。D/A转换器D3由双通道的TCL7528构成。电流细分具体操作由D3来实现。D8、D9是双D触发器74HC74。触发器的输出信号与软件功能密切相关。电机的运行状态完全由触发器的输出信号决定。单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分别控制P-MOS场效应管Q1、Q2、Q4、Q3,而其反向信号/P2.0、/P2.1、/P2.2、/P2.3则分别控制N-MOS场效应管Q6、Q5、Q7、Q8。D7选用高电压、高电流的集成达林顿晶体管阵列,它的内部包含7个NPN达林顿对,为集电极开路的三极管结构。电平变换电路由八路三极管构成的电路组成。其功能是将触发器输出的控制信号变换为可以控制功率场效应管的信号。触发器Q端、/Q端共8个信号输出给达林顿晶体管阵列,再经电平变换电路变换后的输出信号,用于控制功率场效应管的栅极。场效应管功率输出电路由两个H桥电路组成,上桥臂由P-MOS场效应管组成,下桥臂由N-MOS功率场效应管组成。Q1、Q2、Q5、Q6组成一组H桥,控制步进电机A绕组,Q3、Q4、Q7、Q8组成另一组H桥,控制步进电机B绕组。

直流稳压电源电路由输入直流电源、稳压器LM317、稳压器7805组成。稳压器输出+12V电压、+5V电压。+5V电压供数字电路使用,+12V供电平转换电路使用,输入直流电源供电平转换电路以及场效应管功率输出电路使用。输出电流检测电路由A组、B组低通滤波器组成。

3、软件设计

步进电机细分驱动系统的软件主要由主控程序、细分驱动控制中断服务程序、细分控制查表子程序三部分组成,此节程序将不再详述。

4、结语

本文提出并实现的步进电机均匀细分驱动器,最高细分达到64,能适应大多数中小微型步进电机的可变细分控制、较高细分步距角精度、及平滑运行等要求。细分驱动器的系统功能完善,大量新型元器件的采用,使所设计的驱动器具有体积小、细分精度高、运行功耗低、可靠性高、可维护性强等特点。系统软件功能丰富,通用性强,从而使控制系统更加灵活,具有很高的推广价值和广阔的应用前景。

参考文献

第9篇：步进电机驱动电路范文

关健词：步进电机；Proteus软件；单片机；Keil uVision编程

中图分类号：TP399 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）05-0153-02

0引言

步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移的机电信号，它的机械角位移与输入的数字脉冲信号有着严格的对应关系：即一个脉冲信号可以使步进电动机前进一步。步进电动优点多，如可以直接实现数字控制，控制性能好，无摩擦，抗干扰能力强，误差不长期积累，具有自锁能力和保持转矩的能力。在数控机床、医疗器械、仪器仪表、机器人等设备中得到了广泛的应用。由于它是一种用脉冲控制的电机，利用单片机的四个8位可编程I/O口很容易实现对步进电机的控制。

1四相步进电机的控制原理

1.1 控制要求：①能对转速和步数进行控制；②可实现电机的正反转控制。

1.2 转速和步数的控制单四拍也叫一相励磁，特点是精度好，功耗小，但输出转矩小，振动较大。步距角等于电机标称的步距角；双四拍也叫二相励磁，特点是输出转矩大，振动小，但功耗大。步距角等于电机标称的步距角；除此之外还有一二相励磁，特点是分辨率高，运转平滑。步距角为电机标称的1/2。本文对双四拍进行介绍，步进电机的转速取决于输入的脉冲频率。从图1可以看出，当改变输入脉冲的周期时，ABCD四相绕组高低电平的宽度将发生变化。这就导致通电和断电变化的速率发生变化，使电机转速发生变化。所以调节输入脉冲的周期就可以控制步进电机的运动速度，改变脉冲数量就可以控制步数。

1.3 正、反转控制步进电机的正、反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向，四相双四拍步进电机通电顺序为AB―BC―CD―DA―AB……时电机正转；当绕组按AD―DC―CB―BA―AD……顺序通电时电机反转。如表1所示。

2以AT89C51芯片为核心的硬件设计

单片机AT89C51作为系统的主控单元，它接收外界按钮给出的控制信号，包括正反转、速度档位等信号，通过处理，由驱动器对步进电机进行控制。

2.1 输入、输出口控制使用P0口扩展方式，K1~K2为正反转控制按钮，K3~K8为从低至高转速控制。步进电机的输入输出都通过P0口进行连接。其中输入口采用74LS244，该集成是一种施密特触发的3态8位缓冲器，抗干扰能力强，一般用作总线驱动器和并行输入口。当它的19脚OE控制端为低电平时，输出等于输入（直通），当控制端接高电平时，输出呈高阻态。74LS244没有锁存的功能。地址锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上地址代码暂存起来，地址设为8200H；输出口采用74LS273，该集成是一种带清除功能的8D触发器，1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作数据锁存器,地址锁存器，第一脚WR：主清除端，低电平触发，即当为低电平时，芯片被清除，输出全为0（低电平）；CP（CLK）：触发端，上升沿触发，即当CP从低到高电平时，D0~D7的数据通过芯片，为0时将数据锁存，D0~D7的数据不变，地址设为8300H。

2.2 步进电机的驱动采用SGS公司的电动机驱动集成L298，该集成内部含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接通过电源来调节输出电压。

3利用PROTEUS设计电路图

3.1 Proteus软件特点Proteus功能强大，不单具有其它EDA的原理图、PCB布线和电路仿真功能，还有其它EDA无法相比的特点：①互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD等器件。②仿真处理器及其电路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues建立了完备的电子设计开发环境。它包括了智能原理图设计（ISIS）、完善的电路仿真（Prospice）、独特的单片机协同仿真功能（VSM）、实用的PCB设计平台四大功能。在Proteus绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件，可以在Proteus的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。由于Proteus提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表。随着科技的发展“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。

3.2 元件清单列表（表2）

3.3 电路图（图2）

4软件设计

编程的思路是：在P0.0~P0.3依次产生一个高电平的脉冲信号，并适当延时每个信号间的时间，就可以这实现对步进电机的转向和转速控制。程序分为两部分，一部分是按钮判断，另一部分是波形产生和输出。其中K1按钮控制步进电机正向转动，K2按钮控制步进电机正向转动，K3~ K8分别为步进电机六种速度开关。当K1或K2其中一个按钮按下，同时K3~K8之间只有一个按钮按下，步进电机才转动。否则步进电机停止。K1和K2同时按下，电机停止。程序流程图如图3。

5在Keil uVision下进行源程序编译与联调仿真

5.1 源程序编译在Keil集成开发环境下，它使用工程的方法来管理文件，所有的文件包括源源程序（如C程序、汇编程序）、头文件等都可以放在工程项目文件里统一管理，其创建的步骤是：

①新建立工程项目文件；②选择目标器件（ATMEL公司的AT89C51）；③设置软硬件调试环境；④创建源程序文件并输入程序代码；⑤将源程序文件添加到项目中。⑥调试并仿真。

5.2 联调及仿真在Proteus中，双击单片机AT89C51，打开其属性编辑框，在“Program File”栏中选取扩展名为“.HEX”的目标代码文件，并将其时钟频率改为12MHZ。再在在Proteus仿真界面中启动仿真，用鼠标单击电路图中的按钮，就可以看到步进电机的运转情况了。

6结束语

介绍了四相双四拍步进电机的工作原理，对步进电机的转速和方向进行了分析。并利用Proteus对步进电机控制运行进行了软件和硬件的设计，通过AT89C51，可以很方便地控制步进电机的转度和转向，仿真结果表明，系统具有器件简单，运行性能稳定的特点，达到比较满意的控制效果。

参考文献：

[1]朱清慧.Proteus教程.清华大学出版社,2008.