步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電動機(jī)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(jī)床、組合機(jī)床、機(jī)器人、計算機(jī)外圍設(shè)備、照相機(jī),投影儀、數(shù)碼攝像機(jī)、大型望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)、醫(yī)療器件以及各種可控機(jī)械工具等等。直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于計算機(jī)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(jī)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(jī)中。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機(jī)的勵磁機(jī)、蓄電池的充電機(jī)等，都是直流發(fā)電機(jī)；鍋爐給粉機(jī)的原動機(jī)是直流電動機(jī)。此外，在許多工業(yè)部門，例如大型軋鋼設(shè)備、大型精密機(jī)床、礦井卷揚(yáng)機(jī)、市內(nèi)電車、電纜設(shè)備要求嚴(yán)格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動機(jī)作為原動機(jī)來拖開工作機(jī)械的。直流發(fā)電機(jī)通常是作為直流電源，向負(fù)載輸出電能；直流電動機(jī)那么是作為原動機(jī)帶動各種生產(chǎn)機(jī)械工作，向負(fù)載輸出機(jī)械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)還有其它的用途，例如測速電機(jī)、伺服電機(jī)等。他們都是利用電和磁的相互作用來實現(xiàn)向機(jī)械能能的轉(zhuǎn)換。介紹了步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)原理及其驅(qū)動程序控制控制模塊，通過AT89S52單片機(jī)及脈沖分配器(又稱邏輯轉(zhuǎn)換器)L298完成步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)各種運行方式的控制。實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)，單片機(jī)控制，AT89S52，L297，L298

目錄TOC\o"1-3"\u1步進(jìn)電動機(jī)11.1步進(jìn)電機(jī)簡介11.2步進(jìn)電機(jī)分類12步進(jìn)電機(jī)工作原理22．1步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)22．2步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式23設(shè)計原理33.1硬件電路組成43.2步進(jìn)電機(jī)控制電路43.2.1計數(shù)器工作模式43.2.2定時器工作模式44步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)控制程序8總結(jié)12致謝13參考文獻(xiàn)141步進(jìn)電動機(jī)1.1步進(jìn)電機(jī)簡介步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jī)和計算機(jī)外圍設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。微電子學(xué)的迅速開展和微型計算機(jī)的普及與應(yīng)用，為步進(jìn)電動機(jī)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(fù)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，可靠性及多功能性’市場上有很多現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)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進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，并結(jié)合51單片機(jī)進(jìn)行控制，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(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。圖1步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)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(jī)。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(jìn)電動機(jī)前進(jìn)一步，故又稱脈沖電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)多用于數(shù)字式計算機(jī)的外部設(shè)備，以及打印機(jī)、繪圖機(jī)和磁盤等裝置。步進(jìn)電動機(jī)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(jī)繞組提供脈沖電流。步進(jìn)電動機(jī)的運行性能決定于電機(jī)與驅(qū)動電源間的良好配合。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電動機(jī)帶動負(fù)載慣量的能力大，適用于中小型機(jī)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(jìn)電機(jī)分類步進(jìn)電動機(jī)分為機(jī)電式、磁電式及直線式三種根本類型。1、機(jī)電式步進(jìn)電動機(jī)機(jī)電式步進(jìn)電動機(jī)由鐵心、線圈、齒輪機(jī)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(jī)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(jìn)行步進(jìn)運動。2、磁電式步進(jìn)電動機(jī)磁電式步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)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，被鼓勵相的順序決定了轉(zhuǎn)子運動方向。永磁式步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)有反響式和索耶式兩類。索耶式直線步進(jìn)電動機(jī)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(jī)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(jī)械摩擦,使電機(jī)運行平穩(wěn)并提高定位精度。這種電機(jī)的最高移動速度可達(dá)1.5米/秒，加速度可達(dá)2g,定位精度可達(dá)20多微米。由兩臺索耶式直線步進(jìn)電動機(jī)相互垂直組裝就構(gòu)成平面電動機(jī)。給x方向和y方向兩臺電機(jī)以不同組合的控制電流，就可以使電機(jī)在平面內(nèi)做任意幾何軌跡的運動。大型自動繪圖機(jī)就是把計算機(jī)和平面電動機(jī)組合在一起的新型設(shè)備。平面電動機(jī)也可用于激光剪裁系統(tǒng)，其控制精度和分辨力可達(dá)幾十微米。2步進(jìn)電機(jī)工作原理2．1步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)電機(jī)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て、2/3て,〔相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示〕，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て，C與齒3向右錯開2/3て，A'與齒5相對齊，〔A'就是A，齒5就是齒1〕，如圖2。2．2步進(jìn)電機(jī)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(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移〔て-1/3て〕=2/3て。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て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。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て，這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4〔即齒1前一齒〕移到A相，電機(jī)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(jī)就每步〔每脈沖〕1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)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(dǎo)電順序決定。如圖3。圖3步進(jìn)電機(jī)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-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的根本理論依據(jù)。所以電機(jī)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(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)，出于本錢等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。

3設(shè)計原理由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器。典型步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的各項輸人端，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機(jī)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(jìn)行放大，以到達(dá)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)目的。圖4典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)3.1硬件電路組成文中所控制的步進(jìn)電機(jī)是四相單極式減速步進(jìn)電動機(jī)。本文所設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器的框圖如圖5所示。它由51單片機(jī)、集成芯片L297和L298組成。圖5步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器的框圖3.2步進(jìn)電機(jī)控制電路本系統(tǒng)的控制電路采用單片機(jī)MCS-51進(jìn)行控制。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(jìn)行計數(shù)、產(chǎn)生精確的定時時間等。MCS-51單片機(jī)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(jìn)行計數(shù)51單片機(jī)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(dāng)計數(shù)器的輸入引腳的脈沖發(fā)生負(fù)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(jī)的內(nèi)部，即每個機(jī)器周期產(chǎn)生1個計數(shù)脈沖，也就是每經(jīng)過1個機(jī)器周期的時間，計數(shù)器加1。如果MCS-51采用12Hz晶體，那么計數(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(jìn)電機(jī)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(jìn)電動機(jī)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(jī)的負(fù)擔(dān)。另外，4056和4057都是獨立的芯片，所以應(yīng)用是十分靈活的。4.1驅(qū)動芯片L297L297是步進(jìn)電機(jī)專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號，可用于計算機(jī)控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī)，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。芯片內(nèi)的PWM斬波器電路可開關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電機(jī)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6L297圖7L297引腳圖4.2驅(qū)動芯片L298L298N為SGS-THOMSONMicroelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片(DualFull-BridgeDriver)，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(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1個四相步進(jìn)電機(jī)，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(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，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(jī)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(jī)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(fù)載的電路；OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個步進(jìn)電機(jī)；input1~input4輸入控制電位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；Enable那么控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。圖8驅(qū)動芯片L298圖9驅(qū)動芯片L298引腳圖設(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(dǎo)通。當(dāng)VT1和VT4導(dǎo)通，VT2和VT3截止時，電流由正電流經(jīng)VT1，從電機(jī)正極流入電機(jī)，再經(jīng)由VT4流入，此時電機(jī)正向運轉(zhuǎn)。同樣當(dāng)VT2和VT3導(dǎo)通時，電流由負(fù)極進(jìn)入電機(jī)，電機(jī)反向運轉(zhuǎn)。當(dāng)VT1和VT3或VT2和VT4同時導(dǎo)通時，電機(jī)處于制動〔剎車〕狀態(tài)。電路中二極管主要起續(xù)流保護(hù)作用，由于電機(jī)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。圖10L298N內(nèi)部H橋驅(qū)動電路的工作原理圖4.3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(jī)的接口電路如圖11所示，H0-H3為行線，接單片機(jī)P2口的高4位，L0-L3為列線，接單片機(jī)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(jī)的外部中斷0引腳P3.2口。當(dāng)有鍵按下時，將產(chǎn)生中斷，在中斷程序里對按鍵進(jìn)行掃描，得到按鍵的鍵值。圖11行列式鍵盤與單片機(jī)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I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時，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(jìn)電機(jī)顯示電路

5步進(jìn)電機(jī)控制程序步進(jìn)電機(jī)控制程序就是完成環(huán)形分配器的任務(wù)，從而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，以到達(dá)控制轉(zhuǎn)動角度和位移之目的。首先要進(jìn)行旋轉(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(jìn)行計數(shù)?？刂颇Ｐ涂梢砸粤⒓磾?shù)的形式一一給出?？刂茦?biāo)志單元FLAG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(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序編寫：D0EQU0D2EQU2ORG0000HSTART:LJMPMAINORG0003HLJMPINT0ORG0100HMAIN:MOVP2,#00H;等待信號MOVP0,#FFHMOVR2,#0MOVR3,#0MOVR4,#0CLRIT0SETBEASETBEX0LJMPMAININT0:JNBP2.0,ZHENG;正轉(zhuǎn)JNBP2.1,FAN;反轉(zhuǎn)JNBP2.2,JIA;加速JNBP2.3,JIAN;減速JNBP2.4,TIN;停RETIZHENG:MOVR2,#1;正轉(zhuǎn)MOVDPTR,CHAMOVA,D0MOVCA,@A+DPTRMOVP0,AACALLYAN0ACALLYAN0ACALLYAN0LJMPZHENGFAN:MOVR2,#0;反轉(zhuǎn)MOVDPTR,CHAMOVA,D2MOVCA,@A+DPTRMOVP0,AACALLYAN0ACALLYAN0LJMPFANZHENG1:MOVDPTR,CHA;加減速正轉(zhuǎn)MOVA,D0MOVCA,@A+DPTRMOVP0,ACJNER3,#0,YIA1CJNER4,#0,YIA2CJNER3,#0,YIA1CJNER4,#0,YIA2CJNER3,#0,YIA1CJNER4,#0,YIA2LJMPZHENGFAN1:MOVDPTR,CHA;加減速反轉(zhuǎn)MOVA,D2MOVCA,@A+DPTRMOVP0,ACJNER3,#0,YIA1CJNER4,#0,YIA2CJNER3,#0,YIA1CJNER4,#0,YIA2CJNER3,#0,YIA1CJNER4,#0,YIA2LJMPFAN1JIA:MOVR3,#1;加速MOVR4,#0CJNER2,#0,ZHENG1LCALLFANJIAN:MOVR4,#1;減速MOVR3,#0CJNER2,#0,ZHENGLCALLFANTIN:LCALLMAIN;停YAN0:MOVR0,#25LOOP00:MOVR1,#100LOOP01:DJNZR1,LOOP01DJNZR0,LOOP00RETYAN1:MOVR0,#20LOOP10:MOVR1,#100LOOP11:DJNZR1,LOOP11DJNZR0,LOOP10RETYAN2:MOVR0,#30LOOP20:MOVR1,#100LOOP21:DJNZR1,LOOP21DJNZR0,LOOP20CHA:DB03H,06H,05HEND總結(jié)本設(shè)計是以AT89C51、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊L298為核心的步進(jìn)電