步進(jìn)電機驅(qū)動電路設(shè)計

1、課程設(shè)計說明書 第 頁步進(jìn)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(yīng)用。步進(jìn)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(jìn)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(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(yuǎn)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(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

2、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(yán)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(fù)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(fù)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

3、作用來實現(xiàn)向機械能能的轉(zhuǎn)換。介紹了步進(jìn)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(jìn)電機和直流電機各種運行方式的控制。實現(xiàn)步進(jìn)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(jìn)電機，單片機控制，AT89S52，L297，L298課程設(shè)計說明書 第 I頁目 錄1 步進(jìn)電動機 .11.1 步進(jìn)電機簡介.11.2 步進(jìn)電機分類.12 步進(jìn)電機工作原理 .221 步進(jìn)電機結(jié)構(gòu) .222 步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)方式 .23 設(shè)計原理.33.1 硬件電路組成.43.2

4、 步進(jìn)電機控制電路.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)電機驅(qū)動電路設(shè)計.44.1 驅(qū)動芯片 L297 .54.2 驅(qū)動芯片 L298 .54.3 鍵盤電路.74.4 顯示電路.75 步進(jìn)電機控制程序.8總 結(jié).12致 謝.13參考文獻(xiàn) .14課程設(shè)計說明書 第 0 頁1 步進(jìn)電動機1.1 步進(jìn)電機簡介步進(jìn)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(jìn)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(xué)的迅速發(fā)展和微型計算機的普及與應(yīng)用，為步進(jìn)電動機的應(yīng)用開辟了廣闊前景，使

5、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(jìn)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進(jìn)電機驅(qū)動器，并結(jié)合 51 單片機進(jìn)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(jìn)電機驅(qū)動電路。圖 1 步進(jìn)電機步進(jìn)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(jìn)電動機前進(jìn)一步，故又稱脈沖電動機。步進(jìn)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(jìn)電動機的驅(qū)動電源由變頻脈沖信號

6、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。步進(jìn)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(jìn)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(jìn)電動機帶動負(fù)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”。 課程設(shè)計說明書 第 1 頁1.2 步進(jìn)電機分類步進(jìn)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(jìn)電動機機電式步進(jìn)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

7、，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)電動機磁電式步進(jìn)電動機主要有永磁式、反應(yīng)式和永磁感應(yīng)子式 3 種形式。永磁式步進(jìn)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(jìn)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(jìn)電動機有反應(yīng)式和索耶式兩類。索耶式直線步進(jìn)電動機由靜止部分（稱為反應(yīng)板）和移動部分(稱動子)組成。反應(yīng)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

8、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(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(dá)幾十微米。課程設(shè)計說明書 第 2 頁2 步進(jìn)電機工作原理21 步進(jìn)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

9、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 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(jìn)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(yīng)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，

10、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 ，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、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(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系，而課程設(shè)計說明書 第 3 頁方向由導(dǎo)電順序決定。如圖 3。 圖 3 步進(jìn)電機運轉(zhuǎn)順序圖不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及

11、減少角度等方面考慮。往往采用 A-AB-B-BCC-CA-A 這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3 改變?yōu)?1/6 。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3 變?yōu)?1/12 ，1/24 ，這就是電機細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(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(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制這是步進(jìn)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(jìn)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。 課程設(shè)計說明書 第 4 頁3 設(shè)計原理由于步進(jìn)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，

12、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)電機控制驅(qū)動器。典型步進(jìn)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(jìn)電機驅(qū)動電源的各項輸人端，以驅(qū)動步進(jìn)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(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動步進(jìn)電機目的。圖 4 典型步進(jìn)電機控制系統(tǒng)3.1

13、 硬件電路組成文中所控制的步進(jìn)電機是四相單極式減速步進(jìn)電動機。本文所設(shè)計的步進(jìn)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(jìn)電機控制驅(qū)動器的框圖3.2 步進(jìn)電機控制電路 本系統(tǒng)的控制電路采用單片機 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 單片機芯片有 T0(

14、P3.4)和 T1(P3.5)兩個輸入引課程設(shè)計說明書 第 5 頁腳，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 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。課程設(shè)計說明書 第 6 頁4 步進(jìn)電機驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路由 L297 和 L298

15、 芯片組成。L297 是步進(jìn)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(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(jìn)電機，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式 控制步進(jìn)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(jìn)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

16、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 引腳圖課程設(shè)計說明書 第 7 頁4.2 驅(qū)動芯片 L298L298N 為 SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)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(jìn)電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動 2 個二相或 1 個四相步進(jìn)電機，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)

17、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(fù)載的電路； OUTl、OUT2 和 OUT3、OUT4 之間分別接 2 個步進(jìn)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 引腳圖課程設(shè)計說明書 第 8 頁設(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

18、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(dāng) VT2 和 VT3 導(dǎo)通時，電流由負(fù)極進(jìn)入電機，電機反向運轉(zhuǎn)。當(dāng) VT1 和 VT3 或 VT2 和 VT4 同時導(dǎo)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(hù)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4.3 鍵盤電

19、路本系統(tǒng)采用了 44 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(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的接口電路課程設(shè)計說明書 第 9 頁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

20、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)電機顯示電路課程設(shè)計說明書 第 10 頁5 步進(jìn)電機控制程序步進(jìn)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(jìn)電機轉(zhuǎn)動，以達(dá)到控制轉(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)可以用寄存器 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 F

21、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(jìn)電機驅(qū)動程序編寫：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課程設(shè)計說明書 第 11 頁 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

22、JNB P2.3,JIAN ;減速 JNB P2.4,TIN ;停 RETIZHENG: MOV R2,#1 ;正轉(zhuǎn) MOV DPTR,CHA 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課程設(shè)計說明書 第 12 頁

23、 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,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,YIA

24、1 CJNE R4,#0,YIA2 CPL P0.0 CPL P0.1 CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2 CPL P0.0 CPL P0.2 CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2 LJMP FAN1JIA: MOV R3,#1 ;加速課程設(shè)計說明書 第 13 頁 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課程設(shè)計說明書 第 14 頁總 結(jié)本設(shè)計是以 AT89C51、步進(jìn)電機驅(qū)動模塊 L298 為核心的步進(jìn)電機控制電路系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了相應(yīng)