文理学院芙蓉学院课程设计报告
课程名称：专业综合课程设计
专业班级：自动化1001班学号：40 学生：志航
指导教师：建英
完成时间： 2013年 6月13 日
报告成绩：
芙蓉学院教学工作部制
摘要
本文先介绍了混合式步进电机的结构和工作原理，分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用，论述了正弦波细分驱动可以实现等步距角、等力矩均匀细分驱动的原理，提出了一种基于H桥和其他分立元件分配脉冲的驱动技术，该方案可实现步进电机的单拍、半拍、双拍三种工作方式。本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、液晶显示电路组成，单片机是控制系统的核心。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍。
关键词：单片机；正弦脉宽调制；混合式步进电机；细分驱动
Abstract
In this paper, the working principle and configuration of three-phase hybrid Stepper are introduced, then based on technologies such as stepper motor controller, PWM inverter and microcontroller. In the thesis, we develop a single chip computer -based digital controlling system for a three-phase hybrid stepper motor that is mainly constructed from a AT89C51 single chip computer and ST7920IC which is used as the core of control parts. The system's whole architecture, the design of hardware and software are introduced in detail.
KEY WORDS: Microcontroller，SPWM，Hybrid stepper motor，Micro-stepping driver
目录
一、绪论 (1)
1.1 步进电机概述 (1)
1.2 步进电机的特征 (1)
1.3 步进电机驱动系统概述 (2)
1.4 课题研究的主要容 (3)
二步进电机驱动系统的方案论证 (4)
2.1 步进电机驱动系统简介 (4)
2.2 步进电机驱动器的特点 (4)
2.3 混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较 (5)
2.3.1 双极性驱动器与单极性驱动器 (5)
2.3.2 单电压驱动方式 (7)
2.3.3 高低压驱动方式 (8)
2.3.4 斩波恒流驱动 (9)
2.4 方案的确定 (9)
三混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计 (10)
3.1单片机最小系统 (10)
3.2 红外遥控电路 (11)
3.2.1 红外发射电路 (11)
3.2.2 红外接收电路 (13)
3.3 LCD显示电路 (13)
3.4 双机通讯 (14)
3.5 步进电机驱动部分 (15)
3.5.1 单极性步进电机驱动 (15)
3.5.2 双极性步进电机驱动 (16)
3.6 电源电路 (17)
四软件设计 (18)
4.1 主机LCD显示菜单程序 (18)
4.2 双机通讯程序 (19)
4.3 下位机步进电机驱动程序 (20)
五驱动器试验结果 (22)
5.1 概述 (22)
5.2 试验容和结论 (22)
六总结 (24)
七致 (24)
八参考文献 (25)
九附录 (26)
题目名
步进电机驱动及控制电路的设计
一、绪论
1.1 步进电机概述
步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多；输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。步进电机种类，根据自身的结构不同，可分为常用三大类:反应式(VR，也称磁阻式)、永磁式(PM)，混合式(HB)。其中混合式步进电机兼有反应式和永磁式的优点，它的应用越来越广泛。
1.2 步进电机的特征
步进电机具有自身的特点，归纳起来有：
（1）位置及速度控制简便：
步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活的角度控制(位置控制)。因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可在相当宽围平滑调节。
（2）可以直接进行开环控制：
因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。
（3）高可靠性：
不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。
1.3 步进电机驱动系统概述
步进电机的工作必须使用专用设备—步进电机驱动器。驱动器针对每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电(励磁)，以产生必要的转矩，驱动转子运动。步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的3大部分。步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器性能的优劣。当电机和负载己经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法。步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动等.
(1) 单电压驱动：主要特点是结构简单、成本低，通常在绕组回路中串接电阻，以改善电路的时间常数来提高电机的高频特性。缺点是串接电阻将产生大量的热，对驱动器的正常工作极其不利，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。
(2) 高低压驱动：电机每相绕组导通时，首先施加高电压，使电流快速上升，当电流上升到额定值时，将高电压切断，回路电流以低电压电源维持。这种方式由于电流波形得到了很大改善，电机的矩频特性较好，起动和运行频率得到了较大提高。但由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响易使电流波形的顶部呈凹形，致使电机的输出转矩有所下降且需要双电源供电。
(3) 斩波恒流驱动：为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，人们研制出斩波电路，采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而斩波恒流驱动应用相当广泛。
1.4 课题研究的主要容
本课题以设计一套基于单片机和步进电机细分控制技术的步进电机驱动器为主要目标，主要容有：
(1) 采用正弦脉宽调制技术、电流跟踪技术和细分技术实现对电机相电流的控制，以克服传统驱动技术下步进电机低速振动、存在共振现象、噪音大、高速转矩小等缺点。
(2) 用开关电源为驱动器部电路供电，减小驱动器的体积和重量，提高电源效率。
(3) 驱动器的采用分立元件组成单电压驱动来驱动单极性步进电机用H桥驱动双极性步进电机，因此只用一路电源，使系统设计极为简化。
(4) 控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM 存储器及液晶显示芯片ST7920，单片机是控制系统的核心。采用了单排6键的键盘、液晶显示芯片ST7920，该芯片能自动完成对显示的刷新，自带有中文字库，使用非常方便。双机通讯电路，该电路能大大节省主机CPU的开销，提高了可靠性和电路的工作效率。
二步进电机驱动系统的方案论证
2.1 步进电机驱动系统简介
步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备—步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。
2.2 步进电机驱动器的特点
步进电机的驱动特点主要体现在以下几个方面：
(1) 各相绕组都是开关工作。多数电机绕组都是连续的交流或直流供电，而步进电机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是断续的。
(2) 步进电机各相绕组都是在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电
时，电流上升受到限制，因此影响电机绕组电流的大小。
(3) 绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。绕组导通和截止过程都会产生较大的反电势，而截止时的反电势将对驱动器功率器件的安全产生十分有害的影响，使整个系统的使用受到影响。
(4) 电机运行时在各相绕组中将产生旋转电势，这些电势的方向和大小将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电机输出转矩随着转速升高而下降。
2.3 混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较
与反应式和永磁式相比，混合式步进电机运行特性具有很多优点，在国外已是步进电机系列的主流。混合式步进电机的驱动技术在发展和成熟的过程中出现过各种各样的驱动电路拓扑结构和驱动方式。根据主电路结构的不同可分为单极性驱动、双极性驱动、全H桥和多相桥驱动；根据驱动方式的不同又可分为单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动、电流细分驱动等。
2.3.1 双极性驱动器与单极性驱动器
混合式步进电机要求双极性供电，也就是要求电机励磁绕组有时通正向电流，有时通反向电流。在步进电机发展的初期，电子技术发展水平有限，为了简化驱动电路，采用单极性电路。将电机绕组采取双线并绕，一相绕组分成二相，其中之二正向通电，另一则反向通电，这样可单极性供电而达到正、反向励磁的目的(图1)。最简单的两相电机单极性驱动电路，只要用四个功率开关管，结构简单，成本低，电机的绕组在同一时间只能有一半通电，因此绕组的电感小，有利于电机的高速性能；缺点是每次只使用了绕组的一半，中低速运行时转矩不如整个绕组励磁的电机。而且电机引线过多，两相电机需要六个引出端，三相电机需要9个引出端，五相电机则需要15个引出端，使得单极性驱动器与三、五相电机之间连线太复杂，因此仅用于两相混合式步进电机。
图1 单极性驱动电路
随着电子技术的发展，电子元器件价格的降低，双极性驱动电路的实现变得容易，成本也增加不多，因此现在绝大多数混合式步进电机使用双极性驱动。对电机绕组双向供电的典型结构是H桥式电路，如图2所示。当开关管T1，T4导通、T2，T3截止时，电流经T1、电机绕组和T4到地；Tl，T4截止、T2，T3导通时，电流经T3、电机绕组和T2到地；可见电流方向相反。Dl，D2，D3和D4四个二极管组成续流回路。电机每一相绕组需四只开关管驱动，驱动器成本比较高。电机的相数增多时，H桥式电路需要功率管数多的缺点较为突出，例如五相电机就需要20只功率管。
图2 H桥驱动电路
多相桥式电路，也叫多相半桥电路，这种电路比H桥减少了一半的晶体管，降低了驱动器的成本、体积和发热。采用多相桥式电路时，电机相绕组间通常为星形或多
边形联接，图3是三相混合式步进电机绕组二种联接的例子。星形接法时，二相绕组串联起来一起跨接到功放电源上，每相绕组的端电压大约只有功放级电压的一半，因此系统运行的高频特性和动态性能，比用H 桥式驱动电路时低。如果想要获得与H 桥驱动相近的性能，则绕组的匝数应减半或加倍相绕组的电压。电机绕组为三角形联接时，功放桥的电压直接加到每一相绕组上，相绕组的电压较高，高频运行及动态响应比星形接法时好，与H 桥驱动时相接近。但由于二相绕组的电流同时流经一个功率管，每个开关管的电流最大时约为相电流的二倍，即为H 桥驱动或星型接法驱动时的二倍。这两种接法共同的特点在于，电机三相电流不是独立可调的，根据基尔霍夫定理，电机三相电流必须满足一个约束方程：
0=++c b a I I I
图3 三相电机多相桥驱动的三角形和星形接法
2.3.2 单电压驱动方式
单电压驱动方式是指步进电机绕组上加上恒定的电压V ，这种驱动方式的电路相当简单，流经绕组中的电流以时间常数L/R(L 为绕组的电感，R 为绕组的电阻)上升，直到达到额定电流I=V/R 。当电机高速运行时，流经绕组的电流还未上升到额定电流就被关断，相应的平均电流减少而导致输出转矩下降。为改善高速运行的电机转矩特性，通常在连接电机绕组的线路中串联一个无感电阻来减少电气时间常数，同时成比例的增加电源电压以保持额定电流不变(图4)。单电压驱动电路的优点是电路结构简单、元件少、成本低、可靠性高。缺点是串入电阻将加大功耗，降低功放电路的功率，必须具备相应的散热条件才能保证电路稳定可靠的工作。所以这种电路一般仅适合于驱动小功率步进电机或对步进电机运行性能要求不高的情况。
图4 单电压驱动
2.3.3 高低压驱动方式
为了改善驱动器的高频特性，就必须提高导通电流的前沿，即提高电源电压，但是电压提高的同时也会使相绕组电流增大，必须加限制电阻，加入电阻后又会引起发热，加剧功率的损耗，降低效率。为了解决这些问题，又产生了高低压驱动电路。高低压驱动的设计思想是不论电动机的工作频率如何，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。高低压驱动的原理线路如图5所示。
图5 高低压驱动电路原理图图6 斩波驱动电路原理图
高低压驱动可保证在很宽的频段绕组都有较大的平均电流，在截止时又能迅速释放，能够产生较大的且较稳定的电磁转矩。其优点是：功耗小，启动转矩大，高频性能较好。但是也存在着低频振荡加剧，波形呈凹形，驱动电源和大功率管数量加倍，成本上升的缺点。
2.3.4 斩波恒流驱动
恒流斩波驱动控制技术是目前步进电机控制的主流技术之一，斩波电路的出现是为了弥补高低压驱动电路波形呈凹形的缺陷，使电机的输出转矩的平均值基本恒定。同时电机的高频响应得以提高，共振现象减弱。其电路结构如图6所示。
斩波驱动中，虽然电路较复杂，但是由于驱动电压较高，电机绕组回路又没有串入电阻，整个系统功耗下降很多，所以电流上升快。当达到所需要的电流时，由于取样电阻的反馈作用，使绕组电流基本恒定，从而保证在很大的频率围电动机的输出转矩基本恒定。而输出转矩是步进电机的一个重要性能指标，当我们使电机的绕组电流恒定在一个较高的数值时，就可提升电机的输出转矩。因此，为克服步进电机在高频时牵出转矩下降的问题，很多文献提出了一些新的恒流斩波驱动设计。但是，恒流斩波技术不能解决步进电机本身所固有的低频振动问题，无法克服步进电机因受步距角限制而不能实现多种步距角控制的缺陷。只有与单拍和双拍运行时相对应的两种步距角。
2.4 方案的确定
对比上面的各种方案方案，各有各自的优缺点。电流滞环型由于不需要三角载波环节，控制系统实现起来比较简单。而固定开关频率型在电磁噪声和输出电流谐波方面具有优势。在实际的步进电机驱动电路中考虑到成本和驱动电路精度要求的问题，双极性步进电机采用H桥驱动，单极性步进电机采用分立元件构成的驱动电路驱动。
三混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计
本章在以上章节的理论分析基础上，充分从实践的角度出发，主要介绍了该混合式步进电机驱动器的硬件设计部分，对硬件电路的总体设计方案及每个主要组成部分
的功能及实现方法进行了详细的论述和分析。系统的框图如图7所示：
主机遥控器液晶显
示
从机步进电
机
图7 系统框图
3.1单片机最小系统
高单片机集成度高，具有丰富的部资源，再加上少量的外围扩展电路就可以构成体积小、可靠性、控制功能强且性价比高的控制系统。Intel公司一直致力于单片机的开发研究，不断推出了许多功能更多，使用更方便的单片机系列，1980年在MCS-48的基础之上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。与MCS-48系列相比，MCS-51系列单片机有更高的集成度，更丰富的指令系统，更好的可扩展性，以后好多系列的的单片机都是基于51核的。8051单片机是MCS-51系列单片机中最基础的单片机型号，广泛应用己各个工程领域。本系统便采用了此款单片机。图8给出了它的最小系统电路图。
图8单片机最小系统
3.2 红外遥控电路
红外线属于不可见光。与可见光不同，其波长为850-11000nm，是人眼看不见的光线。红外线遥控器已被广泛使用在各种类型的家电产品上，它的出现给使用电器提供了很多的便利。红外遥控系统一般由红外发射装置和红外接收设备两大部分组成。
3.2.1 红外发射电路
红外发射装置可由键盘电路、红外编码芯片、电源和红外发射电路组成。该电路采用调幅方式，载波信号频率采用最常用的38KHZ。当编码调制信号为高时，有载波信号输出；但编码调制信号为低时，载波信号不输出。已调制的信号为断续的等幅信号（调制载波信号），信号波形如图9所示。
图9 信号波形图
调制信号时将指令编码后输出的信号。用MC145026做编码器。电路原理图如图10所示：
被74LS147编码为4线BCD码（8-4-2-1），再送MC145026，形成串行编码信号输出到NE555，产生调制、载波输出。图中R1，C2和电位器D1配合NE555产生38KHZ的载波信号。MC145026发送串行编码脉冲。MC145026的引脚A1-A5为地址输入端，每一位都可设定为0，1和“开路”3个状态。图中仅采用了0和“开路”这两个状态，MC145026的地址设置应与解码器MC145027配对，否则不能解码。
红外发射电路板用4节5号电池供电。红外发射电路板到接收器（在主板上）的距离应在10m以，以保证信号的可靠收/发。
3.2.2 红外接收电路
红外接收设备可由红外接收电路、红外解码芯片、电源和应用电路组成。接收振荡频率应与发射振荡频率相同。考虑到用集成电路（HS0038A2）做红外接收头，其载波频率为38KHZ。与MC145026编码器配套的解码器为MC145027。接收电路原理图如图11所示：
图11 遥控器接收电路
图中HS0038A2是集成红外接收头。因为它的输出信号与解码器的输入信号反向，故加三极管Q1作为反相器。当MC145027收到信号并解码成功后，其VT端出现高电平，同时输出解码后的4位数据（HD0-HD3）。将VT信号反向，即可产生中断信号（INT0），向CPU申请中断。在中断服务子程序中安排从输入端口读取这4位数据（HD0-HD3）。
3.3 LCD显示电路
ST7920是矽创电子公司生产的中文图形控制芯片，它是一种置128×64－12汉字图形点阵的液晶显示控制模块，用于显示汉字及图形。该芯片共置8192个中文汉字（16×16点阵）、128个字符的ASCII字符库（8×16点阵）及64×256点阵显示RAM（GDRAM）。
为了能够简单、有效地显示汉字和图形，该模块部设计有2MB的中文字型CGROM 和64×256点阵的GDRAM绘图区域；同时，该模块还提供有4组可编程控制的16×
16点阵造字空间；除此之外，为了适应多种微处理器和单片机接口的需要，该模块还提供了4位并行、8位并行、2线串行以及3线串行等多种接口方式。
利用上述功能可方便地实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示，所有这些功能（包括显示RAM、字符产生器以及液晶驱动电路和控制器）都包含在集成电路芯片里，因此，只要一个最基本的微处理系统就可以通过ST7920芯片来控制其它的芯片。ST7920的主要技术参数和显示特性如下：
电源：VDD (－2.7～＋5.5V)＋5V(置升压电路，一般无需负压)；
功耗：正常模式：450μＡ，睡眠模式：3μA，低功耗模式：30μA；
显示容：128列× 64行；
显示颜色：黄绿；
显示角度：6：00钟直视；
LCD类型：STN；
与MCU接口：8位并行／3位串行；
配置有LED背光显示功能；
带有自动启动复位按钮(reset)；
软件功能设置：画面清除、光标显示／隐藏、光标归位、显示打开／关闭、显示字符闪烁、光标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示、液晶睡眠／唤醒、关闭显示、自定义字符、睡眠模式等。
原理图如图12所示：
图12显示电路原理图
3.4 双机通讯
在计算机冗余控制和分布式测控系统中，主要采用串行通信方式进行数据传输。8051单片机自备串行接口，为机间通信提供了极为便利的条件。
双击通信也称为点对点的通信，用于双机冗余控制单片机和单片机之间交换信息，也用于单片机和通用微机间的信息交流。
在本设计中由于液晶显示占用了80C51的大量资源，考虑到端口扩展与存储器扩展的成本问题，采用双机通信既方便又实惠。
硬件电路原理图如图13所示：
图13 双机通讯电路原理图
3.5 步进电机驱动部分
3.5.1 单极性步进电机驱动
单极性步进电机单相驱动电路原理图如图14所示：
图14 单极性步进电机驱动电路
AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4~P1.7输出，经74LS14反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一相绕组。AT89C2051选用频率12MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。
图3中的RL1~RL4为绕组阻，50Ω电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。D1~D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管（D1~D4）而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。
在50Ω外接电阻上并联一个200μF电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200Ω电阻可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。
3.5.2 双极性步进电机驱动
单相驱动电路如图15所示：
图15双极性步进电机驱动电路
图中A0.A3为一对控制线圈电流的一个方向，A2.A4 为一对控制线圈电流的另一个方向。
3.6 电源电路
LM2575系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。
LM2575系列开关稳压集成电路的主要特性如下：
●最大输出电流：3A；
●最高输入电压：LM2575为40V，LM2575HV为60V；
●输出电压：3.3V、5V、12V、15V和ADJ（可调）等可选；
●振动频率：52kHz；
●转换效率：75%～88%（不同电压输出时的效率不同）；
●控制方式：PWM；
●工作温度围：-40℃～ +125℃
●工作模式：低功耗/正常两种模式可外部控制；
●工作模式控制：TTL电平兼容；
●所需外部元件：仅四个（不可调）或六个（可调）；
●器件保护：热关断及电流限制；
步进电机工作和控制原理 一、综述 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的一种开环线性执行元件，具有无累积误差、成本低、控制简单特点。产品从相数上分有二、三、四、五相，从步距角上分有0.9°/1.8°、0.36°/0.72°，从规格上分有口42~φ130，从静力矩上分有 0.1N·M~40N·M。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。 二、感应子式步进电机工作原理 （一）反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图： 2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て
综合课程设计 题目两相步进电机 学院计信学院 专业10自动化 班级2班 学生姓名 指导教师文远熔 2012 年12 月28 日
两相步进电机课程设计报告 步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O 接口、中断、键盘、LED 显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。 关键字: 步进电机单片机
步进电机的控制原理及其单片机控制实现 一前言 步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为控制执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。现阶段,反应式步进电机获得最多的应用。 步进电机和普通电机的区别主要在于其脉冲驱动的形式,正是这个特点,步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机,步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候,甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。 二 1.步进电机的控制原理 步进电机2个相邻磁极之间的夹角为60°。线圈绕过相对的2个磁极,构成一相(A-A′,B-B′,C-C′)。磁极上有5个均匀分布的矩形小齿,转子上没有绕组,而有40个小齿均匀分布在其圆周上,且相邻2个齿之间的夹角为9°当某组绕组通电时,相应的2个磁极就分别形成N-S极,产生磁场,并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子没有对齐,则在磁场的作用下转子将转动一定的角度,使转子齿与定子齿对齐,从而使步进电机向前“走”一步。 2. 步进电机的控制方式 如果通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流,就可以控制电机的转动,从而实现数字→角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比,转动的速度与脉冲频率成正比,而转动方向则与脉冲的顺序有关。以三相步进电机为例,电流脉冲的施加共有3种方式。(1)单相三拍方式(按单相绕组施加电流脉冲):→A→B→C→正转;→A→C→B→反转。(2)双相三拍方式(按双相绕组施加电流脉冲):→AB→BC→CA→正转;→AC→CB→AB→反转。(3)三相六拍方式(单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲):→A→AB→B→BC→C→CA→正转;→A→AC→C→CB→B→BA→反转。单相三拍方式的每一拍步进角为3°,三相六拍的步进角则为1.5°,因此,在三相六拍下,步进电机的运行反转平稳柔和,但在同样的运行角度与速度下,三相六拍驱动脉冲的频率需提高1倍,对驱动开关管的开关特性要求较高。 3. 步进电机的驱动方式 步进电机常用的驱动方式是全电压驱动,即在电机移步与锁步时都加载额定电压。为了防止电机过流及改善驱动特性,需加限流电阻。由于步进电机锁步时,限流电阻要消耗掉大量的功率,故限流电阻要有较大的功率容量,并且开关管也要有较高的负载能力。步进电机的另一种驱动方式是高低压驱动,即在电机移步时,加额定或超过额定值的电压,以便在较大的电流驱动下,使电机快速移步;而在锁步时,则加低于额定值的电压,只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样,既可以减少限流电阻的功率消耗,又可以提高电机的运行速度,但这种驱动方式的电路要复杂一些。驱动脉冲的分配可以使用硬件方法,即用脉冲分配器实现。现在,脉冲分配器已经标准化、芯片化,市场上可以买到。但硬件方法结构复杂,成本也较高。步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配)也可以使用软件方法,即用单片机实现,下面给出具体的使用单片机以软件方式驱动步进电机的实现方法。 三步进电机的单片机控制 1. 双相三拍控制
安徽技术师范学院学报,2002,16(4):61～63Journal of Anhui T echnical Teachers College 单片机控制步进电机系统设计 刘国永1 陈杰平2 (1.蚌埠高等专科学校机械电子系,安徽蚌埠 233030;2.安徽技术师范学院工程技术系,安徽凤阳 233100) 摘 要:本文提出了采用单片机控制步进电机方案,可以从键盘输入步进电机相关数据,步进电机根据这些数据来进行工作,并且可根据需要,实时对步进电机工作方式进行设置,具有实时性和交互性的特点。 关键词:单片机;步进电机;系统;设计 中图分类号:TM 301.2 文献标识码:A 文章编号:1007-3302(2002)04-0061-03 目前,步进电机在工业生产及一些仪器上应 用十分广泛,但步进电机的驱动信号往往还是用一些专用的模拟芯片控制器或者是信号发生器来产生,缺乏灵活性、可靠性。在一些智能化要求较高的场合,用模拟芯片控制器及信号发生器来控制步进电机有一定的局限,可以采用单片机控制步进电机以改进其性能。1 实现原理 1.1 分析 以反应式步进电机为例,其典型结构图如图1所示。这是一个四相步进电机,当相控制绕组接通脉冲电流时,在磁拉力作用下使相的定、转子对齐,相邻的B 相和D 相的定、转子小齿错开。若换成B 相通电,则磁拉力使B 相定、转子小齿对齐(转过),而与B 相相邻的C 相和A 相的定、转子小齿又错开,即步进电机转过一个步距角。若按A ※B ※C ※D ※A …规律循环顺序通电,则步进电机按一定方向转动。若改变通电顺序为A ※D ※C ※B ※A ,则电机反向转动。这种控制方式称为四相单四拍。若按AB ※BC ※CD ※DA ※AB 或A ※AB ※B ※BC ※C ※CD ※D ※DA ※A 顺序通电则称为四相双拍或四相单、双八拍。无论采用哪种控制方式,在一个通电循环内,步进电机的转角恒为一个齿距角。所以,可以通过改变步进 收稿日期:2002-10-14 电机通电循环次序来改变转动方向,可以通过改 变通电频率来改变其角频率。运用单片机的输出功能,通过编程实现输出四个信号分别给步进电机的四相A 、B 、C 、D ,并通过输出时信号的循环次序,来设定步进电机的转动方向及输出信号的频率以便设定步进电机的转动频率。 图1 反应式步进电机结构图 1.2 实现原理 采用单片机产生A 、B 、C 、D 的四相信号,当采用单片机进行控制时,需要在单片机和步进电机中间设隔离电路以使强弱电分离。由于步进电机的驱动电流相对较大,可增设放大电路来提供步进电机的工作电流。系统电路由五部分组成,即单片机、隔离、放大、电源及步进电机。2 硬件部分设计2.1 单片机电路 为减少成本,本系统采用8031单片机,为了便于升级,采用27256EPROM ;另外,扩展RAM
伺服电机工作原理及和步进电机の区别 2010-03-30 17:14 伺服电机内部の转子是永磁铁，驱动器控制のU/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场の作用下转动，同时电机自带の编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动の角度。伺服电机の精度决定于编码器の精度（线数）。 什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到の电信号转换成电动机轴上の角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩の增加而匀速下降.。 请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制滚珠丝杆，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。永磁交流伺服电动机20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术の发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出の发展，各国著名电气厂商相继推出各自の交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统の主要发展方向，使原来の直流伺服面临被淘汰の危机。90年代以后，世界各国已经商品化了の交流伺服系统是采用全数字控制の正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域の发展日新月异。 永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。⑵定子绕组散热比较方便。⑶惯量小，易于提高系统の快速性波纹管联轴器。⑷适应于高速大力矩工作状态。⑸同功率下有较小の体积和重量。 伺服和步进电机 伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应の角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲の功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量の脉冲，这样，和伺服电机接受の脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确の控制电机の转动，从而实现精确の定位，可以达到0.001mm。 步进电机是一种离散运动の装置，它和现代数字控制技术有着本质の联系。在目前国内の数字控制系统中，步进电机の应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统の出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制の发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号）弹性联轴器，但在使用性能和应用场合上存在着较大の差异。现就二者の使用性能作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为
单片机控制步进电机驱动器工作原理 步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。 有时从一些旧设备上拆下的步进电机(这种电机一般没有损坏)要改作它用，一般需自己设计驱动器。本文介绍的就是为从一日本产旧式打印机上拆下的步进电机而设计的驱动器。 本文先介绍该步进电机的工作原理，然后介绍了其驱动器的软、硬件设计。 1. 该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图1 四相步进电机步进示意图 开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示： a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍 图2.步进电机工作时序波形图 2.AT89C2051 步进电机驱动器系统电路原理如图3：
指导教师评定成绩： 审定成绩： 重庆邮电大学 自动化学院 自动控制原理课程设计报告 设计题目： 单位（二级学院）：自动化学院 学生姓名： 专业：自动化 班级： 学号： 指导教师： 设计时间：2010 年 6 月 重庆邮电大学自动化学院制
目录 目录 (2) 一、设计题目 (3) 1题目内容 (3) 2实现目标 (3) 3设计要求 (3) 4 设计安排 (3) 二、设计报告正文 (3) 1步进电机的概论 (4) 2步进电机的驱动控制系统 (6) 3系统设计思路 (10) 4步进电机的控制电路 (13) 三、设计总结 (15) 四、参考文献 (16)
一、设计题目 1题目内容 基于51单片机的步进电机调速设计 2实现目标 1)具有与PC机串口通信的功能； 2)具有与数码管显示或者LED指示灯显示状态（数码管显示的速度并不代表电 机实际速度，只是一个感性的认识） 3设计要求 1)绘制原理图，PCB; 2)完成单片机所有代码编写； 3)设计PC机简易显示界面； 4设计安排 三个人一组，为期一周，小组成员合作，共同完成设计要求。 二、设计报告正文 摘要：步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或者线位移的电磁机械装置。在非超载的情况下，电机的转速，停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。它具有快速启停能力，在电机的负荷不超过它能提供的动态转矩时，可以通过输入脉冲来控制它在一瞬间的启动或者停止。由于其精确性以及其良好的性能在实际当中得到了广泛的应用。 本文首先介绍了步进电机的分类、技术指标、步进电机的工作原理以及步进电机
文理学院芙蓉学院课程设计报告 课程名称：专业综合课程设计 专业班级：自动化1001班学号：40 学生：志航 指导教师：建英 完成时间： 2013年 6月13 日 报告成绩： 芙蓉学院教学工作部制
摘要 本文先介绍了混合式步进电机的结构和工作原理，分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用，论述了正弦波细分驱动可以实现等步距角、等力矩均匀细分驱动的原理，提出了一种基于H桥和其他分立元件分配脉冲的驱动技术，该方案可实现步进电机的单拍、半拍、双拍三种工作方式。本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、液晶显示电路组成，单片机是控制系统的核心。文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍。 关键词：单片机；正弦脉宽调制；混合式步进电机；细分驱动
Abstract In this paper, the working principle and configuration of three-phase hybrid Stepper are introduced, then based on technologies such as stepper motor controller, PWM inverter and microcontroller. In the thesis, we develop a single chip computer -based digital controlling system for a three-phase hybrid stepper motor that is mainly constructed from a AT89C51 single chip computer and ST7920IC which is used as the core of control parts. The system's whole architecture, the design of hardware and software are introduced in detail. KEY WORDS: Microcontroller，SPWM，Hybrid stepper motor，Micro-stepping driver
步进电机和伺服电机的系统控制 只要有软件的支持，这里将不再有猜测性的工作。 运动的控制者---软件：只要有了软件，它可以帮助我们配置改装、诊断故障、 调试程序等。数控电动机的设计者会是一个微软窗口——基于构件的软件开发工具，可以为6000系列产品设置代码，同时可以控制设计者与执行者的运动节目，并创造一个定制运营商的测试小组。运动建筑师的心脏是一个空壳，它可以为进入以下模 块提供一个综合环境。 1. 系统配置——这个模块提示您填写所有相关初成立信息启动议案。配置向具体6000 系列产品的选择，然后这些信息将用于产生实际的 6000 - 语言代码，这 是你的开始计划。 2. 程序编辑器——允许你编辑代码。它也有可行的“帮助”命令菜单。A用户指 南提供了相关的磁盘指南。 3. 终端模拟器——本模块，可让您直接与 6000 系列产品互动。他所提供的“帮 助”是再次参考所有命令和定义。 4. 测试小组——你可以使用本模块，模拟程序，调试程序，并跟踪检测程序。 因为它的对话窗口，你能很容易的知道怎么使用它。 运动建筑师已经将所有的 6000 系列产品都运用在了步进电机和伺服电机的技术 上。因为丰富的对话窗口和6000系列语言，使得你能够从简单到复杂的解决问题。运动建筑师的6000系列产品的标准配置工具，能够使得这些控制器更加简单， 相当大的缩短项目开发时间。它的另外一个增值特点是使用 6000 伺服控制器的调 谐助手。基于调谐价值观，这个额外的模块可以以图形化的方式为你展示各种参数。看看这些参数是如何让变化的。用运动的建筑师，你可以一次性打开多个窗口。举 例来说，无论是程序编辑器和终端模拟器窗口，你都可以打开运行程序，得到信 息，然后改变这一程序。运动建筑师可以利用在线帮助，在整个互动接触内容中为 数控电机6000系列软件做参考指南。 从简单到复杂的解决应用 伺服控制是你用伺服调谐器软件控制。数控电机与6000系列伺服控制器相结合 并应用伺服调谐器软件。伺服调谐器是一个新增功能模块，它扩展和提高运动建筑 师的能力。议案建筑师与伺服调谐器结合起来，以提供图形化的反馈方式，反馈实 时运动信息并提供简便环境设置微调收益及相关制参数以及提供文件操作，以保存 并记得微调会议。 请你用运动工具箱软件解决自己的运动控制。运动工具箱实际上是一个为数控 电机和6000系列运动控制器而设计的广泛应用的虚拟图标式编程仪器。 当使用运动工具箱与虚拟编程仪时，编程6000 系列控制器实质上是完成连接图 形图标，或加上形成框图使之可见。运动工具箱中包含了1500多条命令，状态栏，实例等。所有的命令、状态栏、实例都包括可视的来源图表，使您可以修改他们， 如果有必要，可以满足您的特殊的需要。运动工具箱同时还具有一个可视窗口，基 于安装程序和一个全面的用户手册，可以帮助您运行得更好更快。 软件电脑辅助运动应用软件 compucam compucam是基于微软的编程包，它能从 CAD 程序、示波器文档、数控程序和产生6000系列数控电机密码相兼容的运动控制器中输入几何图形。购买数控电机是可行的，因为 compucam 是一个附加模块，是运动建筑师的菜单栏，它是作为公用部分 而被引用的。程序从compucam开始运行CAD 软件包。一旦程序被起草创作，它就 会被保存为DXF文件，或惠普-吉尔段文档，或G代码数控程序。这些几何图形然
北京工业大学电子课程设计报告 （数电部分） 题目：步进电机
目录 一、设计题目------------------------------------------------------------------------------------------------3 二、设计任务和设计要求 1.设计题目------------------------------------------------------------------------------------------------3 2.设计技术指标及设计要求----------------------------------------------------------------------------3 三、电路设计------------------------------------------------------------------------------------------------4 1.脉冲发生电路-------------------------------------------------------------------------------------------4 2.环形脉冲分配电路-------------------------------------------------------------------------------------5 3.控制电路-------------------------------------------------------------------------------------------------6 4.驱动电路-----------------------------------------------------------------------------------------------10 5.步进电机-----------------------------------------------------------------------------------------------11 四、电路的组装和调试------------------------------------------------------------------------------------12 1.电路的组装----------------------------------------------------------------------------------------------12 2.电路的调试----------------------------------------------------------------------------------------------13 五、收获和体会---------------------------------------------------------------------------------------------14 六、附录------------------------------------------------------------------------------------------------------15 1.列表-------------------------------------------------------------------------------------------------------15 2.参考资料-------------------------------------------------------------------------------------------------15 3.部分芯片管脚图----------------------------------------------------------------------------------------16
步进电机的控制电路和程序 先看一下我们将要使用的51单片机综合学习系统能完成哪些实验与产品开发工作：分别有流水灯，数码管显示，液晶显示，按键开关，蜂鸣器奏乐，继电器控制，IIC总线，SPI总线，PS/2实验，AD模数转换，光耦实验，串口通信，红外线遥控，无线遥控，温度传感，步进电机控制等等。 上图是我们将要使用的51单片机综合学习系统硬件平台，本期实验我们用到了综合系统主机、步进电机，综合系统其它功能模块原理与使用详见前几期《电子制作》杂志及后期连载教程介绍。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 步进电机分类与结构 现在比较常用的步进电机分为三种：反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）。本章节以反应式步进电机为例，介绍其基本原理与应用方法。反应式步进电机可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。常用小型步进电机的实物如图1 所示。 图1步进电机实物图 图 2 步进电机内部图 步进电机现场应用驱动电路 综合系统使用的是小型步进电机，对电压和电流 要求不是很高，为了说明应用原理，故采用最简单 的驱动电路，目的在于验证步进电机的使用，在正 式工业控制中还需在此基础上改进。一般的驱动电 路可以用图3的形式。 图3 一般驱动电路 在实际应用中一般驱动路数不止一路，用上图的分立电路体积大，很多 场合用现成的集成电路作为多路驱动。常用的小型步进电机驱动电路可以用 ULN2003或ULN2803。本书配套实验板上用的是ULN2003。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。ULN2003内部结构及等效电路图如图4：
第1章绪论 (2) 1.1引言 (2) 1.2步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 (4) 1.2.1常见的步进电机控制方案 (4) 1.2.2步进电机驱动技术 (6) 1.3本文研究的内容 (8) 第2章步进电机概述 (9) 2.1步进电机的分类 (9) 2.2步进电机的工作原理 (10) 2.2.1结构及基本原理 (10) 2.2.2两相电机的步进顺序 (10) 2.3 步进电机的工作特点 (13) 2.4本章小结 (15) 第3章系统的硬件设计 (16) 3.1系统设计方案 (16) 3.1.1系统的方案简述与设计要求 (16) 3.1.2系统的组成及其对应功能简述 (16) 3.2单片机最小系统 (18) 3.2.1AT89S51简介 (18) 3.2.2单片机最小系统设计 (23) 3.2.3单片机端口分配及功能 (24) 3.3串口通信模块 (24) 3.4数码管显示电路设计 (25) 3.4.1共阳数码管简介 (25) 3.4.2共阳数码管电路图 (26) 3.5电机驱动模块设计 (27) 3.5.1L298简介 (27) 3.5.2电机驱动电路设计 (28) 3.6驱动电流检测模块设计 (30) 3.6.1OP07芯片简介 (30) 3.6.2ADC0804芯片简介 (32) 3.6.3电流检测模块电路图 (35) 3.7独立按键电路设计 (36) 3.8本章小结 (36) 第4章系统的软件实现 (37) 4.1系统软件主流程图 (37) 4.2系统初始化流程图 (38) 4.3按键子程序 (39) 结论 (43) 1
第1章绪论 1.1引言 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。 正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用[2]。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了 2
步进电机原理及使用说明 一、前言 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的一种开环线性执行元件，具有无累积误差、成本低、控制简单特点。产品从相数上分有二、三、四、五相，从步距角上分有0.9°/1.8°、0.36°/0.72°，从规格上分有口42~φ130，从静力矩上分有0.1N?M~40N?M。 签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 二、感应子式步进电机工作原理 （一）反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A…与齿5相对齐，（A…就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图： 2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。
目录 第1章 DSP步进电机控制系统简介 (1) 1.1 TMS320LF2407 DSP简介 (1) 1.2两相步进电机结构 (2) 1.3两相步进电机的原理 (3) 1.4两相步进电机的供电方式 (3) 第2章 DSP硬件系统设计 (4) 2.1 系统总框图 (4) 2.2 各硬件介绍 (4) 2.2.1 TMS320LF2407芯片说明 (4) 2.2.2电源电路 (5) 2.2.3复位电路 (6) 2.2.5 LED电路 (7) 2.2.6 RAM (7) 2.2.7 步进电机驱动电路 (8) 2.2.8 74LS08电路 (9) 第3章软件设计 (10) 3.1 程序设计思路 (10) 3.2 程序流程图 (10) 3.3 程序设计 (11) 3.3.1 初始化程序 (11) 3.3.2 键盘扫描程序 (12) 3.3.3 中断服务程序 (13) 3.3.4 主程序 (14) 第4章编程与调试 (18) 4.1 调试步骤 (18) 4.2 调试结果 (19) 第5章致谢与总结 (20) 附录 (21) 总电路原理图 (21) 参考文献 (22)
第1章 DSP步进电机控制系统简介 1.1 TMS320LF2407 DSP简介 TMS320LF240x系列DSP是专为数字电机控制和其它控制系统而设计的。它内部不但有高性能的C2xx CPU内核，配置有高速数字信号处理的结构，且有单片电机控制的外设。TMS LF2407将数字信号处理的高速运算功能与面向电机的强大控制功能结合在一起，成为传统的多微处理器单元和多片系统的理想替代品，可用于控制功率开关转换器，可提供多电机的控制等。TMS LF2407采用诸如自适应控制、卡尔曼滤波和控制等先进的控制算法，支持多项式的高速实时算法，因而可减少力矩纹波、降低攻耗、减少振动，从而延长被控设备的寿命，TMS320LF2407采用4级流水线结构与改进的哈佛结构。片内外设及存储器资源如下: （1）双8路或单16路的10位A/D转换器，转换时间为375ns（该指标视型号而不同）。 （2）片内存储器：32K字闪存、2.5K字RAM，其中包含544字的双端口RAM(DARAM)，2K字的单端口RAM(SARAM)。 （3）41个可独立编程的多路复用I/O引脚。 （4）两个事件管理器EV A、EVB，适用于控制各种类型的电机，为工业自动化方面的应用奠定了基础。两个事件管理器EV A、EVB包含有如下资源：2个16位通用定时器；8个16位PWM通道；对外部事件进行定时捕捉的3个捕捉单元，其中2个具有直接与光电编码器输出脉冲相连接的能力；防止击穿故障的可编程PWM死区控制。 （5）串行通信接口SCI模块。 （6）串行外设接口SPI模块。 （7）带锁相环PLL的时钟模块。 （8）5个外部中断（复位、两个驱动保护中断与两个可屏蔽中断）。
毕业设计论文 论文题目：基于单片机的步进电机控制电路板设计 摘要 随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。 本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制，通过IO口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机；同时，用 4个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。 系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括AT89C51单片机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动（集成达林顿ULN2003）模块、数码显示（SM420361K数码管）模块、测速模块（含霍尔片UGN3020）6个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上，对速度进行实时监控显示。软件采用在Keil软件环境下编辑
************* 第1章绪论 1.1 课题背景 当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。 随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品（打印机、照相机、雕刻机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。控制核心采用C51芯片，它以其独特的低成本，小体积广受欢迎，当然其易编程也是不可多得的优点为此，本文设计了一个单片机控制步进电机的控制系统，可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。 1.2 设计目的及系统功能 本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用AT89C51作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。 1
伺服电机工作原理及和步进电机的区别 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降.。 请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制滚珠丝杆，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。永磁交流伺服电动机20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。 永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。⑵定子绕组散热比较方便。⑶惯量小，易于提高系统的快速性波纹管联轴器。⑷适应于高速大力矩工作状态。 ⑸同功率下有较小的体积和重量。 伺服和步进电机 伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号）弹性联轴器，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。 二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳膜片联轴器，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 三、矩频特性不同