五相步进驱动器

一种新的五相步进电机驱动电路开发 T.S. 维拉孔和 T. 萨马拉纳亚克斯里兰卡,佩勒代尼耶大学工程学院,电子与电气工程学院付自刚译摘要本文详细地介绍了一种新的五相步进电机驱动电路。

这种新的驱动电路是由商业上现成的,廉价的,标准的步进电机驱动 IC 搭建,它能实现由内部电流回路驱动的闭环速度和位置控制。

经证明, 这种驱动电路能推广到任何更多相数的奇数相的步进电机。

这种驱动电路具有速度控制和方向控制,包括全步、半步、顺时针、逆时针控制模式。

一、概述在大多数机器人和自动化工程设计中, 各种各样步进电机都被广泛应用来得到需要的运动姿态。

步进电机倍受人们青睐是因为它不需要频繁的维护并能在苛刻的环境中运行。

步进电机及其驱动器的选择要根据具体应用中需要的效果来决定。

市场上最常见的是两相和四相步进电机。

可是,实际应用中要求高精度,低噪声和低震动,因此五相步进电机得以应用。

因为步距角较小, 五相步进电机有较高的分辨率, 较低的震动和良好的加速与减速特性。

因此, 确保设计的驱动电路能使步进电机充分发挥这些优点非常重要。

因为在机器人应用中是很少见得类型,而且结构很复杂,很难找到它们的驱动IC ,只能专门定做。

结果导致五相步进电机的驱动电路产品异常昂贵。

用普通步进电机如二相与四相步进电机的驱动控制 IC 来制作其它步进电机的驱动电路是一种经济有效的方法。

L297继承了控制单极性和双极性步进电机所需要的所有控制电路系统。

L298N 双 H 桥驱动器形成了一个完善的步进电机微处理器接口。

在这里,我们通过给 L297和 L298N 加上微处理器和逻辑控制系统研究开发出了一种新的五相步进电机驱动电路。

第二部分解释了元器件特性。

第三部分介绍了控制逻辑电路设计。

第四部分是接口设计,结果在第五部分。

最后,第六部分加以总结。

二、主要元器件特性分析如图一所示,集成块 L297可以与 H 桥集成电路一起使用作为步进电机驱动器。

在该设计中, H 桥的功能用 L298N 或者 L293E 实现。

毕业设计（论文）学院专业姓名XX大学毕业设计（论文）任务书前言随着现代工业自动化的日益发展，电动机作为重要的电器元件，被广泛的应用在各种自动化控制系统中。

步进电动机由于其具有易于电脑操作、步数误差小、精度高、使用系统时间长和成本低等优点，被广泛应用于工业控制中。

其中五相混合式步进电机总体性能优于其它种类的步进电动机，是工业上应用最为广泛的步进电动机品种，被广泛的应用在各个领域中。

所以对五相步进电动机实现自动化是工业自动化的必然趋势。

打印机作为计算机的输出设备之一，运用步进电动机作为打印机的字车动力源和走纸机构，通过牵引机构将步进电动机的转动转变为走纸移动，可以实现打印纸的纵向移动，因其要求精度比较高，所以，打印机的走纸结构能够使用五相步进电动机来控制。

对五相步进电动机的使用，工业中应用比较广泛，但大都应用于高精度的机床控制系统中，整个系统比较庞大，所以，本文以步进电动机在的打印机中的精密控制为背景介绍使用PLC控制五相步进电动机按照给定频率自动运行和自由调速的模拟控制方法。

摘要主要阐述了以五相步进电动机在针式打印机走纸结构中的应用为背景，介绍了一种用三菱FX-2N系列PLC实现对规格型号90BYG550A-0301的五相步进电动机控制的方法，利用PLC产生脉冲信号对五相步进电动机进行模拟控制，实现对五相步进电动机五个绕组的通电状态，达到五相步进电动机按照固定速度的循环自动运行的目的，并实现步进电动机正反转和调速控制。

用PLC控制五相步进电动机驱动针式打印机的走纸结构控制纸张的进退，实现打印机的打印工作。

基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，定位精度搞，参数设置灵活等有点，在工业过程控制中使用可靠性高，监控方便。

本设计还包括步进电动机的工作原理和特点，PLC的主要功能和应用，各硬件软件元件的介绍选择以及控制程序的编程方法。

关键字：五相步进电动机，PLC控制目录一、设计课题分析................................................................................................... - 1 -1.1 设计课题要求.............................................................................................................. - 1 -1.2 设计课题的目的和应用.............................................................................................. - 1 -1.3 设计课题背景和工作环境.......................................................................................... - 2 -二、流程图和工作过程........................................................................................... - 3 -2.1 五相步进电动机运行流程图...................................................................................... - 3 -2.2 工作过程...................................................................................................................... - 3 -三、方案选择........................................................................................................... - 5 -3.1 控制方案...................................................................................................................... - 5 -3.2 选择方案...................................................................................................................... - 5 -四、硬件选择........................................................................................................... - 7 -4.1 步进电动机介绍.......................................................................................................... - 7 -4.2 五相步进电动机的选择............................................................................................ - 13 -4.3 PLC的选择 ................................................................................................................ - 16 -4.4 变频器的选择............................................................................................................ - 22 -4.5 其它硬件设备的选择................................................................................................ - 26 -五、软件选择......................................................................................................... - 27 -5.1 外部接线图................................................................................................................ - 27 -5.2 I/O分配表................................................................................................................. - 27 -5.3 程序梯形图................................................................................................................ - 28 -六、系统调试......................................................................................................... - 29 -6.1 调试步骤.................................................................................................................... - 29 -6.2 调试过程的故障诊断................................................................................................ - 29 - 总结................................................................................................................. - 31 -致谢................................................................................................................. - 32 -参考文献................................................................................................................. - 33 -附录................................................................................................................. - 34 -一、设计课题分析1.1 设计课题要求1、要求对五相步进电动机五个绕组依次自动实现如下方式的循环通电控制：第一步：A-B-C-D-E第二步：A-AB-BC-CD-DE-EA第三步：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA第四步：EA-ABC-BCD-CDE-DEA五相步进电动机的模拟控制的实验面板图：图所示五相步进电动机的模拟控制面板上图中，下框中的A、B、C、D、E分别接主机的输出点；SD接主机的输入点。

步进电机的选型与计算步进电机是一种常见的电机类型，拥有精度高、可控性强、反应灵敏等优点，广泛应用于各种精密控制系统中。

在选择和计算步进电机时需要考虑以下几个方面。

一、步进电机的类型首先需要了解有哪些类型的步进电机。

目前市面上常见的步进电机有单相/两相/三相/五相等不同类型，不同的类型适用于不同的应用场景。

对于低速高力的应用场合，单相步进电机的效果较佳；需要高精度的位置控制时，可以选择三/五相步进电机。

在选择实际使用的步进电机时，最好能够根据实际需求进行精细化选择。

二、步进电机驱动器的选择选择步进电机驱动器时，需要根据步进电机的类型、电源电压和工作电流等参数进行选择。

一般来说，驱动器的峰值输出电流应大于步进电机的额定电流，以确保电机正常运行。

同时，还需要考虑驱动器的微步数，微步数越高，驱动器的精度控制就越好。

但是，高微步数对马达的耗电量会增加，如果长时间负载运行可能会导致驱动电机的温度升高，从而造成高温失控现象，因此在实际应用过程中需要注意平衡微步数和耗电量的关系。

三、步进电机的计算1. 计算步进电机的步数：计算步进电机的步数主要涉及到推导出步进电机的角度转换公式，与电机的角度转换速率有关。

步数越多，角度转换越精细，步数与转速的关系，可以用以下公式计算：n=Δθ/α，其中n为步数，Δθ为转角（是原始角度），α为每步转角。

2. 计算步进电机的速度：步进电机的速度计算与电机驱动器细分数、定位精度有关，主要通过计算每步角度转移量再计算出转速。

电机驱动器分辨率越高则每步角度转移量越小，转速就越慢，反之亦然。

计算步进电机的速度时，可以使用以下公式：v=r*n*f/60，其中v为速度，r为驱动器细分数的比率，n为步数，f为电机的转速。

总之，在进行步进电机的选型与计算时，需要根据实际应用需求选择合适的电机类型与驱动器，并结合实际情况合理计算步进电机的步数和速度。

这样才能确保电机在实际应用场景中能够正常运转，保证控制系统的精度和可靠性。

步进驱动器工作原理步进驱动器是一种用于控制步进电机运动的电子设备。

步进电机是一种将电脉冲转换为机械运动的电机，它可以精确地控制电机转动的角度和速度。

步进驱动器是将电脉冲转换为步进电机的驱动信号的设备，它的工作原理是将输入的电脉冲转换为电机的运动，从而控制电机的转动。

步进驱动器的工作原理可以分为两个部分：控制电路和功率电路。

控制电路用于接收和解码外部控制信号，将其转换为电机的驱动信号。

功率电路用于将控制电路产生的驱动信号转换为电机的驱动能量，从而实现电机的运动。

控制电路的主要功能是接收来自外部的控制信号，并将其转换为电机的驱动信号。

控制电路由逻辑门、计数器、时钟发生器和解码器等组成。

逻辑门用于控制输入信号的流向和转换，计数器用于计数输入信号的个数，时钟发生器用于产生时序信号，解码器用于将计数器产生的数字信号转换为电机的驱动信号。

功率电路的主要功能是将控制电路产生的驱动信号转换为电机的驱动能量，从而实现电机的运动。

功率电路由功率放大器和电机驱动器等组成。

功率放大器用于放大控制信号的电压和电流，从而产生足够的驱动能量，电机驱动器用于将功率放大器产生的电信号转换为电机的驱动信号。

步进驱动器的控制方式可以分为开环控制和闭环控制两种。

开环控制是指控制电路只接收外部的控制信号，并将其转换为电机的驱动信号，而不对电机的运动进行反馈控制。

闭环控制是指控制电路不仅接收外部的控制信号，还通过传感器对电机的运动进行反馈控制，从而实现更加精确的控制。

在步进驱动器的运动过程中，由于电机的惯性和负载的影响，电机的运动会产生误差。

为了减小误差，步进驱动器通常采用微步控制技术。

微步控制技术是指将一个步进电机的步长分解为多个微步，从而实现更加精确的控制。

微步控制技术可以通过改变控制信号的频率和相位来实现，从而使电机的转动更加平稳和精确。

总之，步进驱动器是一种用于控制步进电机运动的电子设备，它的工作原理是将输入的电脉冲转换为电机的运动。

步进电机 5线相位运行原理
步进电机是一种控制精度高、无需反馈装置的电动机，广泛应用于电子、仪表、自动化控制和机械制造等领域。

其中，5线相位运行是步进电机的一种常见驱动方式，其原理如下：
步进电机的工作原理是通过磁场作用产生力矩，将电机转动。

步进电机的驱动方式有两种：单相励磁和双相励磁。

其中，5线相位运行就属于双相励磁。

5线相位运行需要使用一种特殊的驱动器，它可以向步进电机提供两组正弦波信号，分别作用于两个线圈中的两个相。

这两组信号相位差90度，可以使电机产生一个旋转磁场，从而驱动转子转动。

在5线相位运行中，步进电机中的每个线圈都有两个相，因此需要5根电线来控制。

其中，4根电线用于控制两个相的输入，另外一根电线用于控制电机的方向。

总的来说，5线相位运行可以使步进电机实现高精度、高效率的运动控制，是一种非常重要的驱动方式。

- 1 -。

步进驱动和伺服驱动的区别步进电机主要是依相数来做分类，而其中又以二相、五相步进电机为目前市场上所广泛采用。

二相步进电机每转最细可分割为400等分，五相则可分割为1000等分，所以表现出来的特性以五相步进电机较佳、加减速时间较短、动态惯性较低。

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)，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度、1.8度，五相混合式步进电机步距角一般为0.72度、0.36度。

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度;德国百格拉公司(bergerlahr)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度/10000=0.036度。

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度/131072=9.89秒。

是步距角为1.8度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。

陀螺仪：可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。

1、体积小、重量轻。

适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测量等。

2、低成本。

3、高可靠性。

内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长。

4、低功耗。

5、大量程。

适于高转速大g值的场合。

6、易于数字化、智能化。

可数字输出，温度补偿，零位校正等。

测速发电机：输出电动势与转速成比例的微特电机。

测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势E和转速n成线性关系，即E=Kn,K是常数。

改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。

在被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，就能获得被测机构的转速，故又称速度传感器。

测速发电机广泛用于各种速度或位置控制系统。

在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度；在解算装置中可作为微分、积分元件，也可作为加速或延迟信号用或用来测量各种运动机械在摆动或转动以及直线运动时的速度。

电子凸轮：利用角度位置传感器来模拟机械凸轮各控制点的角度范围，并能独立输出各自的控制信号，此种设备称为电子凸轮，包含“机械凸轮＋微动开关”的基本功能。

•可以输出多路控制开关量（ON/OFF)，且每路都可以独立预设起始、终止角度。

•可以动态检测和显示实际运行角度，对设备运行和再调整实时检测。

•可以随时修改预设角度，且每一路均有LED状态指示，“开态”点亮，“关态”熄灭。

•各路输出信号在电气上相互隔离，抗干扰能力强，可靠性高。

•动作精度可达到1°typical轨迹球：外型尺寸：1、1.4、2、3英寸输出方式：PS2、USB、方波、脉冲输出轨迹球外观：透明（七色光可选）、白色、黑色本产品有发光技术及三轴两项技术专利，产品精度高，寿命长，主要运用于医学行业中的B超、SMP、雷达、舰船等行业，国内市场占有率超过70%。

同步器：同步器有常压式和惯性式。

目前全部同步式变速器上采用的是惯性同步器，它主要由接合套、同步锁环等组成，它的特点是依靠摩擦作用实现同步。

两相步进电机和五相步进电机有什么区别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。

虽然两者在控制式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。

步进电机主要是依相数来做分类，而其中又以二相、五相步进电机为目前市场上所广泛采用。

二相步进电机每转最细可分割为400等分，五相则可分割为1000等分，所以表现出来的特性以五相步进电机较佳、加减速时间较短、动态惯性较低。

本文主要详细介绍两相步进电机和五相步进电机有什么区别，具体的跟随小编来了解一下。

两相步进电机简介两相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。

两相步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：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（即步进角）。

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。

两相步进电动机常用于数字控制系统中，精度高，其运行可靠。

如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。

步进电动机现已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。

两相步进电机和五相步进电机的区别一、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。

步进驱动器工作原理步进驱动器是一种常见的电机驱动设备，常用于控制步进电机的运动和位置。

步进电机作为一种特殊的电机，它可以按照一定的步长进行旋转，具有定位准确、运动平稳等特点。

而步进驱动器通过向步进电机传递适当的电流脉冲信号来控制步进电机的运动。

步进驱动器的工作原理可以简要分为两个方面：电流驱动和信号控制。

首先，步进驱动器通过电流驱动来控制步进电机的运动。

步进电机需要通过外部电源进行供电，步进驱动器负责调节电流大小和方向。

一般情况下，步进电机的每个相位都有两个绕组，分别称为A相和B相，每个绕组都需要一定的电流来产生磁场，从而驱动电机的旋转。

步进驱动器通过调节输出电流的大小和方向来控制步进电机的转动角度和速度。

其次，步进驱动器通过信号控制来控制步进电机的运动。

在步进电机工作时，需要通过适当的脉冲信号来控制每个步进角度的旋转。

步进驱动器可以接收外部控制信号，如脉冲信号和方向信号，通过这些信号来确定电机的旋转方向和步进角度。

一般情况下，每个脉冲信号都会使步进电机转动一个固定的角度，而方向信号则可以控制电机的正向转动或反向转动。

为了实现精确的位置控制，步进驱动器通常还配备了细微步和步长控制功能。

细微步是指将每个步进角进一步细分成更小的角度，从而提高步进电机的位置准确性和平滑性。

步长控制则是通过调整每个脉冲信号的时序和频率来控制电机的转动步数，从而实现不同转速和转动路径的控制。

还有一种常见的步进驱动器是闭环步进驱动器，它在控制步进电机转动的同时，通过反馈信号来实现对电机位置的闭环控制。

闭环步进驱动器通常会配备位置编码器或霍尔传感器，用于实时监测电机的位置和速度，并通过控制回路来调整电机的运动，从而提高步进电机的运动精度和稳定性。

总之，步进驱动器通过电流驱动和信号控制来控制步进电机的运动。

通过调节电流大小和方向，以及接收和处理脉冲信号和方向信号，步进驱动器可以精确地控制步进电机的转动角度和速度。

在实际应用中，步进驱动器被广泛应用于机械控制、自动化设备和机器人等领域。

一种新的五相步进电机驱动电路开发 T.S. 维拉孔和 T. 萨马拉纳亚克斯里兰卡,佩勒代尼耶大学工程学院,电子与电气工程学院付自刚译摘要本文详细地介绍了一种新的五相步进电机驱动电路。

这种新的驱动电路是由商业上现成的,廉价的,标准的步进电机驱动 IC 搭建,它能实现由内部电流回路驱动的闭环速度和位置控制。

经证明, 这种驱动电路能推广到任何更多相数的奇数相的步进电机。

这种驱动电路具有速度控制和方向控制,包括全步、半步、顺时针、逆时针控制模式。

一、概述在大多数机器人和自动化工程设计中, 各种各样步进电机都被广泛应用来得到需要的运动姿态。

步进电机倍受人们青睐是因为它不需要频繁的维护并能在苛刻的环境中运行。

步进电机及其驱动器的选择要根据具体应用中需要的效果来决定。

市场上最常见的是两相和四相步进电机。

可是,实际应用中要求高精度,低噪声和低震动,因此五相步进电机得以应用。

因为步距角较小, 五相步进电机有较高的分辨率, 较低的震动和良好的加速与减速特性。

因此, 确保设计的驱动电路能使步进电机充分发挥这些优点非常重要。

因为在机器人应用中是很少见得类型,而且结构很复杂,很难找到它们的驱动IC ,只能专门定做。

结果导致五相步进电机的驱动电路产品异常昂贵。

用普通步进电机如二相与四相步进电机的驱动控制 IC 来制作其它步进电机的驱动电路是一种经济有效的方法。

L297继承了控制单极性和双极性步进电机所需要的所有控制电路系统。

L298N 双 H 桥驱动器形成了一个完善的步进电机微处理器接口。

在这里,我们通过给 L297和 L298N 加上微处理器和逻辑控制系统研究开发出了一种新的五相步进电机驱动电路。

第二部分解释了元器件特性。

第三部分介绍了控制逻辑电路设计。

第四部分是接口设计,结果在第五部分。

最后,第六部分加以总结。

二、主要元器件特性分析如图一所示,集成块 L297可以与 H 桥集成电路一起使用作为步进电机驱动器。

在该设计中, H 桥的功能用 L298N 或者 L293E 实现。

第3卷第2期2004年4月 江南大学学报(自然科学版)Journal of Southern Yangtze U niversity(N atural Science Edition) V ol.3　N o.2Apr.　2004　文章编号:1671-7147(2004)02-0160-04 收稿日期:2003-09-04;　修订日期:2004-02-13. 作者简介:刁红泉(1979-),男,江苏如东人,控制理论与控制工程专业硕士研究生.颜钢锋(1959-),男,浙江永康人,教授,硕士生导师.主要从事纺织C AD/C AM 、非线性系统等研究.基于单片机的通用型五相混合式步进电机驱动器设计刁红泉,　颜钢锋(浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)摘　要:分析了电脑绣花机系统中,现有的五相混合式步进电机驱动器存在低频转矩振荡、高频输出转矩不足和多电源供电及不通用等诸多不足之处的基础上,设计出一种基于单片机的通用型五相混合式步进电机驱动器.该驱动器使用单一电源供电,驱动五相电机时采用三相励磁PW M 输出方式,改善了驱动的矩频特性;同时,此驱动器在不脉冲细分的情形下,可以驱动二、三、四相步进电机。

此设计在电脑绣花机系统中投入应用,并取得良好的效果.关键词:单片机;步进电机;励磁方式;硬件电路;软件设计中图分类号:T M 34;T M 301.2文献标识码:ADesign of Five 2Phase H ybrid G eneral 2PurposeStepping Motor Driver B ased on MCUDI AO H ong 2quan ,　Y AN G ang 2feng(C ollege of E lectrical Engineering ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China )Abstract :Base on the analysis of the defects of present five 2phase hybrid stepping m otor drivers in com put 2erised embroidery machine such as low frequency torque vibrations ,high frequency inadequate torque output ,multi power supplies and out of general 2purpose ,this paper designs a general 2purpose stepping m otor driver based on MC U.The new driver uses single power supply and three 2phase excitation and gives PW M output.The design im proves the stability in low frequency and the torque 2frequency characteristic in high frequency.Even under the condition without im pulse 2subdivision ,it can excite the m otor of 2,3,4phases.It has been applied in the com puterised embroidery machine and has achieved a real g ood effect.K ey w ords :MC U ;stepping m otor ;excitation ways ;hardware circuit ;s oftware design 步进电机作为执行部件,广泛用于自动控制系统的各个领域.混合式步进电动机因其具有运行频率高、动态力矩大、波动小、运转平稳、低噪声、定位精度和分辨率高等优点,已广泛应用于各种机电一体化设备中.在纺织机械中,最常用的步进电机是五相混合式步进电机,而电脑绣花机系统中所用步进电机型号一般为110BYG 550[1],在分析电脑绣花机中现有步进电机驱动器的基础上,为减小其低频转矩振荡,提高其高频输出转矩,方便使用,设计出一种通用型步进电机驱动器.在不需要脉冲细分的条件下,此步进电机驱动器能够驱动二、三、四相步进电机,实现步进电机驱动器的通用性(主要是驱动三相、五相混合式步进电机).目的是降低成本,提高性能和通用性.1　现有步进电机驱动器的分析步进电机驱动器输入的控制信号一般有4个:OPT O (公共阳极)、FREE (脱机电平)、DIR (方向电平)、CP (步进脉冲).现有电脑绣花机系统步进电机驱动器(以某型号为例),使用AT89C2051控制芯片,接受外部控制信号,输出五路信号,经过译码电路之后得到十路输出信号,然后分别通过上下桥臂驱动电路驱动功率M OSFET ,得到五相输出用来驱动步进电机.由于输出PW M 频率较低,在低频工作时,其输出电流冲击较大;现有步进电机驱动器的励磁方式为两相励磁,这种方式下的转矩输出不是最大的,尤其在高频情况下,输出转矩不足.其输入电源需要两路输入:控制电源(AC220V )、工作电源(AC90V ),双路电源输入尤其是AC90V 的输入需要变压器配合,即用步进电机驱动器时必须使用变压器,这既造成使用的不便,也增加了开销.2　步进电机的一些理论分析2.1　转矩分析步进电机的转矩 T X =T PK sin [Zθ-2(X -1)Pπ](1)其中T PK 为最大转矩,θ为定子齿和转子齿轴线间电角度(0≤θ≤2π),P 为相数,X 为相序数(1≤X ≤P ).步进电机的励磁方式(单相励磁、双相励磁等)不同,相应的输出转矩也不同.对于三相步进电机:单相:T A =T PK sin Zθ(2)双相:T AC =T A -T C = T PK sin Zθ+T PK sin (Z θ-13π)= 1.73T PK sin (Zθ-π6)(3)从式(2)和(3)中,可以得出,双相励磁最大静态峰值输出转矩是单相励磁输出转矩的1.73倍(三相励磁可以进一步增大输出转矩,由于功耗问题和实现问题,双相是最经济的提高输出转矩的办法)对于五相步进电机单相:T A =T PK sin Zθ双相:T Ad =T A -T d = T PK sin Zθ+T PK sin (Z θ-15π)≈ 1.90T PK sin (Zθ-π10)(4)三相:T AB d =T A +T B -T D =　T PK sin Zθ+T PK sin (Z θ-25π)-　T PK sin (Zθ-65π)≈2.62・T PK sin (Z θ-π5)(5)从式(5)和(6)可以得出,双相励磁得到的静态峰值转矩大约是单相励磁峰值的1.90倍,而三相励磁时最大静态峰值转矩是单相励磁的2.62倍(四相或者五相励磁可以增大输出转矩,但是由于功耗问题和实现问题,三相相是最经济的提高输出转矩的办法).步进电机驱动器的设计采用三相励磁,这样可以充分利用磁芯容量,提高输出转矩,增强步进电机的负载能力尤其是高频负载能力.对于三、五相混合式步进电机线圈绕组接线方法,选用星形接法.2.2　星形接法最大输出转矩开关序列对于五相步进电机,将三相励磁最大输出转矩方式,转换成五相逆变桥的上下桥臂的开关序列,再按照此序列控制五相桥,便能实现三相励磁最大转矩输出.五相步进电机绕组排列顺序(如图1),图中开关大写字母表示正相绕组,小写字母表示反相绕组.从图中可以看出,当相邻的三相导通的时候(大写字母表示正向通电,小写字母表示反向通电),由式(6)可知此时输出转矩最大.故从图(1)中就可以推出三相励磁十拍运行方式的开关序列:AdB -dBe -BeC -eCa -CaD -aDb -DbE -bEc -EcA -cAd (大写字母表示上桥臂开通,小写字母表示下桥臂开通).图1　五相步进电机绕组排列顺序Fig.1　Winding sequence of five 2ph ase stepping motor161　第2期刁红泉等:基于单片机的通用型五相混合式步进电机驱动器设计 对于三相步进电机,最大输出转矩两相励磁六拍运行方式的开关序列:Ac -cB -Ba -aC -Cb -bA (大写字母表示上桥臂开通,小写字母表示下桥臂开通).3　步进电机驱动器硬件电路设计根据以上分析,设计出基于89C51单片机的改进型步进电机驱动器.驱动器硬件电路图(如图2),此驱动器和现有驱动器输入输出兼容,可以直接替换现有步进电机驱动器.图中没有画出电源部分,此驱动器采用单一交流工频220V 供电,其中控制电路供电由变压器输出提供;110BYG 550系列步进电机的工作电压为80V ～300V ,而220V 交流电经过全桥不可控整流之后输出电压大约为311V ,故主工作电源需经过斩波电路降压之后再提供.拨板开关是用来设置整步、半步方式和设置驱动的步进电机相数,默认值是五相混合式步进电机和半步方式.图2　通用型步进电机驱动器硬件电路图Fig.2　H ardw are Circuit Diagram of G eneral 2purposeStepping Motor Driver 由于上桥臂开关管和下桥臂开关管不共地,故上下桥臂驱动电路需要单独设计:上桥臂驱动电路接受给定控制信号,经放大电路放大,然后经过高频脉冲变压器隔离之后驱动上桥臂开关管;下桥臂驱动电路接受给定控制信号,由光耦隔离后经放大电路驱动下桥臂开关管.在驱动电路中,上桥臂驱动电路设计是关键技术问题,我们采用双D 触发器C D4013,接充放电电路组成高频振荡器,接小功率高频逆变桥(由9014和9015组成)逆变输出驱动高频脉冲变压器,变压器输出通过全桥整流得到直流电压驱动开关管.输出采用PW M 方式,这样可以减少电流冲击,并且能够近似保持恒流.通用型驱动器相比现有驱动器的有以下改进之处.1)用89C51替代89C2051和译码电路,在不增加成本的基础上增强了性能;2)采用单一220V 电源供电,省去了变压器,降低了使用成本,方便使用;3)驱动五相步进电机时采用三相励磁,增大了输出转矩,提高了输出容量;4)在不脉冲细分的情况下,可以驱动二、三、四相和五相步进电机,只要通过拨板开关设置就可以实现.4　系统软件设计在硬件基础上,用C 语言设计出系统软件,步进电机驱动器软件主要由:主程序、CP 中断服务子程序和定时中断服务子程序组成.主程序主要实现中断控制寄存器初始化、定时器工作模式设定、中断使能禁止、脱机查询和输出等功能;CP 中断服务子程序主要实现步进脉冲双相增减,方向查询等功能.定时器中断服务子程序主要是实现PW M 控制功能.主程序和CP 中断服务子程序流程(如图3、4),定时中断服务子程序较简单,故不给出流程图.图3　主程序流程Fig.3　F low ch art of m ain routine261江南大学学报(自然科学版) 第3卷　5　结　论通用型步进电机驱动器相比现有步进电机驱动器性能有很大的改进,低频转矩稳定,高频输出转矩大.此驱动器已经成功的应用于电脑绣花机系统中,用于驱动110BYG 550系列五相混合式步进电机.此驱动器还可以驱动二、三、四相步进电机,实现驱动其的通用性;此驱动器生产成本低于200元,远低于现有步进电机驱动器近千元的市场价,这样既降低了电脑绣花机成本,又提高了刺绣质量.图4　CP 中断服务子程序流程Fig.4　F low ch art of CP interrupt service subroutine参考文献:[1]刁红泉,颜钢锋.电脑绣花机控制系统整体设计方案[J ].工程设计学报,2003(4):188-191.[2]李广弟.单片机基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,1994.[3]马忠梅,籍顺心,张凯,等.单片机的C 语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.(责任编辑:戴陵江,邢宝妹)(上接第159页)5　结　语应用专家模糊控制算法,在Matlab 环境下编程实现,对非精确的倒立摆系统进行实时控制,取得了非常好的控制效果,证明了专家模糊控制算法的通用性和先进性,即使是非精确系统也可以取得很好的控制效果.将Matlab 应用于实时控制,大大简化了系统建模、算法的实现和仿真分析.在今后的工作中,还将应用智能控制算法,继续在Matlab 环境下编程实现对二级倒立摆系统的实时控制.参考文献:[1]李廷军,林雪原,柳准备,等.模糊控制在倒立摆控制系统中的应用[J ].现代电子技术,2002,(5):66-68.[2]C AO S G,ROES N W ,FE NG G,et al .Analysis and design form a class of complex control system ,fuzzy m odeling and identification[J ].Autom ation ,1997,33(6):1017-1028.[3]何强,何英.Matlab 扩展编程[M].北京:清华大学出版社,2002.[4]孙增圻.智能控制理论与技术[M].北京:清华大学出版社,1997.[5]涂承宇,涂承媛,杨晓莱,等.模糊控制理论与实践[M].北京:地震出版社,1998.(责任编辑:戴陵江,邢宝妹)361　第2期刁红泉等:基于单片机的通用型五相混合式步进电机驱动器设计。

第1章引言1.1设计内容：用PLC控制五相2/3十拍步进电动机正反转与速度。

1.2控制要求：1.2.1五相步进电动机有五个绕组: A、B、C、D、E ,正转通电顺序: ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB反转通电顺序: ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB1.2.2用五个开关控制其工作：1号开关控制其运行 ( 启 / 停 )。

2号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.5 s)。

3号开关控制其中速运行 (转过一个步距角需 0.1 s)。

4号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.03 s)。

5号开关控制其转向 ( ON 为正转，OFF 为反转 )。

1.3设计思路对定时器进行不同的时间定时控制其速度。

通过定时器定时通、断电使步进电机不同绕组通、断电，实现步进电机的正反转。

第2章可编程控制器2.1 PLC的工作原理PLC 英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种机械或生产过程。

PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行的。

当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。

然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描；如此周而复始。

实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。

如图2-1：图2-1 PLC循环扫描工作图2.2 可编程序控制器的组成可编程序控制器硬件由中央处理器、电源、输出组件、输入组件、输入输出、编程器六部分构成:中央处理器（ Central Processor Unit 简称CPU）：它是可编程序控制器的心脏部分。

一种基于TMS320F2812的五相步进电机细分驱动方案黄勇【摘要】针对五相步进电机不易控制的问题,阐述了步进电机细分驱动原理,建立了细分驱动数学模型并在Matlab/Simlink环境下进行了仿真,在硬件系统设计方面采用TI公司专门用于电机控制的DSP处理器TMS320F2812来实现五相步进电机的细分驱动控制,给出了整个系统的软件设计.实验结果表明:采用DSP实现了五相步进电机的细分控制,提高了步进电机的分辨率、提升了系统的控制精度和性能.【期刊名称】《湖北民族学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(029)001【总页数】4页(P96-99)【关键词】步进电机;细分驱动;TMS320F2812【作者】黄勇【作者单位】湖北民族学院信息工程学院,湖北,恩施,445000【正文语种】中文【中图分类】TM383.6步进电机是纯粹的数字控制执行部件.它将电脉冲信号转换成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就会转动一个角度，因此非常适合于单片机控制[1].步进电机的角位移与输入脉冲成正比，没有累积误差，具有良好的跟随性.由于步进电机的优异性能，在工业控制中得到了广泛的应用.但步进电机大多数情况下采用开环控制，存在低频振荡、分辨率不高、有丢步和过冲的现象，不满足高紧密应用的场合.为了提高电机的运行平稳性和分辨率，解决单片机控制步进电机中存在的一些问题[2]，针对高性能的五相混合式步进电机，本文提出了一种步进电机细分驱动方案，采用TI公司推出的高性能DSP处理器TMS320F2812对步进电机进行细分驱动控制.1 五相步进电机细分驱动原理步进电机细分驱动控制，从根本上讲就是对电机绕组中电流的控制，使电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，以实现步距角的细分.五相步进电机作为步进电机的产品之一，在各个领域得到了广泛应用，针对五相步进电机，通过改变电机内部绕组中的电流，使合成磁场矢量的幅值恒定、合成磁场的角度变化均匀.本方案中采用的五相步进电机为按A-B-C-D-E首尾串联的五边形构成，步距角为0.72°.图1 TMS320F2812芯片内部结构框图Fig.1 Internal structure diagram of TMS320F2812图2 细分驱动系统硬件结构框图Fig.2 Hardware structure diagram of subdivided driving system2 TMS320F2812芯片TMS320F2812芯片是美国TI公司于2001年推出的功能较强大的32位定点DSP芯片，该芯片既具有数字信号处理能力、又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适合于有大批量数据处理的测控现场，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表以及电动机控制系统等.在TMS320F2812芯片内部集成了128K×16的FLASH存储器，16通道的高性能12位模数转换模块，以及提供良好控制功能的两个事件管理器模块.其内部结构如图1所示[3].3 细分驱动系统硬件设计方案提出的五相步进电机细分驱动设计主要由串口通信电路单元、脉冲分配电路单元、功率驱动电路单元、电流控制与电压检测电路单元等四部分构成.基于TMS320F2812的步进电机细分驱动系统框图如图2所示.3.1 脉冲分配电路单元方案采用PMM8714为脉冲分配器，该芯片内部由可逆环行计数器、时钟选通、激励方式控制与判断等主要部分组成.PMM8714适用于五相步进电机的控制，根据实际需要，可以选择六种不同的激励方式.3.2 功率驱动电路单元方案通过PMM5303将脉冲分配器PMM8714输出来的弱信号转换为强信号.PMM5303是一个用于驱动五相步进电机的专用模组，其内部集成有H桥的功率管，使用起来非常方便.3.3 电流控制电路单元该电路单元主要控制集成功率放大器PMM5303的输出电流大小.主要是通过DSP 处理器的IO口控制一片D/A转换器，该转换器的输出端接PMM5303的第1个引脚，当该引脚的电压发生变化时，可使集成功率放大器PMM5303的输出总电流在0～4 A之间变化.3.4 DSP串口通信电路单元该电路单元主要完成PC机向DSP处理器发送控制信号.通过PC机发送的指令改变DSP处理器输出的控制信号，以改变步进电机的运动方向、运行速度和细分数，同时在上位机的程序界面显示步进电机的运行状态.如果该细分驱动系统脱离PC 机，则可以用键盘显示电路来替代.4 仿真分析忽略一些次要的因素，假设输入五相步进电机的各相电流如公式(1)所示：(1)公式(1)中，k′为五相步进电机细分后运行拍数，k为脉冲序数.五相电机各相磁动势如公式(2)所示：(2)公式(2)中，Fa是磁动势矢量，由于五相步进电机五相在空间是均与分布的，其轴线间夹角是72°，由公式(1)和(2)可以推导出五相步进电机五相绕组在电机气隙中合成的磁动势如公式(3)所示：∑F=Fa(k)+Fb(k)+Fc(k)+Fd(k)+Fe(k)=2.5Fa(3)通过公式(3)可以得出，若五相步进电机五相通以连续的对称正弦电流，合成磁动势将保持幅度不变、绕圆周旋转，从而实现细分.按照上述思想，在Matlab/Simulink环境下进行了仿真分析[4-5]，对于原有步距角为0.72°的五相步进电机，把进行了26和27量化后的电流采样值通入到电机模型中，运行时间分别是0.7 s和1.4 s，五相步进电机转子转动0.72°的电流波形以及对应的转子所在位置，分别如图3、图4和图5、图6所示.图3 64细分电流图4 对应64细分电流电机转子位置 Fig.3 64 subdivision current Fig.4 Motor rotor position in 64 subdivision current conditions图5 128细分电流图6 对应128细分电流电机转子位置 Fig.5 64 subdivision current Fig.6 Motor rotor position in 64 subdivision current conditions对以上仿真结果分析可以得到：细分数越大，则位置精度越高，输入的电流也越接近正余弦波形； a、b、c、d、e相的电流改变一次，五相步进电机就步进一个细分步距角；细分步距角与细分数成近似的线性关系.5 系统软件设计软件是细分驱动系统方案中一个非常重要的组成部分，主要包括主程序、细分驱动程序、键盘显示程序和监测程序4个部分.主程序控制程序流程，主要完成程序初始化、中断设置及相关子程序的调用[6]，其流程图如图7所示；细分驱动程序以仿真的结果为依据，细分电流的输出通过查表的方式确定，其流程图如图8所示；键盘显示程序主要包括细分数的选择按键处理和电机运行步数的显示；监测程序主要用来检测电机绕组上的电压，防止高压烧坏电机.图7 主程序流程图图8 细分驱动程序流程图Fig.7 Main program flow chart Fig.8 Subdivision driver program flow chart6 测试结果及分析对于本方案的五相步进电机细分驱动系统，从测试其系统静态误差入手，分析了其性能.采用的五相步进电机为5线、静力矩为4.2 N.m、相电流2.8 A、相电阻0.58 Ω.测试过程为：用五相步进电机带动一测试台，当电机带动测试台运转时，通过24面棱体和自准直仪读数，在64细分和128细分情况下的测试结果如图9、图10所示.通过分析可以发现：系统的静态误差≤10″，没有发生丢步现象；重复性较好，可以运用到对精度要求比较高的环境中.图9 64细分测试结果图10 128细分测试结果Fig.9 Test results in 64 subdivision current conditions Fig.10 Test results in 64 subdivision current conditions7 结语采用TI公司的DSP处理器TMS320F2812实现的步进电机细分驱动方案，实现了对五相步进电机的64和128细分，使步进电机的步距角达到了20″，解决了步距角大的问题，提高了整个系统的平稳性、降低了电机的运行噪声，进一步扩大了步进电机的应用范围.该方案具有较高的工程应用价值.参考文献:[1] 王宗培.步进电动机的发展及建议[J].微电机,2004,37(4):47-49.[2] 刁红泉，胡伟雄，颜钢锋.基于单片机的改进型五相混合式步进电机驱动器设计[J].工程设计学报，2004,11(1):19-22.[3] 姚晓通，王紫婷.DSP技术实践教程：TMS320F2812设计与实验[M].北京：中国铁道出版社，2009：41-76.[4] 赵纪倩,贾要勤.基于Matlab/Simulink的DSP控制代码开发技术[J].电力电子技术，2010，44(12):59-61.[5] 朱文渝，姚娅川.基于Matlab的异步电动机间接矢量控制系统研究[J].磁性材料及器件,2010,41(5):57-69.[6] 郭建广,贾进滢,黄建刚,等.基于无线传感器网络的环境温度监测系统设计[J].湖北民族学院学报：自然科学版，2010，28(3)：353-356.。