步进电机细分驱动电路设计

四相步进电机驱动电路及驱动程序设计我们用一个单片机控制多个步进电机指挥跳舞机器人的双肩、双肘和双脚伴着音乐做出各种协调舒缓充满感情的动作，荣获一等奖。

电路采用74373锁存，74LS244和ULN2003作电压和电流驱动，单片机（Atc52）作脉冲序列信号发生器。

程序设计基于中断服务和总线分时利用方式，实时更新各个电机的速度、方向。

整个舞蹈由运动数据所决定的一截截动作无缝连接而成。

本文主要介绍一下这个机器人的四相五线制步进电机驱动电路及程序设计.1、步进电机简介步进电机根据内部线圈个数不同分为二相制、三相制、四相制等。

本文以四相制为例介绍其内部结构。

图1为四相五线制步进电机内部结构示意图。

2、四相五线制步进电机的驱动电路电路主要由单片机工作外围电路、信号锁存和放大电路组成。

我们利用了单片机的I/O端口，通过74373锁存，由74LS244驱动，ULN2003对信号进行放大。

8个电机共用4bit I/O端口作为数据总线，向电机传送步进脉冲。

每个电机分配1bit的I/O端口用作74373锁存信号，锁存步进电机四相脉冲，经ULN2003放大到12V驱动电机运转。

电路原理图（部分）如图2所示。

（1）Intel 8051系列单片机是一种8位的嵌入式控制器，可寻址64K字节，共有32个可编程双向I/O口，分别称为P0～P3。

该系列单片机上集成8K的ROM，128字节RAM可供使用。

（2）74LS244为三态控制芯片，目的是使单片机足以驱动ULN2003。

ULN2003是常用的达林顿管阵列，工作电压是12V，可以提供足够的电流以驱动步进电机。

关于这些芯片的详细介绍可参见它们各自的数据手册。

（3）74373是电平控制锁存器，它可使多个步进电机共用一组数据总线。

我们用P1.0～P1.7作为8个电机的锁存信号输出端，见表1。

这是一种基于总线分时复用的方式，以动态扫描的方式来发送控制信号，这和高级操作系统里的多任务进程调度的思想一致。

步进电机细分工作原理
步进电机细分工作原理是指通过控制电流波形，使步进电机在每个步进角度上分为更小的微步，从而实现更精确的控制。

步进电机是一种将电信号转换为机械运动的装置，它由一个固定的磁场与一个可旋转的磁场之间的相互作用驱动。

当电流通过驱动器中的细分电路时，细分电路会将输入的电流信号进行分析并转换为根据所设定的细分级数产生相应的电流波形。

细分电路中通常采用Pulse Width Modulation（PWM）技术，即通过调节电流信号的占空比来控制电机的驱动电流。

通过改变电流的大小和方向，可以实现步进电机的连续旋转或停止。

在细分过程中，输入的电流信号被切割成很多个小步进，通过不断改变电流的大小和方向，可以使步进电机在任意位置停下或继续旋转，从而实现更高的定位精度。

细分级数的选择对步进电机的运动精度和平滑度有重要影响。

通常情况下，细分级数越高，步进电机的旋转角度越小，运动精度和平滑度越高。

然而，细分级数越高，所需的计算和控制效率也会越低，因此需要在控制系统设计中进行权衡。

步进电机驱动电路设iti耍隧着数字化技术发展，数字控制技术得對了广泛而深入的应用。

步进电机是一种将数字信号直接转换成轴位務或线位務的控制腿动元件,具有快速起动和停止的特点。

S 为步进电动机组成的控翎系统结构简单，价招低廉，性能上能满足工业腔制的基本要求, 所以广泛地应用于手工业自动控翎、数控机床、组合机床、机器人、il算机外围设备、照相机，投影仪、像机、大型望远镜、卫星天线定位系貌、医疗器件以员各种可腔机MIR等等。

直流电机广泛应用于it算机外围设备（如硬盘、軟盘和光盘存棒器）、家电产品、医疗器械和电动车上,无刷直流电机的转子部普遍使用永龜林料组成的磁鋼, 并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。

在电工设备中的应用，除了直浦电磁铁（直济继电器、直滾接触器等）外，最重要的就是应用在直济废转电机中。

在发电厂里，同步发电Hl的助脱机、蓄电池的充电HI 等，都是直流发电Hl；錯炉给粉机的原动机是直流电动机。

此外,在许多工业部门，例如大塑轧鋼设备、大型精密机床、矿井卷畅机、市电车、电缆设备要求严怡线速度一致的地方等，通常都果用直流电动机作为原动机来isaji作机械的。

直逍发电机通常是作为直流电源，向负裁输岀电能；a 潦电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负我输出机械能。

在控初系坑中, 直潦电机还有其它的用迩，例如测速电机、何服电机等。

他们都是利用电和磁的相互作用来实现向机械能能的转换。

介鉛了步进电机和直流电机原理及其驱动程序控初控制模块，通11 AT89S52单片机及脉冲分配器（R林逻辑转换器）L298完成步进电机和宜流电机各种运行方式的控制。

实现步进电机的正反转速18控制并且显示数振。

整个系筑果用模快化设计，结枸简单、可靠,通il按建控制，操作方便，节省成本。

关鍵词:步进电机，单片机控制,AT89S52, L297, L2981步进电动机11.1步进电机简介11.2步进电机分类22步进电机工作原理32. 1步进电HI结构32. 2步进电机的旋转方武3 3设计原理53.1硕件电路组成53.2步进电机控制电路53.2.1廿数器工作模成63.2.2定时器工作模式6 4步进电机驱朋电路设it 74.1驱动芯片L29774.2驱动芯片L29884.3權盘电路94.4显示电路105步进电机控制程序11 总给14致15参考文151步进电动机1.1步进电机简介步进电动#1是一种稱电脉冲信号转換成角位務或线位務的精密执行元件,由于步进电机具有控制方便、体枳小等特点,所以在数控系统!自动生产线!自动灿表!绘图机和计算机外围设备中需到广泛应用。

步进电机H桥功率驱动电路设计步进电机是一种特殊的直流电机，可以通过一定的控制方式实现精准的角度控制。

步进电机的驱动电路通常采用H桥功率驱动电路，其中H桥电路是通过四个开关元件（通常是MOSFET管或者IGBT管）和两个电源组成的，能够实现电机的正、反向旋转。

H桥电路由四个开关元件组成，其中开关S1和S4连接在一起，共同控制电机的一个端口，开关S2和S3连接在一起，共同控制电机的另一个端口。

H桥电路有四种状态：S1和S4为导通状态，S2和S3为截止状态；S2和S3为导通状态，S1和S4为截止状态；S1和S3为导通状态，S2和S4为截止状态；S2和S4为导通状态，S1和S3为截止状态。

步进电机的驱动原理是通过控制H桥电路的四种状态，使得电机在施加电源电压的不同方向上旋转。

控制步进电机的一个重要参数是步距角，即电机每转一圈所走过的角度。

根据步距角的大小，步进电机可以分为全角步进电机和半角步进电机。

全角步进电机的步距角为360度/步数，控制方式可以是单相驱动方式或者双相驱动方式。

单相驱动方式只需要两个驱动电路，一个控制电机的一个端口，另一个端口通过调整S1和S4的导通时间来实现，通过调整导通的时间长短，可以控制电机的速度。

双相驱动方式需要四个驱动电路，分别控制电机的两个端口，通过交替切换四种状态来实现控制。

半角步进电机的步距角为360度/（2×步数）。

控制半角步进电机通常采用四相驱动方式，需要八个驱动电路，通过交替切换八种状态来实现控制。

四相驱动方式的原理是将步进电机的一个端口分成四段，通过施加电源电压的不同顺序，使得电机在不同的相邻段上产生磁场，并完成旋转。

步进电机的驱动电路设计需要考虑以下几个问题：1.驱动电路的工作电压范围，要能适应电机的额定电压以及工作电压波动范围。

2.驱动电路的开关元件的选型，要能够满足电流和功率的要求，并具有足够的开关速度。

3.驱动电路的保护措施，要考虑过流、过热等异常情况的保护。

脉宽调制(PWM)实现步进电机的细分驱动技术作者：时念科吴美莲来源：《硅谷》2011年第17期摘要：步进电机作为一种控制电机，其控制精度（分辨率）取决于步距角的大小，单纯地靠机械手段降低其步距角是有限的。

常采用细分驱动技术。

着重介绍脉宽调制（PWM）实现的步进电机细分驱动技术，该技术不仅可以提高步進电机的分辨率，还可以克服步进电机在低速时易出现的低频振动现象。

关键词：步进电机；步距角；矩角特性；脉宽调制（PWM）；细分驱动中图分类号：TP275 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0910039－010 前言步进电机作为控制电机，在机电一体化系统的执行装置中有独特的应用，该电机的控制精度（分辨率）取决于其步距角α的大小，步距角越小，分辨率也越高。

由于步距角α=3600/KMZ，（其中K为供电方式，三拍供电：K=1；六拍供电：K=2；M为定子相数；Z 为转子齿数）。

受机械加工技术的限制，定子的相数和转子的齿数都是有限的，所以步进电机的步距角就不可能无限小，一般为几分到几十度。

另外，步进电机在低速运转时易出现低频振动现象，其振动频率与负载情况和驱动器性能有关，共振时易造成设备损坏等严重情况，并伴有刺耳的啸叫声。

为改善步进电机的运行质量和提高分辨率，常采用在电机上加阻尼器或在驱动器上采用细分技术，本文就步进电机的细分驱动技术作简单介绍。

1 步进电机的细分驱动技术原理步进电机细分驱动控制就是通过脉宽调制（PWM），对步进电机的驱动脉冲进行细分，将一个脉冲驱动信号细分为若干个小的脉冲，这样各相绕组中电流就按设定的规律阶梯上升和下降，从而获得相电流从最小到最大的多个中间稳定状态，各相的合成磁场也就有多个稳定的中间状态，转子就按这些中间状态以微步距转动。

1.1 首先介绍步进电机的静态特性——距角特性静态特性是指步进电机绕组电流为恒定值，转子静止不转时表现出的机械特性，也叫矩——角特性。

空载时，当且仅当某相通电并保持，此时，转子相应的齿与该相定子对齐，这时转子不输出电磁转矩。

步进电机的细分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1.5o~3o，往往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Intel 80C196MC 单片机控制的步进电机恒转矩细分驱动方案，其运行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很强的实用性。

细分电流波形的选择及量化步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。

一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。

因此，要想实现对步进电机的恒转矩均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流，使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，而且每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化也要均匀。

我们知道在空间彼此相差2p/m的m相绕组，分别通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦电流，合成的电流矢量便在空间作旋转运动，且幅值保持不变。

这—点对于反应式步进电机来说比较困难，因为反应式步进电机的旋转磁场只与绕组电流的绝对值有关，而与电流的正反流向无关。

以比较经济合理的方式对三相反应式步进电机实现步距角的任意细分，绕组电流波形宜采用如图1所示的形式。

图中，a为电机转子偏离参考点的角度。

ib滞后于ia，ic超前于ia。

此时，合成电流矢量在所有区间b＝Ime-ja，从而保证合成磁场幅值恒定，实现电机的恒转矩运行。

且步进电机在这种情况下也最为平稳。

将绕组电流根据细分倍数均匀量化后，所得细分步距角也是均匀的。

为了进一步得到更加均匀的细分步距角，可通过实验测取一组在通入量化电流波形时的步进电机细分步距的数据，然后对其误差进行差值补偿，求得实际的补偿电流曲线。

42步进电机细分原理
步进电机细分原理是通过给步进电机的驱动电流施加不同的细分信号来控制步进电机转动的微小角度。

步进电机通常由两相、三相或多相绕组组成，每相绕组的电流方向可以根据细分信号的变化而改变。

在正常驱动情况下，细分信号的频率与步进电机需求的速度相对应，但在细分驱动时，细分信号的频率会比步进电机需求的速度更高。

细分驱动的主要原理是使用频率相对较高的脉冲信号来控制电流的方向变化，以产生更精确的步进电机角度。

通常，电机驱动器会将输入的脉冲信号进行细分，并通过电流控制电路来实现相应的电流变化。

这样，步进电机每接收到一个细分脉冲信号，就会转动一个微小的角度，从而实现更精确的位置控制。

细分原理的实现方法有很多种，如半步细分、四分细分、八分细分等。

不同的细分方式对应不同的细分信号形式和相应的驱动电路。

通常，细分驱动电路需要使用专门的步进电机控制芯片或者驱动器来实现。

需要注意的是，步进电机细分可以提高步进电机的转动精度和位置控制能力，但同时也会增加系统的复杂性和成本。

因此，在实际应用中需要根据具体需求和预算来选择合适的细分方式。