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五相步进电机驱动器设计

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第３２卷第１期　
２０１４年３月　

簿　篥　糍糍　通　瓣警　

ＪＩＣＨＥＮＧＤＩＡＮＬＵ　ＴＯＮＧＸＵＮ　
Ｖ０１．３２　Ｎｏ．１　

Ｍａｒ．２０１４　

五相步进电机驱动器设计　
郑洲　周芳　
（北方通用电子集团有限公司微电子部　苏州２１５１６３）　
摘要：针对五相步进电机的控制方式，设计了一个结构简单的恒流控制系统。该控制电路利用　
ＰＷＭ控制器和ＣＰＬＤ的专用强大功能，解决了电机绕组电流的闭环控制和绕组通电次序的环形分配问　
题，极大简化了五相步进电机的结构，在工程应用中达到了设计要求。　
关键词：五相步进电机；驱动系统；恒流控制；ＣＰＬＤ　

ｌ　引　言　
步进电机作为一种数字伺服执行元件，具有　控制方便、定位精度高等优点，在工业领域广泛应　用，在一些高精度的仪器仪表中也越来越多地采　用步进电机驱动。步进电机的驱动控制系统对于　充分发挥步进电机的性能、改善其高频特性以及　提高其效率具有十分重要的作用…ｌ２　Ｊ。五相步进　电机具有天然步距角小、振动噪音小的优点，应用　于高精度要求的场合，适合进行微步控制，但因为　其结构复杂，接线和相电流切换技术也较复杂，限　制了它的应用。　本文根据五相混合式步进电机斩波恒流控制　策略，提出了一种五相混合式步进电机实用的控　
制方法。并且通过可编程逻辑器件（ＣＰＬＤ）和硬　
件的合理配合，简化了系统结构，提高实用性，为　
在工程中的应用奠定了技术基础。　

２　控制系统构成　
五相混合式步进电机斩波恒流驱动控制系统　
包括电流调节电路、逻辑综合电路、驱动电路、电　
流采样电路等。控制系统原理框图如图１所示。　

图１控制系统原理框图　
电流调节电路和逻辑综合电路为控制系统　
核心，分别由ＰＷＭ控制器和ＣＰＬＤ完成。ＣＰＬＤ　完成步进电机绕组通电次序的环形分配，产生桥　高端驱动信号处理电路所需的Ｐａ～Ｐｅ信号和低　端ＭＯＳ管驱动所需的Ｎａ—Ｎｅ信号。ＰＷＭ控制　
器输出ＰＷＭ信号，一方面依据电流采样反馈量　
１８　墼　第３２卷第１期　
ＩＳＥＮＳＥ实现输出脉宽调节，控制电机电流稳定；　
另一方面配合ＣＰＬＤ环形分配的Ｐａ～Ｐｅ信号和　
Ｎａ—Ｎｅ信号，控制步进电机的运行状态。桥高端　

驱动信号处理电路为高端ＭＯＳ管驱动电路，保证　
高端ＭＯＳ管的正常导通和关闭。驱动电路为高、　
低端ＭＯＳ管组成的桥电路。　

图２　ＰＷＭ控制电路　

图３环形分配和信号检测控制电路　
３系统硬件电路设计　薯　誓　

３．１　控制电路　路如图２所示。数字部分主要包括高、低端ＭＯＳ　
本文设计的五相步进电机驱动控制系统采用　管导通的环形分配信号电路，其电路如图３所示。　
第３２卷第１期　萋　萋　１９　
ＰＷＭ控制器选用ＴＩ公司生产的用于开关电　
源设计的ＴＬ４９４，其功能是检测电机电流大小，并　进行放大，控制输出脉冲占空比，从而控制输出调　制信号以保持电机电流恒定。同时通过ＰＷＭ信　号控制Ｖ１（ＪＦＥＴ管），使电流采样信号ＩＳＥＮＳＥ和　其同步。ＣＰＬＤ选用由Ａｌｔｅｒａ公司生产的　ＥＰＭ７Ｏ６４ＳＴＣ４４。芯片主要功能是实现步进电机　
通电顺序的环形分配，根据外部脉冲输入产生　
Ｐａ、Ｎａ—Ｐｅ、Ｎｅ五路驱动控制信号。　
３．２高端ＭＯＳ管驱动电路　

高端ＭＯＳ管驱动电路主要由三极管、电阻　等器件构成，如图４所示。ＣＰＬＤ分配的控制信　号Ｐａ～Ｐｅ，经高端ＭＯＳ管驱动信号处理电路产　生了高端ＭＯＳ管驱动信号。拿第一相举例，当　ＰＷＭ信号为高电平时，Ｐａ为高电平，高端ＭＯＳ　管截止；当ＰＷＭ信号为低电平时，Ｐａ为高电平，　高端ＭＯＳ管导通；当ＰＷＭ信号为低电平时，Ｐａ　为低电平，高端ＭＯＳ管截止。因此可知，只有在　ＰＷＭ信号为低，高端ＭＯＳ管驱动信号Ｐａ为高　时，高端ＭＯＳ管导通，，同时由ＣＰＬＤ产生的低端　ＭＯＳ管驱动信号，直接驱动低端ＭＯＳ管（具体分　Ｖ　配见图５和表１），才形成电机电流回路，驱动电　
机运转。　
３．３采样电路　
驱动电路采用五相桥电路，电机绕组电流采　
样仅通过一只无感采样电阻完成，此设计大大简　
化了电路的结构，如图５所示。当环形分配的高　
端ＭＯＳ管和对应的低端ＭＯＳ管导通，电机电流　
流过无感采样电阻Ｒｓ完成采样，输出ＩＳＥＮＳＥ信　
号。结合图２，当ＰＷＭ为低电平时，Ｖｌ（ＪＦＥＴ管）　
导通，电流采样信号输入到脉宽调制器，实现电机　
电流闭环反馈控制脉宽的功能。　

图５采样电路　
釜　慕谶　萋　第３２卷第１期　
４五相环形分配器设计　
步进电机的环形分配器是各相驱动信号的来　
源。本文选用的五相混合式步进电机各相绕组采　用首尾相接的环形连接方式，五相桥驱动；从而该　环形分配器可以实现整步和半步两种电流控制模　式，即五相五拍和五相十拍的绕组导通方式　Ｊ。　表１　环形分配器工作状态表　励磁状态　上桥臂Ｐａ—Ｐｅ　下桥臂Ｎａ～Ｎｅ　ＡＢＣＤＥ　１０１０１　０１０１０　ＢＣＤＥＡ　００１０１　１１０１０　ＣＤＥＡＢ　Ｏ１１０１　ｌ００１０　ＤＥＡＢＣ　０１００１　１０１１０　ＥＡＢＣＤ　０１０１１　１０１Ｏ０　ＡＢＣＤＥ　０１０１０　１０１０１　ＢＣＤＥＡ　１１０１０　ｏ０１０１　ＣＤＥＡＢ　１０ｏｌ０　Ｏ１１０ｌ　ＤＥＡＢＣ　ｌ０ｌ１０　０１ｏ０１　ＥＡＢＣＤ　１０１Ｏ０　０１０１１　ｌ－０　－Ｏ　ｍ　１　Ｉ　ｄ　．１’・“　矗　２　ｒ　曲　，　簟ｔ　ｓ　■’‘　“　＿＇ｔ　ｄ｝Ｂ　口，　ｐｌＯ　叠Ｉｌ　“　茸－　为了充分提高电机带载能力，本文采用五相　绕组同时励磁的工作方式。其五相十拍工作状态　表如表１所示。其中励磁状态为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ表　示该相绕组正向导通，Ａ、Ｂ、ｃ、Ｄ、Ｅ表示该相绕组　
反向导通。环形分配器输出定义为高电平有效，　
上下桥臂为“１”表示导通，“０”表示截止。　
根据环形分配器工作状态表，ＣＰＬＤ内部逻　
辑在Ｑｕａｒｔｕｓ　ｌＩ软件环境下的仿真波形如图５所　
示。其中，ｃｌｋ为外部脉冲输入，用来控制电机转　
速，ＣＬＫ＿ｓｐｅｅｅｄ为基准脉冲；Ｐａ—Ｐｅ为五相桥高　
端ＭＯＳ管控制信号；Ｎａ～Ｎｅ为五相桥低端ＭＯＳ　
管控制信号。此十路信号定义为高电平有效　】。　

５　结语　
本文设计的五相混合式步进电机斩波恒流控　
制系统，通过ＰＷＭ电路实现了对电机电流的闭　
环控制，经可编程逻辑器件（ＣＰＬＤ）实现了五相　
步进电机的环形分配，原理新颖、可靠，在实际工　
作中易于调试。电机在实际工程应用中运行平　
稳、可靠，带载能力强，控制效果达到设计要求。　

图６环形分配器仿真波形　
参考文献：　
［１］刘宝延，程树康．步进电机及其驱动控制研　
究．［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，　
１９９７．　
［２］李忠杰，李守信．步进电机应用技术［Ｍ］．北　

京：机械．ｘ－，＿ｌｋ出版社，１９８８．　
［３］Ｘｉｌｉｎｘ．Ｘｉｌｉｎｘ￣ｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｅｒｉｅｓ　２．１ｉ［ＣＰ／ＤＫ］．　
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｘｉｌｉｎｘ．ｔｏｍ．　
［４］候恩奎．基于ＣＰＬＤ的可控步进电机脉冲分配　
器设计［Ｊ］．控制工程，２００５，１２（１）：９４—９６．

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《电器控制与PLC课程设计》-五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试

《电器控制与PLC课程设计》-五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试

郑州航空工业管理学院《电器控制与PLC课程设计》课程设计说明书2007级电气工程及其自动化专业 73 班级题目五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试姓名学号指导教师二О一一年一月二十日五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试一、控制要求：1．五相步进电动机有五个绕组: A、B、C、D、E ,正转顺序: ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB 反转顺序: ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB 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 秒)。

3 号开关控制其中速运行 (转过一个步距角需 0.1 秒)。

4 号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.03 秒)。

5 号开关控制其转向 ( ON 为正转，OFF 为反转 )。

二、课题要求：1．按题意要求, . I/O编址,画出控制梯形图。

2．对梯形图程序、硬件接线图加以说明。

3. 完成课程设计说明书输入输出编址控制步进电机的个输入开关及控制A、B、C、D、E五相绕组工作的输出端在PLC中的I/O编址如表1所示。

表1 I/O地址分配表选择PLC类型根据上图的I/O分配表通过查阅手册选择S7-200 CPU222基本单元（8入/6出）1台PLC外部接线图PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。

步进电动机采用五相十拍控制外部接线图如图3—1所示。

1M1L I0.0Q0.0I0.1I0.2I0.32MI0.4I0.5I0.6I0.7ML+ DC24V Q0.1 Q0.22L Q0.3 Q0.4 Q0.5N L1SB1 SB2 SB3 SB4QSABCDECPU222220V ACFU图1步进电动机采用五相十拍控制外部接线图控制流程图由于上述具体控制要求，可作出步进电机在运行时的程序框图，如图3—2所示。

五相步进电机实验概述

五相步进电机实验概述

五相步进电机实验概述五相步进电机是一种常用的电动机，具有高精度、低噪音、快速响应等特点，被广泛应用于机器人、精密仪器、通讯设备、医疗器械等领域。

在五相步进电机的驱动控制方面，实验验证是必不可少的环节。

本文以五相步进电机实验为出发点，介绍了五相步进电机的基本原理、实验装置、实验步骤以及实验结果分析等内容。

1. 基本原理五相步进电机是一种将交流电信号转换为直流电信号的电机，其工作原理是通过五组电磁线圈的电流变化来实现转动。

五相步进电机的运行分为两种模式：全步进模式和半步进模式。

在全步进模式下，最小步长角度为1.8度，即转一圈需要200个步进信号；而在半步进模式下，最小步长角度为0.9度，即转一圈需要400个步进信号。

五相步进电机的步进运动是通过一个称为步进驱动器的设备来实现的。

2. 实验装置五相步进电机实验的主要装置有五相步进电机、步进驱动器、控制电路板、程序设计器以及计算机等。

步进电机是由五组电磁线圈组成的，每个线圈都可以独立控制。

步进驱动器用于控制电流的变化，从而实现步进运动。

控制电路板用于将计算机上的命令转换成相应的电流信号，并通过步进驱动器传输给步进电机。

程序设计器则用于编程控制步进电机的转动角度和步长等参数。

计算机是整个实验装置的核心，通过计算机可以实现对步进电机的实时监控和控制。

3. 实验步骤（1）连接电路。

首先，将五相步进电机、步进驱动器、控制电路板和计算机连接起来，并进行相应的设置。

（2）编写控制程序。

使用编程语言编写相应的控制程序，包括控制步进电机转动的角度和步长等参数。

（3）运行程序并实时监控。

将编写好的程序上传至程序设计器，然后运行程序，并实时监控五相步进电机的运动状态。

（4）分析实验结果。

根据实际运行情况，对实验结果进行分析和比较，评估该设备的性能和可靠性。

4. 实验结果分析通过五相步进电机实验，我们可以对该设备的转动速度、精度和稳定性等方面进行评估和分析。

实验结果表明，五相步进电机具有转动稳定性好、响应速度快等优点，适用于需要精准控制转动角度和步长的应用场景。

实验五 步进电机驱动实验

实验五 步进电机驱动实验

实验五 步进电机驱动实验一、实验目的1．学习步进电机工作原理。

2．学习步进电机与单片机的接口电路设计和编程。

二、实验设备1．USB 线2．单片机最小系统系统教学实验模块 3．步进电机实验模块 三、实验要求1.要求采用4相8拍的工作方式通过按键控制步进电机的正转、反转和停止。

2.用Proteus 仿真软件画出实验电路图，将在uVision3 IDE 软件中生成*.hex 下载到Proteus 仿真电路图中的单片机芯片中，观察实验现象。

四、实验原理步进电机可以通过给相应磁极加以脉冲，来对旋转角度和转动速度进行高精度的控制。

采用单片机来进行步进电机的控制，接口电路简单，控制灵活，因此有比较广泛的应用。

1. 步进电机的控制实验装置上采用的步进电机为四相6线制混合型步进电机，电源＋12VDC ，如图8－1所示。

通过单片机口线按顺序给A 、B 、C 、D 绕相组施加有序的脉冲直流，就可以控制电机的转动，从而完成了数字→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。

2. 步进电机的驱动电路ULN2003是一个大电流驱动器，为达林顿管阵列电路，可输出500mA 电流，同时起到电路隔离作用，各输出端与COM 间有起保护作用的反相二极管。

步进电机与单片机的接口电路如图5-1所示。

P1.0P1.1P1.2P1.3P3.0P3.1P3.2k1k3k2图5-1 步进电机的驱动电路3. 步进电机的工作方式 四相步进电机的工作方式：单相四拍工作方式：电机控制绕组A、B、C、D相的正转通电顺序为A→B→C→D→A；反转的通电顺序为：A→D→C→B→A；4相8拍工作方式：正转绕组的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA；反转绕组的通电顺序为DA→D→DC→C→CB→B→BA→A。

双4拍的工作方式：正转绕组通电顺序为AB→BC→CD→DA；反转绕组通电顺序为AD→CD→BC→AB。

五相十拍步进电机

五相十拍步进电机

机电传动与控制综合课程设计设计说明书设计题目: 五相十拍（2/3）步进电机控制程序设计院系名称：机电工程学院专业班级：机制F09 学生姓名：学号： ********指导教师：***2012年12 月05 日内容摘要本文主要是介绍采用可编程控制器(PLC) 对五相十拍步进电机进行控制的设计原理及方法进行分析。

其中步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，是一种控制精度极高的电机,常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。

可编程控制器是工业自动化设备的主导产品，具有控制功能强，可靠性高，适用于不同控制要求的各种控制对象等优点。

本文详细的介绍了用PLC控制步进电机系统的原理，及硬件和软件设计方法。

其内容主要包括I/O地址分配、PIC外部接线图、控制流程图、主电路图、梯形图、元件清单以及语句表。

本文设计过程中使用了十六位移位寄存器，大大简化了程序的设计，使程序更间凑，方便了设计。

在实际应用中表明此设计是合理有效的。

关键词: PLC;梯形图；元件清单；五相十拍步进电机目录第1章引言 (1)第2章系统总体方案设计 (2)2.1 程序设计的基本思路 (2)2.2 五相步进电动机的控制要求 (2)2.3 方案原理分析 (2)第3章 PLC控制系统设计 (4)3.1 设计流程分析 (4)3.1.1 控制流程图 (4)3.1.2电机工作过程图 (5)3.2 I/O地址分配表 (5)3.3 PLC外部接线图 (6)3.4 主电路 (7)3.5 元件清单 (8)3.6 程序设计 (8)3.6.1 步进控制设计 (8)3.6.2 梯形图设计 (10)3.7 调试说明 (11)第4章设计总结 (12)致谢 (13)参考文献 (14)附录 (15)附录一程序梯形图 (15)附录二程序语句表 (20)第1章引言步进电机作为执行元件，是电气自动化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。

步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。