五相步进电机驱动电路开发(论文翻译)_图文(精)
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。
步进电机及其驱动系统简介中英文翻译
About stepper motor and drive systemStep characteristics for machine for angular displacement for entering the electrical engineering is first kind will give or get an electric shocking the pulse signal conversion cowgirl or line potential moving battery carry outing a piece, having the fast stopping, accurate step entering and directly accepting the arithmetic figure measuring, because of but got the extensive application.Such as in the drafting machine, print the machine and optical instrument inside, and all adopt the inside of a place control system for entering the electrical engineering to positioning to paint the pen print head or optical prinipal, especially indrstry process the type control, and move to spread to feel the to can immediately attain the precision fixed position because of its precision and need not potential, and control the technique along with the calculator of continuously deveolp, applied to would be more and more extensive.Control and can is divided into the simple control sum the complicacy to control to motor two kind.The simple control points to proceeds to start to motor, the system move, positive and negative revolution and sequential plicacy the control point to the motor's revolving speed, screw angle, turning moment, tension, electric current etc. physics quantisty progress control.Control technique that the development that motor get force is in latest development achievement that micro-electronics technique, electric power electronics, spread to feel the the technique, automatic control the technique, tiny machine the application technique to wait.Exactly the advance of these techniques make the motor control the technique at near two 10-year insides change for turn overing the ground of day is take placed.Among them the motor's control division have already been controled by emulation gradually let locate to regard single flake machine as principle of microprocessor control, formation the mix control system of the arithmetic figure and emulation and the application of the pure arithmetic figure control system, combine control the direction to total amount word to quickly deveolp.The motor's drive part of power forusing the piece experienced a few renewals to change the on behalf, current switch speed sooner, more simple whole type power piece of control the MOSFET become the main current with IGBT.Stepper motors have the following benefits:•Low cost•Ruggedness•Simplicity in construction•High reliability•No maintenance•Wide acceptance•No tweaking to stabilize•No feedback components are needed•They work in just about any environment•Inherently more failsafe than servo motors.There is virtually no conceivable failure within the stepper drive module that could cause the motor to run away. Stepper motors are simple to drive and control in an open-loop configuration. They only require four leads. They provide excellent torque at low speeds, up to 5 times the continuous torque of a brush motor of the same frame size or double the torque of the equivalent brushless motor. This often eliminates the need for a gearbox. A stepper-driven-system is inherently stiff, with known limits to the dynamic position error.Stepper Motor DisadvantagesStepper motors have the following disadvantages:•Resonance effects and relatively long settlingtimes•Rough performance at low speed unless amicrostep drive is used•Liability to undetected position loss as a result ofoperating open-loop•They consume current regardless of loadconditions and therefore tend to run hot•Losses at speed are relatively high and can causeexcessive heating, and they are frequently noisy(especially at high speeds).•They can exhibit lag-lead oscillation, which isdifficult to damp. There is a limit to their availablesize, and positioning accuracy relies on themechanics (e.g., ballscrew accuracy). Many ofthese drawbacks can be overcome by the use ofa closed-loop control scheme.Note: The Compumotor Zeta Series minimizes orreduces many of these different stepper motor disadvantages.There are three main stepper motor types:•Permanent Magnet (P.M.) Motors•Variable Reluctance (V.R.) Motors•Hybrid MotorsWhen the motor is driven in its full-step mode, energizing two windings or “phases”at a time (see Fig. 1.8), the torque available on each step will be the same (subject to very small variations in the motor and drive characteristics). In the half-step mode, we are alternately energizing two phases and then only one as shown in Fig. 1.9. Assuming the drive delivers the same winding current in each case, this will cause greater torque to be produced when there are two windings energized. In other words, alternate steps will be strong and weak. This does not represent a major deterrent to motor performance—the available torque is obviously limited by the weaker step, but there will be a significant improvement in low-speed smoothness over the full-step mode.Applications in hazardous environmentsor in a vacuum may not be able to use a brushed motor. Either a stepper or a brushless motor is called for, depending on the demands of the load. Bear in mind that heat dissipation may be a problem in a vacuum when the loads are excessive.continuous duty applications suit the servo motor, and in fact a step motor should be avoided in such applications because the high-speed losses can cause excessive motor heating.are the natural domain of the stepper due to its high torque at low speeds, good torque-to-inertia ratio and lack of commutation problems.The brushes of the DC motor can limit its potential for frequent starts, stops and direction changes.continuous duty applications are appropriate to the step motor. At low speeds it is very efficient in terms of torque output relative to both size and input power. Microstepping can be used to improve smoothness in lowspeed applications such as a metering pump drive for very accurate flow control.Stepper motor is a stepper motor for precise electrical and mechanical actuators, which are widely used in industrial machinery, digital control, for the system reliability, interoperability, maintainability, and cost-optimal, according to the control system functional requirements and Control system through the microcontroller memory, I/O interface, interrupt, keyboard, LED display of the expansion of the annular distributor stepping motor, drive and protection circuit, man-machine interface circuit, interrupt system and reset circuit, a single voltage drive circuit, etc.designed to achieve a four-phase stepper motor rotating, and emergency stop functions.To achieve the stepping motor system in NC Machine Tools, system design, two external interrupts, in order to achieve within a certain period of time stepper motor repeated Reversible function, ie, the turret CNC automatic feed movement. With the continuous development of single chip microcomputer, microcontroller in household electronic products widely applied, since the since the early sixties, the stepper motor applications are greatly enhanced.People use it to drive the clock and other instruments with pointers, printers, plotters, disk CD-ROM drive, a variety of automatic control valves, various tools, as well as robots and other mechanical devices.In addition,as the acIn addition, as the actuator, stepper motor is one of mechanical and electrical integration of the key products are widely used in a variety of automatic control systems, microelectronics and computer technology with the development of its requirements with the Japanese fear of growing in all the field of application of the national economy has. Stepper motor digital control system of electromechanical actuators commonly used, due to its high precision, small size, flexible to control, so the smart meter and position control hasbeen widely used in large-scale integrated circuits technology development, and SCM The increasing popularity of design features, the lowest price of the stepper motor control driver provides advanced technology and adequate resources.步进电机及其驱动系统简介步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件，具有快速启停、精确步进以及直接接受数字量的特点，因而得到了广泛的应用。
五相步进电动机
摘要着重对步进电动机的PLC控制系统作了研究。
步进电动机的拍数控制采用步进指令，实现五相步进控制的独立模块，按照指令执行相应的模块即可。
正反转控制是用一个输出继电器实现输出脉冲顺序的控制。
速度的控制就是对输出脉冲时间的控制，本设计用时间继电器指令、数据加减1指令、数据比较指令、位数据传输指令等实现了它的控制。
采用PLC控制步进电动机可以用很低的成本实现很复杂的控制方案，而且由于PLC编程的灵活性，使修改控制方案成为轻而易举的事情，只要重新编程序即可。
关键词:步进电机可编程序控制器五项步进引言可编程序控制器简称为PLC，它出现于20世纪60年代，随着PLC的迅速发展，它的性能越来越高，价格越来越便宜。
因此就有可能比较普遍地应用PLC来控制各类电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。
近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。
随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。
通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC 相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。
实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC 取代嵌入式控制器。
第一章绪论步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，控制系统中PLC用来产生控制脉冲;通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量;同时通过编程控制脉冲频率一一既伺服机构的进给速度;环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。
plc控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也可以采用如图1所示的硬件环行分配器。
五相步进电机驱动电路开发(论文翻译)_图文(精)
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。
步进电机的构造(以5相步进为例)
步进电机的构造（以5相步进为例）
步进电机的构造主要采纳图示的方式进行讲解：步进电动机构造上大致分为定子与转子两部分。
转子由转子1、转子2、永久磁钢等3 部分构成。
而且转子朝轴方向已经磁化，转子 1 为N 极时，转子2 则为S 极。
定子拥有小齿状的磁极，共有10个，皆绕有线圈。
其线圈的对角位置的磁极相互连接着，电流流通后，线圈即会被磁化成同一极性。
（例如某一线圈经由电流的流通后，对角线的磁极将同化成S 极或N 极。
）对角线的2个磁极形成1个相，而由于有A 相至E相等5个相位，因此称为5 相步进电动机。
系统构成图示转子的外圈由50个小齿构成，转子1 和转子2 的小齿于构造上互相错开1/2 螺距。
由此转子形成了100个小齿。
目前已经有转子单个加工至100齿的高辨别率型，那么高辨别率型的转子就有200个小齿。
因此其机械上就可以实现一般步进电机半步(一般步进电机半步需要电气细分达到)的辨别率。
电动机构造图2∶与转轴成垂直方向的断面图
1。
五相步进电机全数字恒流驱动系统设计
出 了一种 五相 混合 式步进 电机简单 实用 的控 制方 法 。并且 通 过 单 片 机 和 复 杂 可 编 程 逻 辑 器 件
（ Ｐ Ｄ） Ｃ Ｌ 的合 理配 合 ， 化 了系 统结 构 ， 简 提高 了 系 电流 调节 电路 和逻辑综 合 电路为 控制 系统 的
维普资讯
控制 与应 用技术 Ｅ Ｃ ＭＡ
迫乖 乙与粒 制 应 用２ ０，４ １ ０７３ （ ）
五 相 步 进 电机全 数 字恒 流 驱 动 系统设 计
李 颖 ， 刘 景林 ， 杨永 亮 ， 王 超
（ 北工业 大 学 ，陕 西 西安 西
Ｌ ｔｇ， ｕＵ Ｊｎ — ｎ， Ｙ ｌ ｎ Ｙ ｉｇ ｌ ＡＮＧ Ｙ ｎ —ｉｎ ＷＡ ｈ ｏ ｉ ｏ ｇ ｌ ｇ， ａ ＮＧ Ｃ ａ
（ ｏ ｈ ｅｔ ｎＰ ｌ ｅｈ ｉ ｌ ｎｖ ｒ ｔ， ｉａ ０ ２ Ｃ ｉ ） Ｎ ￣ ｗ ｓ ｒ ｏ ｔ ｎｃ ｉ ｓｙ Ｘ ’ ｎ７ ０ ７ ， ｈ ａ ｅ ｙｃ ａＵ ｅｉ １ ｎ
关键 词 ： 相 步 进 电 机 ； 动 系统 ； 波 恒 流 控 制 ： 字 闭环 控 制 五 驱 斩 数 中 图分 类 号 ： Ｍ ０ ． ： Ｍ３３ ６ 文 献 标 识 码 ： 文章 编号 ：６ ３６４ （０ ７ 叭 － ２ －４ Ｔ ３ １２ Ｔ ８ ． Ａ １７ －５ ０ ２０ ） ０ ６０ ０
原理 框 图如 图 １ 示 。 所
脉冲输入
电流 设 定
控制方便 、 运行可靠 、 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
5相步进马达驱动器使用说明书
●電源逆接保護：輸入電壓極性接反時自動斷流
保護功能
●過電流保護：輸入電流超過額定值時自動斷流
●過熱保護：當驅動器超過 80˚ C 時自動斷流＊2
燈號顯示
電源，TIMING
外形尺寸
90 (L) ×65 (W) ×32 (H)mm
重量
270g
使用環境溫度範圍
0 ˚ C ～ 40 ˚ C
＊1. [a] 瞬間最大電壓為 40V，平常使用請勿超過 36V，以免造成驅動器損壞。
0
0.36
0.75
1
0.36
0.75
2
0.36
0.75
3
0.38
0.76
4
0.44
0.87
5
0.53
1.04
6
0.62
1.25
7
0.70
1.39
8
0.79
1.57
9
0.88
1.75
A
出廠設定值 0.97
出廠設定值 1.93
B
1.06
2.11
C
1.14
2.27
D
1.23
2.44
E
1.32
2.63
F
1.40
5 相馬達內部結線圖
泰映 TROY 出線 5 線 10 線
A 藍 藍/黑 B 紅 紅/棕 C 橙 紫/橙 D 綠 黃/綠 E 黑 白/灰
山洋電氣 SANYO DENKI 5 線 5*線 10 線
黑 藍 黑/黃 橙 紅 黑白/橙 藍 橙 橙白/藍 紅 綠 紅白/白 黃 黑 黃白/紅
多摩川 TAMAGAWA 5 線 10 線
過熱時會閃爍
全步進時 10 個脈波 LED 燈亮一次，
5相步进马达驱动器(全步半步型)
2.
安全注意事项 ...................................................................3
3.
安装前准备 .....................................................................5
4.2. 驱动器的安装方法............................................................. 8
5.
接线 .......................................................................... 11
3.1. 产品确认 .................................................................... 5
3.2. 各部件的名称和主要功能....................................................... 6
5.7. I/O 信号说明 ................................................................ 13
5.7.1. 输入信号 .....................................................................................................................................................13 5.7.1.1. CW 信号和 CCW 信号 .................................................... 14 5.7.1.2. A.W.OFF(励磁电流关)信号.............................................. 15 5.7.1.3. F/H(步距角切换)选择.................................................. 15 5.7.1.4. C.D.INH(解除保持电流)输入............................................ 15
五相十拍步进电机
五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试1.任务描述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 CDEDE DEA EA EAB AB反转顺序：ABC BC BCD CD CDEDE DEA EA EAB AB2.控制要求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0.5S）。
3号开关控制其中速运行（转过一个步距角需0.1S）。
4号开关控制其高速运行（转过一个步距角需0.03S）。
5号开关控制其转向（ON为正转，OFF为反转）备注：调试时，一定要使时间大一些。
0.03秒太小了。
会使继电器输出类型的PLC 损坏。
3.程序设计的基本思路在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。
由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。
因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。
另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。
以SIMATIC移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好的满足上述设计要求。
功能要求对五相十拍步进电机的控制，主要分为两个方面：五相绕组的接通与断开顺序控制。
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以及每个步距角的行进速度。
围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下：（1）可正转或反转；（2）运行前可以设置正转或者是反转；（3）步进三种速度可分为高速（0.05S），中速（0.3S）,低速（0.5S）三档，并可随时手控变速；4.性能要求在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。
另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。
基于单片机的通用型五相混合式步进电机驱动器设计
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。
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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。
这要根据步进电机的额定功率而定。
输入 L297的控制信号可能来自为控制器或者外部开关。
一个 IC 能驱动一个两相双极性永磁式步进电机, 一个四相单极性永磁式步进电机或者一个四相变磁阻式步进电机。
因为用到的电子元器件非常少, 该设计好处颇多, 比如,花费少,可靠性高,占用的空间相对较小。
按照接收到的输入信号的不同,L297产生三种不同模式的相位序列,即半步模式,全步模式和波形模式。
图一用 L297和 L298N 构成的驱动一个两相单极性步进电机或一个四相单极性步进电机的电路图A. 电流控制小型步进电机一般小型直流电源来控制绕组电流,它们的绕组电阻也是有限制的。
在另一方面, 拥有较大额定扭矩值的步进电机具有较小的绕组电阻。
因此, 它们需要对电流进行控制。
L297以两个脉冲宽度调制(PWM 斩波电路的形式提供负载电流控制,每个斩波电路由一个比较器,一个触发器和一个外部感应电阻组成。
在该理论中,当电机电流增加时,控制系统将电源电压施加到电机。
如图二所示, 当电流值达到阈值时, 控制系统将通过改变电源电压的占空比来维持电流的期望值。
对于每一个斩波电路来说, 步进电机电源电压的占空比 (D 定义为: D = Ton / (Ton + Toff ,其中 T on 和 T off 分别是 H 桥的导通和断开时间。
在斩波电路中,触发器由来自振荡器的各个脉冲置位,从而允许输出和允许负载电流增长。
感应电阻两端的电压随着负载电流的增长而增长, 当电压增长到 V ref 时, 触发器被重置,输出中断直到下次振荡器脉冲到来。
在该方法中, V ref 决定了负载电流的峰值。
图二包含触发器、振荡器和电压比较器的电流控制电路图三用于电流控制的 PWM 操作的电压图三展示了穿过电机的电流是如何被控制的。
当电机的电流超过设定值时, 施加于电机端得电压将降为零。
因此,电流将会衰减,最终电机电流被控制住。
L298N 是一块包含着两个 H 桥的单片集成电路。
此外, 低位晶体管的发射极被引出来作为扩展端子以允许电流敏感电阻的连接。
B .抑制斩波模式下的电流控制抑制斩波控制模式和相位线斩波控制模式是当今两种最常见的电流控制技术。
在后一种方式中, 当敏感电阻的电压达到 V ref 时 , 只有低端的开关断开。
因此这种方法并不适用,我们选用抑制斩波模式。
需要的开关序列可以直接来自L297N 。
抑制斩波模式可以通过将 L297N 的 CONTROL 端接地实现。
然后斩波作用于INH 端来控制通过电机线圈的电流。
因此, L297输出的 INH 信号对创造 L298N 的使能信号起着非常重要的作用。
在敏感电阻的电压达到 V ref 的情况下, 斩波触发器被重置, INH 端子被激活并处于低电平状态。
然后,所有四个桥电路截止。
斩波频率由 L2907内部的振荡器决定。
在所有的晶体管截止之后,二极管为绕组电流提供转移通路。
在下一个振荡周期里, H 桥导通。
图四说明了当相信号 A 处于高电平而相信号 B 处于低电平的时刻的电流控制情况。
为了产生和 INH1信号相同的激发信号来控制负载电流,这些 A 和 B 信号被输入到与 L298N 中高、低电平开关相连的两个与门。
当且仅当 INH1为高电平时,与门的输出为高电平。
图四当 CONTROL 为低电平时的抑制斩波波形三、逻辑电路设计如图五所示,在任何运行模式下, L297的 A,B,C,D 相的波形每隔四个时钟周期重复一次。
为构建五相步进电机驱动电路, 在十个时钟周期之后对相波形进行转换十分重要。
图五在一般工作模式下, L297四相步进电机的两相或者两相步进电机绕组被导通, 每四个时钟周期后序列重复图六五相激励序列通过分析 L297的 3种工作模式,很明显应该选择一般工作模式,也通常被称作两相导通模式,来产生如图六所示的激励五相步进电机的序列。
通过研究五相步进电机所需要的激励序列和 L297的 A,B,C,D 相序列来设计出需要的逻辑电路。
按照下列步骤进行。
1、如图六所示,从五相的激励序列中分离出每一相的高低侧晶体管激励模式。
2、从 L297的 A,B,C,D 选出合适的相位来产生高侧激励序列。
3、利用微控制器的 A,B,C,D 输出信号和相关的与门产生 L298N 的输入信号。
4、产生 L298N 的 ENA (A 使能和 ENB (B 使能信号。
将 10步的相型分为 20步等同于 L297输出的四个时钟周期的相型。
图七解释了高、低侧激励序列的时钟周期选择。
通过选择 L297的合适的输出相位,可以产生高侧晶体管的激励序列。
已经选择的顺序,即 L297的两相导通模式如图八所示。
微控制器信号用以产生所需的高侧脉冲模型。
有四个输入端的 DM74LS08含有两个门, 用来将接收到的 L297信号和微控制器信号相与。
如图九所示,输入信号和使能信号共同决定了高低侧晶体管的开关模式。
因此,微控制器提供了使能(EN 信号。
但是为了达控制电机电流的目的, INH 信号必须与L298N 的使能信号衔接,这在下面的电流控制部分会有解释。
图十解释了怎样利用由微控制器产生的所需的使能信号和来自 L297的抑制(INH 信号来产生 L298N 的EN 信号。
这两种信号的与操作产生了 L298N 相关的 EN 信号。
图七需要的高低侧晶体管的激励序列图八 L298N 输入信号的产生L298N包含两个H桥,其中一个H桥的输出端被用作一相。
H桥的两个输入端彼此独立。
因此,单独一个H桥的两个输出端都无法使用。
为了产生五个相数(的信号,需要使用3个L298N双H桥驱动IC。
L298N的输入端与输出端选择将在第四部分的图十三中加以说明。
图九L298N的拉高与接低操作图十使能信号的产生四、接口设计用以产生L298N需要的输入信号的逻辑电路和微控制器控制信号在驱动电路中扮演着主要角色。
图十一展示了L297的接口,DM74LS08双与门IC和与微控制器PIC16F877A相连的L298N。
图十二说明了电路的配置。
为了限制通过电机绕组的电流,控制信号必须接地以进入抑制控制模式。
微控制器提供了CLOCK信号,HALF/FULL引脚必须接地来进入全步模式(两相导通模式。
ENABLED是用来控制电机运转的。
当它处于低电平状态时,INH1, INH2, A, B, C, D都被置于低电平状态。
V ref的取值设定了通过电机的电流。
这里用到了两个L297,必须使它们同步。
这可以通过使用L297的SYNC引脚轻易做到。
图十一系统框图图十三说明了L298N的输入与输出端的使用方法。
通常会在V s和V c与地之间使用100nF的无感电容。
为了避免大电流时的大幅度电压降落,电流敏感电阻器的阻值必须小到0.5Ω。
当IC的输入被截断时,外部桥式二极管提供电流通路。
这里通常使用肖特基二极管,因为肖特基二极管容易恢复。
五、结论对步进电机驱动电路的设计方式的理论分析和逻辑分析显示了驱动电路是一种具有几种操作模式和控制模式的简单结构。
图十二L297的配置图十三L298N的配置如图十四所示的步进电机驱动电路实物通过了下列性能测试:1.速度控制性能2.电流控制性能图十五(a和(b展示了在每一相线端得激励信号波形。
步进电机五相的激励序列说明它们是按要求工作的。
图15(b显示了橙色的和绿色的激励序列来使黑色的激励序列与其他激励序列相比较。
因为流过电机绕组的电流会使电容器充放电,在每一个激励点都会发生突变。
通过变换电机五相的激励序列的频率,可以达到控制电机速度的目的。
可以明显地看到,在相同的时间分辨率5ms/div 下,在图十六(a,(b 中的电压序列的脉冲宽度是图十五(a,(b中的两倍。
可以看出,与图十五所示的激励序列相关的步进电机的转动速度(速度1是与图十六所示激励序列相关的步进电机转动速度的一半。
因此,通过改变由PIC微控制器产生的激励序列的脉冲频率,步进电机的速度也随之改变。
图十四带微控制器的驱动电路图十五(a在速度1下的蓝、红、橙、绿相电压图15(b在速度1下的橙,绿、黑相电压图16(a在速度2下的蓝、红、橙绿相电压图16(b在速度2下的红、橙、绿、黑相电压图17(a、(b、(c证明了该步进电机驱动电路的电流控制能力。
为了达到证明效果,这里只考虑了红色相电压,图17给出了在更高的V ref (=600mV下的电流波形,该电压高于V sense。
此时,INH信号并未接地来限制通过步进电机的电流。
每一相都有正负电流部分,因为相电压从+V s, +V s/2变化到0V,相电流也分别从正、零变为负,相当于后者的电压变化。
通过截断L298N的抑制信号(INH 信号,电机端子上的电压被限制以控制通过电机绕组的电流。