43步进电机及其驱动电路
步进电机驱动电路
R11 R10 361x4
IC6 TCP521-4
1 io4 Vdd 16 2 io6 io2 15 3 o/i io1 14 4 io7 io0 13 5 io5 io3 12 6 inh a 11 7 Vee b 10 8 Vss c 9
+5V
13 1A
14 Vcc 12 1Y
Nc
11 5A
10 5Y
+15V
14
1
Vcc 1A
1Y
3
1B
2
E7 E12/47u25V +5V
IC9
5
NE555
C41
8 VCC 4 RST
R26
470u 35V
C7
103
7 DHE 3 OUT D1
2 TGR 5 CTL
3
4 2A 2Y 6 5 2B 9 1A 1Y 8
1B 10
C16
R27 333 D2
6 TSD 1 GND
78L15
2
PC6
47u
25V
E2
C2
47u
25V
E3
C3
47u
25V
PC3 PC3 47u 25V
PT3
1
Vin
Vout
3
GND
78L15
2
PC7
47u
25V
E4
C4
47u
25V
驱动/电源板: H2P-8AH.PCB
P
222
N
1kV
2
3 1/9 12
8 10/7
PD1
PT4
1
Vin
Vout
3
GND
步进电机控制及驱动电路的方案设计书
课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：信息工程学院题目: 步进电机的控制及驱动电路设计初始条件：本设计既可以使用集成移位寄存器、驱动器、555定时器和必要的门电路，以及所需电阻、电容、二极管、三极管、开关等元件。
本设计也可以使用单片机系统构建步进电机的控制及驱动电路。
自行设计所需电源。
要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：1周。
2、技术要求：①设计一个方波发生器提供系统时钟；②设计一个步进电机的驱动信号发生器，可以实现电机正转/反转控制和转速控制；③要求驱动器有足够的输出电流以驱动小功率4相步进电机；④要求可以实现步进电机的单相或双相激励；⑤确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和集成电路，设计分电路，阐述基本原理。
⑥绘制总体电路原理图。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：1、2008 年 7 月 5 日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、2008 年 7 月 5 日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。
2、2008 年 7 月 6 日至 2007 年 7月 7 日，方案选择和电路设计。
2、2008 年 7 月 8 日至 2007 年 7 月 10 日，电路调试和设计说明书撰写。
3、2008 年 7 月 11 日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
课设答疑地点：鉴主14楼电子科学与技术实验室。
指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录1.步进电机原理 (2)1.1步进电机简介 (2)1.2步进电机原理及控制技术 (2)1.3 步进电机驱动方法 (2)1.4总体设计方框图 (3)1.5设计原理分析 (3)1.5.1元器件介绍 (3)1.5.2方案论证 (5)2硬件设计 (6)2.1控制电路 (6)2.2最小系统 (6)2.3驱动电路 (7)2.4显示电路 (7)2.5总体电路图 (8)3软件设计 (9)4程序编写 (9)5实验心得及体会 (17)参考文献 (17)1.步进电机原理及硬件和软件设计1.1步进电机简介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步进电机件。
步进电机的驱动控制电路
绕组电 流小了， 输出转矩就会以12关系下降 1 21。此外， 在绕组电流截止时， 相绕组地两端 还会产生很高的反电动势。为提高步进电机 系统的性能和效率， 一般对驱动电路具有如 下要求: ①通电周期内能提供足够大的矩形波或 接近矩形波的电流。 ② 具有截止电流泻放回路， 以降低相绕组 两端的反电动势， 加快电流的衰减。 ③驱动电源效率高、功耗低， 运行稳定
蓄雾 蓄粼蹂。动路斩曝 盘瓷 严电 波 曹
，引言 步进电 机又称为脉冲电 它 机， 能将脉冲信 号变 换为 相应的角位移或直线位移， 输出 且 转 角、 转速与 输入脉冲的 个数、 频率有着严格的 同步关系川。由于步进电机能直接接受数字 量输入， 所以特别适合于微机控制。作为数字
控制系统中的重要执行组件， 步进电机广泛应 用于自 动指示装置、 数控机床、 计算机巡回检 测等多种领域中， 但一般数字电路的信号能量 不足以驱动步进电机， 因此需利用专门的电路 来驱动步进电机川。随着电力电子技术、自 动控制技术以及计算机技术的发展， 步进电机 驱动技术也得到 了 快速发展， 国内外对步进电 机驱动电路也进行了大量的研究和开发工作。
图3 高低压驱动
图1 步进电机驱动控制器
2 .2 工作要求 步进电机的励磁绕组是一个电感线圈， 其电感L 与励磁回路总电阻R 之比称为电机 驱动回路的时间常数 T ， T = L/ R 。当步 即 进脉冲频率较低时，的影响可以不考虑， ( 电 机每走一步， 其相电流基本可以达到最大值。 当步进脉冲频率较高时， 的影响不能忽略， T 因为电机绕组中的电流是按指数规律 上 升 的， 大约经过 3 r 一5 T 的时间， 电流才能达 到稳态值。当步进脉冲频率较高， 使绕组通 电时间小于 3(时， 电机绕组的各相电流 1就 没有机会达到最大值， 而电机的转矩 MOC12,
(整理)实用的步进电机驱动电路图.
实用的步进电机驱动电路(图)概述步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，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。
目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。
本设计选用第三种方案，用PMM8713三相或四相步进电机的脉冲分配器、SI-7300A 两相或四相功率驱动器，组成四相步进电机功率驱动电路，以提高集成度和可靠性，步进电机控制框图见图1。
图1 步进电机控制系统框图硬件简介● PMM8713原理框图及功能PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器，适用于控制三相或四相步进电机。
控制三相或四相步进电机时都可以选择3种励磁方式，每相最小吸入与拉出电流为20mA，它不仅满足后级功率放大器的输入要求，而且在其所有输入端上均内嵌施密特触发电路，抗干扰能力强，其原理框图如图2所示。
图2 PMM8713的原理框图在PMM8713的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入发。
PMM8713有两种脉冲输入法：双脉冲输入法和单脉冲输入法。
采用双脉冲输入法时，CP、CU两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲。
当采用单脉冲输入时，步进电机的正反转方向由U/D的高、低电位决定。
激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。
激励方式判断电路用于输出检测；而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序信号。
● SI-7300A的结构及功率驱动原理SI-7300A是日本三青公司生产的高性能步进电机集成功率放大器，该器件为单极性四相驱动，采用SIP18封装。
步进电机功率驱动级电路可分为电压和电流两种驱动方式。
电流驱动方式最常用的是PWM恒流斩波驱动电路，也是最常用的高性能驱动方式，其中一相的等效电路图如图3所示。
图3 LM331电压/频率变换电路● LM331芯片LM331是美国国家半导体公司生产的双列直插式8脚芯片，只需接入几个外部元件就可以方便地构成电压/频率(V/F)变换电路，电路如图4所示。
步进电机驱动电路设计
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。
步进电机驱动电路的设计
U’o确定参考电位 o UI1和UI2两者都 UI1和UI2两者都 小于各自的参考电 压时，Uo=1， 压时，Uo=1，放电 管截止； 管截止； UI1和UI2两者都 UI1和UI2两者都 大于各自的参考电 压时，Uo=0， 压时，Uo=0，放电 管导通； 管导通；
V CC
RD 4
vIC
5
8
vI1
tW
T
脉冲周期T： 脉冲周期 ：在周期性重复的脉冲系列 两个相邻脉冲间的间隔时间。 中，两个相邻脉冲间的间隔时间。 脉冲频率f： 脉冲频率 ：单位时间内脉冲重复的次数 f=1/T。 。 占空比D：脉冲宽度与脉冲周期的比值 占空比 ： D=tw/T。 。
如何获得脉冲信号？ 如何获得脉冲信号？
利用脉冲振荡器直接产生脉冲信号； 利用脉冲振荡器直接产生脉冲信号；
典型的步进电机控制系统的组成
时钟电路
步进控制器——把输入的脉冲转换成环型脉冲 步进控制器——把输入的脉冲转换成环型脉冲， 把输入的脉冲转换成环型脉冲， 以控制步进电动机， 以控制步进电动机，并能进行正反转控制 功率放大器——把步进电动机输出的环型脉 功率放大器——把步进电动机输出的环型脉 冲放大， 冲放大，以驱动步进电动机转动
L297接线图与控制时序 L297接线图与控制时序
L298内部结构原理图 L298内部结构原理图
L298是一 是一 种双全桥驱动电 路，可用来驱动 各种小型直流电 机、两相双极步 进电机和四相单 极步进电机。 极步进电机。
L297和L298构成的步进电机控制系统 L297和L298构成的步进电机控制系统
0.9U m 0.1U m
tr
tf
上升时间t 脉冲上升沿从 脉冲上升沿从0.1Um上升到 上升到0.9Um所需的 上升时间 r:脉冲上升沿从 上升到 所需的 时间。 时间。 下降时间t 脉冲下降沿从 脉冲下降沿从0.9Um下降到 下降到0.1Um所需的 下降时间 f:脉冲下降沿从 下降到 所需的 时间。 时间。
步进电机及其驱动电路
第三节步进电动机及其驱动一、步进电机的特点与种类1.步进电机的特点步进电机又称脉冲电机。
它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。
每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。
转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步。
只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。
步进电动机具有以下特点：✍工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等）的影响;✍步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ;✍由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易;✍控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；✍不需要传感器进行反馈,可以进行开环控制;✍缺点是能量效率较低。
就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说，可将其分为以下三种：（1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance）,也叫反应式步进电动机（2）永磁（PM—Permanent Magnet）型（3）混合(HB—Hybrid）型（1）可变磁阻（VR—Variable Reluctance）结构原理：该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机.其结构原理如图3.5定子1上嵌有线圈，转子2朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁阻型。
图3。
6 可变式阻步进电机可变磁阻步进电机的特点：❖反应式电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力；❖需要将气隙作得尽可能小,例如几个微米；❖结构简单，运行频率高，可产生中等转矩,步距角小（0。
09~9°）❖制造材料费用低；❖有些数控机床及工业机器人上使用。
（3)混合（HB—Hybrid）型结构原理这类电机是PM式和VR式的复合形式。
其定子与VR类似，表面制有小齿，转子由永磁铁和铁心构成，同样切有小齿，为了减小步距角可以在结构上增加转子和定子的齿数。
步进电机的恒电流驱动电路原理
步进电机的恒电流驱动电路原理
恒电流斩波器的原理如下图所示，额定电流或设置的驱动电流值为I0时，加电压在绕圈上，若超过所设定的电流值I0，则把所加的电压V关断，使电流削减，若低于所设定的电流值I0，则把所加电压V打开，使电流再增加至所设定的电流值I0……如此反复，使I0为恒定电流。
左图中，V以及I表示1相关断的电压、电流，1相电压加到t1秒时间区间。
假如步进电机低速转动时，不用恒电流斩波器驱动，当流过电机线圈的电流超过额定电流时，电机会产生很高的温升，有可能会烧毁。
在高速运行时，1相绕组电压所加的时间若在左图的t0以下，使电源不能保证供应设定的电流I0值，此时变成恒压驱动。
即在高速运行中，有斩波才能变成恒电流驱动。
电流测量值与设定电流I0相对应的基准电压Vr用差动放大器比较，使其达到设定的电流值，施加到电机的电压斩波器的掌握端。
此处，恒电流斩波电路使用恒电压电路。
同一步进电机的恒电压与恒电流脉冲频率-转矩特性曲线比较如下图所示。
两者在同一额定电流约10pps以内时，具有相同的转矩，但低速时恒电流斩波驱动器产生转矩较大。
稳态电流值两者虽然相同，但由于恒电流斩波驱动器其电流上升快，所以其值略高于平均电流值，使用
上需要留意上述问题。
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A→B→C→A 或 A→C→B→A
1. 三相单三拍：转子每次转动30o。缺点：1）容易失步；2） 易在平衡位置发生振荡.通电顺序：
A→B→C→A 或 A→C→B→A
2.三相双三拍：每次有二相绕组通电，转子转动300，且切换 时总保持一相绕组通电，工作比较稳定。
AB→BC→CA→AB 或AC→CB→BA→AC
永磁式步进电动机(PM)结构
分为定子和转子两部分
工作原理：
按电磁感应的原理进行工 作的。当定子绕组按顺序轮 流通电时，三对磁极就依次 产生磁场，每次仅对转子的 某一对齿产生电磁引力，将 其吸引过来，而使转子一步 步转动。
图4-4 三相反应式步进电机结构
工作过程
A相
B相
图4-5 步进电机工作原理
C相
直线加减速或者指数加减速。
四、 开环控制步进式伺服系统的工作原理
1.工作台位移量的控制
控制输入脉冲总数
2. 工作台进给速度的控制
控制输入脉冲频率
3. 工作台运动方向的控制
控制输入脉冲信号的循环顺序方向。
作业
１. 什么是点位控制？什么是轮廓控制?点位控制与轮廓控 制在性能要求上有何不同? ２. 画出半闭环进给伺服系统的结构框图。 ３. 速度控制单元在整个进给伺服系统中处于什么地位?为 什么说进给伺服控制是以对速度的控制为前提的? ４.简述脉冲比较式进给伺服系统的基本工作原理? ５.简述数据采样式进给伺服系统的基本工作原理。 ６. 列出7种数控机床上常用位置检测元器件，并对其中两 种的用途加以简要介绍。 ７. 数控机床伺服系统对位置检测元器件的主要要求是什么? ８. 简述莫尔条纹测量位移的工作原理。 ９．交流伺服电动机（三相交流永磁式电动机）有哪些变频 控制方式？
二、步进电机的主要性能指标
1.步距角和步距误差
步距角： α=3600/KmZ
K—系数，三相三拍，K＝1； 三相六拍，K＝2。
ｍ－定子相数；Ｚ－转子齿数 同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、 1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。 步距误差：转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。 连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误 差。
3.三相六拍：转子每次转动150，比三相三拍控制方式步距角 小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通 电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。
A→AB→B→BC→C→CA→A 或 A→AC→C→CB→B→BA→A
“单”——每次只有一相绕组通电； “双”——每次有两相绕组通电； “拍”——一个通电循环内通电次数（即从一种通电状态转 到另一种通电状态）。
2.高低电压驱动电路
这种电路的特点是高压充 电，低压维持。步进电机 的绕组每次通电时，首先 接通高压，以保证电流以 较快的速度上升；然后改 由低压供电，维持绕组中 的电流为额定值。
3.斩波驱动驱动
输入信号为低电平时，V截止，电 机绕组中无电流通过。输入信号为 高电平时，V导通，绕组中电流迅 速上升；上升到预定值时，R反馈通 过斩波电路使V截止，绕组中电流 迅速下降；下降到预定值以下，R反 馈通过斩波电路使V导通，绕组电 流又上升。反复进行，形成一个在 预定值上下波动的电流波形，近似 恒流。功耗小，效率高，运行特性 好。
4.细分驱动
在实际应用中，为了进一步提高进给运动的分辨率，在不 改变步进电机结构的前提下，要求对步距角进一步细分。为了 达到这一目的，可将绕组电流以阶梯波的方式输入，这时，电 流分成多少个阶梯，则转子就以同样的步数转过一个步距角。 这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法称为细分驱动电路。
5.自动升降速原理
2. 静态矩角特性
静态转矩： 矩角特性：
图4-6 静态矩角特性
3.启动频率
空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步 的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率。
4.连续运行频率
步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上 升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。
5.矩频特性与动态转矩
M
用于描述步进电机连续稳定运行时 输出转矩与连续运行频率之间的关系。 动态转矩随连续运行频率的上升而下 降
f 图6-8 矩频特性
Байду номын сангаас
三 步进电机驱动电路
驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。
控制器
驱动电路
环形分配器
功率放大器
步进电动机
辅助电路
1.环形分配器
Qn1 JnQn KnQn
图4-9 三相六拍环形分配器