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1、 学校代码学校代码 10722 学学 号号 1107044210 分分 类类 号号 TM383 密密 级级 公公 开开 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） 题题 目目 步进电机驱动器设计步进电机驱动器设计 （中、英文（中、英文) Design of a stepping motor driver 作作 者者 姓姓 名名 专专 业业 名名 称称 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学学 科科 门门 类类 工工 科科 指指 导导 老老 师师 提交论文日期提交论文日期 二二一五年五月一五年五月 成绩等级评定成绩等级评定 摘摘 要要 步进电机是一种能进行精确步进运动的机电执行元件，是实现机电自
2、动化 的必备元件，因而被广泛应用于各种自动化控制系统中。步进电机有很高的反 复定位精度，指令脉冲能较好的控制驱动速率，同时能实现正转反转以及平滑 速率调理，它的运行速度和步距不受电源电压及负载波动的影响,控制简单方便 且价格低廉，因而受到普遍用。随着单片机技术的不断发展，人们结合单片机 控制步进电机，使得步进电机的性能大幅度提升。步进电机可以控制精度要求 较高的仪器装置，如，打印机、绘图仪、磁盘光盘驱动器、自动控制阀、以及 机器人等机械装置。可是步进电机不能直接接电源工作，需要配套的驱动器和 控制器，而且驱动器的性能很大程度影响着步进电机的工作性能，因此使用良 好的驱动器控制器有重要的意义。本
3、次设计通过对步进电机的驱动特性的深入 了解与学习，决定使用混合步进电机驱动芯片 ULN2003A 和单片机 AT89C52 设计 混合式步进电机 28BYJ-48 的驱动器，并通过 Lcd1602 液晶显示器显示运行状态。 关键词关键词：步进电机；驱动器；单片机。 Abstract Stepper motor is a mechanical and electrical actuator ,which can carry out precise stepping motion, it was widely used in various automation control systems b
4、ecause it is the essential component of the realization of the electromechanical automation. Stepper motor has a high repeated positioning accuracy, command pulse can better control the drive speed, which also can realize positive rotation and the reverse rate smoothing conditioning , its operation
5、speed and step distance is not affected by the supply voltage and the load fluctuation, the methode of control is simple and convenient and the price is low, it has been widely used. With the development of SCM technology, people combined single-chip with microcomputer control stepper motor, so that
6、 the performance of the stepper motor greatly improved. Stepper motor can control precision high equipment requirements, such as printers, plotters, CD-ROM disk drive, automatic control valve, and the robot mechanical device. But stepper motor can not be directly connected to the power supply, need
7、supporting driver and controller and driver performance greatly affects stepper motor performance, so good drive controller has important significance. The design by the stepper motor driving characteristics of in-depth understanding and learning, using a hybrid stepper motor driving the chip uln200
8、3a and AT89C52 single-chip design of hybrid step motor 28byj-48 drive, and through LCD1602 LCD display running status. Keywords:Stepper motor；Drive；SCM. 目目 录录 1.引言1 1.1 步进电机及其驱动器的发展概述. .1 1.2 设计步进电机驱动器的意义. .1 2.步进电机的原理介绍及其相关参数2 2.1 步进电机工作原理. .2 2.2 步进电机的选取及相关参数. .3 2.3 步进电机静态指标. .3 2.4 步进电机动态指标. .3
9、2.5 步进电机特征及信号分布. .4 3.步进电机驱动器硬件设计思路5 3.1 设计总结构框图. .5 3.2 驱动电路. .5 3.3 时针信号电路. .5 3.4 按键电路的设计. .6 3.5 单片机的选用. .6 3.6 液晶显示模块. .7 4.简易程序设计8 4.1 启动停止简易流程图. .8 4.2 正转反转简易流程图. .8 4.3 液晶显示与档位显示. .9 4.4 主程序设计简易程序图. .9 5.软件调试仿真10 5.1 程序编写调试步骤. .10 5.2 调试过程及相关显示结果. .10 结论12 参考文献13 元件清单14 附录15 附录25 谢辞26 1 引言 1
10、.1 步进电机及其驱动器的发展概述 步进电机是一种开环控制元件，可以把时钟电脉冲信号转变为角位移或线 位移。给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。普通步进电机的精度 为步进角的 3-5% ，且不累积。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置 只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载影响。正常情况下，步进电机转 过的总角度和输入的脉冲数成正比，连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转 速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。 由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 步进电机按特点分三类其特点分别为：永磁式（PM）电机通常为两相，转 矩和体积较
11、小；反应式（VR）电机一般为三相，可实现较大转矩输出，但噪音 和振动频率大；混合式（HB）电机综合了前两种的优点，分为两相和五相，市 场应用最广。六十年代在德国产生四相（两相）混合式步进电机，七十年代中 期五相混合式步进电动机问世。到了七十年代中期依借电力电子技术和计算机 技术的进步，步进电动机的细分驱动技术出现。细分驱动的的应用显著改善了 步进电机综合性能。步进电机细分驱动技术可以减小步进电动机的步距角，提 高电机运行的稳定性，增加控制的简便性，大大扩展了步进电机的应用范围。 1.2 设计步进电机驱动器的意义 普通交直流电源不能直接给步进电机供电，因为它需要特定的的驱动控制 器。步进电机在低
12、速档运转时的的缺陷很明显，如振动噪声大、易产生共振现 象、（在其自然震荡频率附近运行）、输出转矩随电机的转速加快会不断降低 等。而实践应用证明，利用步进电机细分驱动技术可以显著改善步进电机的大 多数缺陷，比如均化步距角误差、提高电机响应频率、提高了电机分辨率、简 化电机应用操作、使电机工作更加平稳，可以大大改善步进电机的综合性能， 拓展电机的应用范围，因此设计步进电机驱动器有着重要的意义。 2 步进电机的原理介绍及其相关参数步进电机的原理介绍及其相关参数 2.1 步进电机的工作原理 步进电机是可以间接将脉冲信号转换为各种机械自动化控制系统所需要的 角位移或者线位移，也就是利用脉冲信号驱动步进电
13、机按设定要求转动。步进 电机的精确运行，调速控制都可以通过控制脉冲频率实现。例如简单的四相步 进，单极性直流作为电源供电。如果对步进电机的各相绕组按合适的时序通电， 就可使步进电机按照我们的需要步进转动。图 2.1 是四相反应式步进电机工作 原理图。 图 2.1 步动电机工作原理图 四相步进电机按照通电电次序不同，可分为单四拍（单相绕组通电方式 A- B-C-D-A-）、双四拍、(双相绕组同时通电 AB-BC-CD-DA-AB-)八拍(结合前两 种导电方式 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-)三种工作方式。单双四拍的步距角一 样，单四拍的转动力矩比双四拍小。八拍工作方式的步距角是单四
14、拍与双四拍 的二分之一。八拍工作方式提高了工作精度的同时也减小扭转矩。单四拍、三 种工作方式的电源通电时序与波形分别如图 2 a b c 所示： 图 2.2 四相步进电机三种工作方式通电时序波形图 2.2 步进电机的选取及其相关参数 选用步进电机 28BYJ-48，其主要参数如表 2-1 所示： 表 2-1 步进电机 28BYJ-48 主要参数 电压 DC（V） 电阻()步距角减速比 牵入转矩 mN.m 牵出转矩 mN.m 12/9/5505.625/641/644034.3 空载牵入频率 Hz 空载牵出频率 Hz 绝缘电阻 DC.500V 自定位转矩 mN.m 温升 K 噪音 dB(A) 5
15、0090050M 无击穿或飞弧4040 2.3 步进电机静态指标 相数：一般用 m 表示产生不同对极 N、S 磁场的励磁线圈对数。 拍数：一般用 n 表示步进电机转动一个齿距角度所需导电状态。（即电机 完成一个完整磁场周期变化所需脉冲个数）。 步距角：每次接收到一个时针脉冲信号，电机转子转过固定的的角位移用 表 示，=360 度（转子齿数*运行拍数）。比如常规两相、四相转子齿为 100 齿 电机：两相四拍运行时步距角为 =360 度/（100*4）=0.9 度（整步），两相 八拍运行时步距角为 =360 度/（100*8）=0.45 度（半步）。 定位转矩：步进电机自身的锁定力矩（通常在不通电
16、状态下由磁场齿形波 以及机械误差造成）。 静转矩：电机在额定静态电作用下，电机没有转动时电机的转轴锁定力矩 （与驱动电压电源电压无关）。 2.4 步进电机动态指标 最大空载启动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负 载的情况下，能够直接起动的最大频率。 最大空载运行频率：在某种驱动形式、电压及额定电流下，电机不带负载 的最高转速频率。 失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由 失调角产生的误差，不可以采用细分驱动解决。 失步：电机运转时的步数不等于理论上的步数。 步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百 分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时 5%左右， 八拍运行时 15%左右。 电机正反转控制：当电机绕组通电时序为 A-AB-B-BC-C-
