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1、西华大学课程设计说明书课 程 设 计 说 明 书仿真文件，联系153893706课程设计名称： 电子线路课程设计 题 目： 步进电机驱动控制系统设计 学 生 姓 名： 专 业： 应用电子技术 学 号： 200508510116 指 导 教 师： 日期：2007年 7月13日步进电机驱动控制系统设计摘 要：本文介绍了一种步进电机驱动控制系统设计方案，包括其时钟脉冲电路、脉冲分配器、以及驱动电路和供电电源的设计。前面几块电路主要由一些集成芯片构成，而分配器主要由EPROM存储器、计数器、可编程计数长度选定电路和电机类型及其工作方式选择电路等组成。它与控制器的接口简单，软件编制容易，占用CPU的时间
2、短。给出了详细的分析过程及实现方法，并对提出的方案进行了仿真分析。关键词：步进电动机，驱动电，系统设计，仿真数据采集, 以太网接口, 嵌入式CPU, CPLD芯片 Abstract: This paper presents a stepper motor drive control system design, including its clock pulse circuit, pulse distributor, and the drive circuit and power supply design. In front of a few from some of the main ci
3、rcuit Integrated Chip. However，the distribution is composed of EPROM memory，counter，programmable counting circuit and select circuit of the type an d operation mode of motor etcThe inter-face between distributor and controller is simple，program development is easy，and runtime of the program is short
4、The detailed analysis and realization method are given. The simulation results are provided Keywords: stepping motor，driving circuit，design system，Simulation 目 录1 前言11.1课程设计任务11.2课程设计目的及意义11.3步进电机的发展与应用12 系统总体方案设计32.1方案论证与比较32.2方案选择53 单元硬件模块设计63.1供电电源设计63.2 功率放大器设计63.3 环形脉冲分配器设计73.4 时钟脉冲产生电路73.5步进电机
5、的选用84 特殊器件介绍94.1晶体振荡器94.2 CW317三端可调正集成稳压器94.3 TWH8751的结构及原理104.4步进电机114.5 AT89C51的封装及其内部结构124.6 ULN2003A的封装及其内部结构135 软件设计155.1说明软件设计原理及设计所用工具155.2画出软件设计结构图、说明其功能155.3软件设计流程图166 系统调试187 总结与体会208 参考文献21附录1：相关设计图22附录2：部分程序设计清单231前言1.1课程设计任务设计一步进电机驱动控制系统，能实现步进电机的正转、反转、手动和自动控制，被控电机为3相步进电机，型号是36BF003，正常工作
6、时相电压的标称值为27V，正常工作时相电流的标称值为1.5A，保持转矩是78毫牛顿米，步距角为1.5度或3度。1.2课程设计目的及意义了解步进电机的结构和工作原理以及其发展前景，掌握步进电机控制系统的设计方法及其调试技术，了解功率器件的应用技术，学会各模块单元的设计及连接，同时学会单元电路的参数测试及分析，基本学会使用绘图软件Protel 99 SE和ISIS仿真软件。1.3步进电机的发展与应用步进电机、直流电机和无刷直流电机的主要区别在于它们的驱动方式。步进电机是以步阶方式分段移动，直流电机和无刷直流电机通常则采用连续移动的模拟控制方式。由于步进电机采用步阶移动，所以特别适合绝对寻址应用，目
7、前市场上常见的步进电机已能提供每一步1.8或0.9的精确移动能力。步进电机采用直接控制方式，它的主要命令和控制变量都是步阶位置 (step position)；相形之下，直流电机则是以电机电压做为控制变量，以位置或速度做为命令变量。直流电机需要反馈控制系统，它会以间接方式控制电机位置，步进电机系统多半则是以开环方式进行操作。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件。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，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速
8、度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。目前，对步进电机的控制主要有分数器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成环形脉冲分配器等。分散器件组成的环形脉冲分配器体积比较大，同时由于分散器件的延时，其可靠性大大降低；软件环形脉冲分配器要占用主机的运行时间，降低了速度；专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高可靠性好，但其适用性受到限制，同时开发周期长、需求费用较高。2系统总体方案设计步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置可分为:普通集成电路控制、单片机控制、工控机
9、控制、PLC控制等几种;按照控制结构可分为:硬脉冲生成器硬脉冲分配结构、软脉冲生成器软脉冲分配器结构、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构。步进电机由定子和转子两部分组成，根据转子的结构形式，可分为永磁转子步进电机和磁阻式转子步进电机两类。常用的有三相磁阻式步进电机，当三相定子绕组轮流接通驱动脉冲信号时，在三对大极上就依次轮流产生磁场，吸引转子转动，转子每次转动的角度成为步距角。给每相绕组通一次称一拍。控制三相绕组通电的次序，就能使电机正转或反转。控制通电信号的频率就能控制电机的转速。2.1方案论证与比较方案一：本方案是利用时钟脉冲电路产生的时序脉冲并通过环形脉冲分配器进行时序脉冲的分配，然后经过功率
10、放大器将输入的时序脉冲信号进行放大带动步进电机的转动，其控制系统组成框图如图2.1所示：手动/自动控制时钟脉冲产生工作方式选择环行分配器B相放大C相放大A相放大步进电 机供电电源图2.1总体方案设计框图方案二：由于步进电机具有无累积误差、跟踪性能好的优点，步进电机的控制以组成开环控制系统居多，因此本设计是基于PLC的步进电机典型控制方案，其系统结构如图2.2所示。系统硬件部分由控制面板、PLC控制器、驱动器、步进电机等组成。控制面板作为人机交互界面，通过与PLC的通信，实现操作监控功能，可以是传统的按钮、拨键、开关、指示灯、仪表通过硬接线组成的操作面板，也可以是个人计算机或者是新型的触摸屏;控
11、制器PLC 发出脉冲、方向信号，通过驱动器控制步进电机的运行状态。在手动盘车功能的步进电机控制系统中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴，就要利用驱动器的脱机信号功能，使电机脱机，进行手动操作或调节，手动完成后，再将脱机信号去除，以继续自动控制。控 制 面 板PLC驱 动 器步进电机负载脉冲MAICHONG M脉冲方向脱机图2.2 控制系统结构框图方案三：本设计主要是由单片机构成，其结构框图如图2.3所示。该步进电机的控制系统主要由单片机AT89S51、电机驱动芯片L298N、4 4 的键盘,串口方式的共阳LED 显示电路(由6 片级联的74LS164 驱动) 、电源和时钟电路等几个
12、单元组成,其结构框图如图2 所示。借助于AT89S51 中内置的看门狗,可使系统在失控时恢复正常运行。整个系统外围元件少,具有结构简单、成本低廉、可靠性高、使用方便、通用性强等特点。在实际应用中,也可采用大功率的管子来代替L298N对步进电机进行驱动,成本比较低,缺点是管子的特性有一定差异,对驱动效果有一定的影响，且电路较复杂。6位LED驱动与显示单片机AT89S5144键盘驱动器L298N电源与时钟步进电机图2.3 单片机控制结构图2.2方案选择由于方案二和方案三都存在连接电路较复杂，尤其是方案三，其驱动电路以及LED显示电路都很复杂，而方案一则所连接的的电路较为简单，而且易于实现控制，故经
13、过对各方案的优缺点进行比较后，本次设计采用方案一。3单元模块设计3.1供电电源设计系统的稳定运行需要多个电源，脉冲源、环行分配器需要5伏的电压，而驱动电路，步进电机需要27伏的稳压电源。因此本次设计的电源采用三端可调正集成稳压器。图3.1 步进电机供电电源电路3.2功率放大器设计由环形分配器输出的脉冲功率很小，要进行功率放大，使脉冲电流达到110A，才足以驱动步进电机旋转。为了使步进电机有较大的高频转矩，还应该能获得较大的高频电流，为此发展了多种功率放大电路，本次设计采用图3.2所示的功放电路。图3.2 斩波型驱动功放电路3.3环形脉冲分配器设计本设计选用AT89C51为环形脉冲分配器，ULN
14、2003(国产型号为5G1413)是七路达林顿驱动器阵列，是个集电极开路(OC)输出的反向器.最大驱动电流可以达到500mA。通常应用时是把负载步进电机的一端接到VDD(12V)上，另一端接到输出引脚上，如16脚。为了防止程序进入死循环，增加了外部的硬件看门狗定时器MAX813L，其内部的看门狗定时器监控UP/UC的工作。如果在1.6s内未检测到其工作，内部的定时器将使看门狗输出WDO处于低电平状态，WDO将保持低电平直到在WDI检测到UP/UC的工作。将WR和WDO连接可使看门狗超时产生复位。采用ULN2003A驱动步进电机。3.4时钟脉冲产生电路时钟脉冲产生电路，能实现步进电机的正转、反转、手动（点动）和自动控制。本次设计的时钟脉冲电路采用晶振电路来实现，晶振的频率较大，稳定度高，且频率精准，我们可以利用分频的方法使晶振的频率变小，可以使电机工作稳定。图3.3 时钟脉冲产生电路3.5步进电机的选用步进电机
