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1、步进电机驱动电路设计摘 要随着数字化技术发展，数字控制技术得到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角位移或线位移的控制驱动元件, 具有快速起动和停止的特点。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。直流电机广泛应用于计算机外围设备( 如硬盘、软盘和光盘存储器) 、家电产品、医疗器械和电动车上, 无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢, 并且在航空、航天、汽车、精密电
2、子等行业也被广泛应用。在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。他们都是利用电和磁的相互作用来实现向机械能能的
3、转换。介绍了步进电机和直流电机原理及其驱动程序控制控制模块，通过AT89S52单片机及脉冲分配器(又称逻辑转换器)L298完成步进电机和直流电机各种运行方式的控制。实现步进电机的正反转速度控制并且显示数据。整个系统采用模块化设计,结构简单、可靠,通过按键控制，操作方便，节省成本。关键词：步进电机，单片机控制，AT89S52，L297，L298目 录1 步进电动机11.1 步进电机简介11.2 步进电机分类12 步进电机工作原理221 步进电机结构222 步进电机的旋转方式23 设计原理33.1 硬件电路组成43.2 步进电机控制电路43.2.1 计数器工作模式43.2.2 定时器工作模式44
4、步进电机驱动电路设计44.1 驱动芯片L29754.2 驱动芯片L29854.3 键盘电路74.4 显示电路75 步进电机控制程序8总 结12致谢13参考文献14各类材料1 步进电动机1.1 步进电机简介步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统!自动生产线!自动化仪表!绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性市场上有很多现成的步进电机
5、控制机构，但价格都偏高。应用SGS公司推出的L297和 L298两芯片可方便的组成步进电机驱动器，并结合51单片机进行控制，即可以实现用相对便宜的价格组成一个性能不错的步进电机驱动电路。图 1 步进电机步进电机把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。步进电机的优点是没有累积
6、误差，结构简单，使用维修方便，制造成本低，步进电动机带动负载惯量的能力大，适用于中小型机床和速度精度要求不高的地方，缺点是效率较低，发热大，有时会“失步”。 1.2 步进电机分类步进电动机分为机电式、磁电式及直线式三种基本类型。1、机电式步进电动机机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。螺线管线圈通电时将产生磁力，推动其铁心心子运动，通过齿轮机构使输出轴转动一角度，通过抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置；线圈再通电，转轴又转动一角度，依次进行步进运动。2、磁电式步进电动机磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。永磁式步进电动机由四相绕组组成。A相绕组通电时，转子磁
7、钢将转向该相绕组所确定的磁场方向;A相断电、B相绕组通电时，就产生一个新的磁场方向，这时，转子就转动一角度而位于新的磁场方向上，被激励相的顺序决定了转子运动方向。永磁式步进电动机消耗功率较小，步矩角较大。缺点是起动频率和运行频率较低。3、直线式步进电动机有反应式和索耶式两类。索耶式直线步进电动机由静止部分（称为反应板）和移动部分(称动子)组成。反应板由软磁材料制成，在它上面均匀地开有齿和槽。电机的动子由永久磁铁和两个带线圈的磁极A和B组成。动子是由气垫支承,以消除在移动时的机械摩擦,使电机运行平稳并提高定位精度。这种电机的最高移动速度可达1.5米/秒，加速度可达2g,定位精度可达20多微米。由
8、两台索耶式直线步进电动机相互垂直组装就构成平面电动机。给x方向和y方向两台电机以不同组合的控制电流，就可以使电机在平面内做任意几何轨迹的运动。大型自动绘图机就是把计算机和平面电动机组合在一起的新型设备。平面电动机也可用于激光剪裁系统，其控制精度和分辨力可达几十微米。2 步进电机工作原理21 步进电机结构 电机转子均匀分布着40个小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即图2 定子和转子的展开图A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1），如图2。 2
9、2 步进电机的旋转方式 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3，这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机
10、就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系，而方向由导电顺序决定。如图3。 图3 步进电机运转顺序图不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。所以电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，
11、市场上一般以二、三、四、五相为多。3 设计原理由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专用设备5步进电机控制驱动器。典型步进电机控制系统如图4所示：控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端，以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器
12、主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机目的。图 4 典型步进电机控制系统3.1 硬件电路组成文中所控制的步进电机是四相单极式减速步进电动机。本文所设计的步进电机控制驱动器的框图如图5所示。它由 51单片机、集成芯片L297和L298组成。图 5 步进电机控制驱动器的框图3.2 步进电机控制电路 本系统的控制电路采用单片机MCS-51进行控制。在工业检测、控制中，许多场合都要用到计数或定时功能。例如，对外部脉冲进行计数、产生精确的定时时间等。MCS-51单片机内有两个可编程的定时器/计数器T1、T0,以满足这方面的需要。两个定时器/计数器都具有定时器和计数器两种工作模式。3.
13、2.1 计数器工作模式计数器是对外来脉冲进行计数51单片机芯片有T0(P3.4)和T1(P3.5)两个输入引脚，分别是这两个计数器的输入端。每当计数器的输入引脚的脉冲发生负跳变时，计数器加1。3.2.2 定时器工作模式定时功能也是通过计数器的计数来实现的，不过此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生1个计数脉冲，也就是每经过1个机器周期的时间，计数器加1。如果MCS-51采用12Hz晶体，则计数频率为1MHz，即每过1微妙的时间计数器加1。这样可以根据计数值计算出定时时间，也可根据定时时间的要求计算出计数器的初值。4 步进电机驱动电路设计驱动电路由L297和L298芯片组成。L297
14、是步进电动机控制器（包括环形分配器），L298是双H桥式驱动器。这种方式结合的优点是，需要的元件很少，从而使得装配成本低，可靠性高和占空间少。并且通过软件开发，可以简化和减轻微型计算机的负担。另外，4056 和 4057 都是独立的芯片，所以应用是十分灵活的。4.1 驱动芯片L297L297是步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号， 可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式 控制步进电机。芯片内的PWM 斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中 的电流。该集成电路采用了SGS 公司的模拟/数字兼容的I2L 技术，使用5V 的电源电压， 全部
15、信号的连接都与TFL/CMOS 或集电极开路的晶体管兼容。图 6 L297图 7 L297引脚图4.2 驱动芯片L298L298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号，但在本驱动电路中用L297 来提供时序信号，节省了单片机IO 端口的使用。L298N 之接脚如图9 所示，Pin1 和Pin15 可与电流侦测用电阻连 接来控制负载的电路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之间分别接2 个步进电机；input1input4 输入控制电位来控制电机的正反转；Enable 则控制电机停转。图 8 驱动芯片L298图 9 驱动芯片L298引脚图设计的模块采用的为H桥芯片L298，内部包含4通道逻辑驱动电路，具有两套H桥电
