步进电机控制电路板设计方案

《步进电机控制电路板设计方案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《步进电机控制电路板设计方案（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、步进电机控制电路板设计方案11整体思路步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电 机控制系统主要由步进控制器，功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控制, 用软件代替上述步进控制器，使得线路简单,成本低，可靠性大大增加。软件编程可 灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制，通过IO 口输出的时序方 波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机；同时，用4 个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括AT89C51

2、单片 机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动（集成达林顿ULN2003） 模块、数码显示（SM420361K数码管）模块、测速模块（含霍尔片UGN3020） 6个 功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘 控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终 实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电机的转动速度动态显示 在LED数码管上，对速度进行实时监控显示。软件采用在Keil软件环境下编辑1.2设计目的及系统功能本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系 统。本系统采用AT89C51作为控制单元，通

3、过键盘实现对步进电机转动方向及转 动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。图1-1总体设计框图2硬件部分2.1步进电机2.1.1步进电机概述步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实 际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功 率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用 途很广。使用多相步进电动机，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲 信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分 配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正

4、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。2.1.2步进电机的特性步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长 处理的数据类型。从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，今天，在 打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之 一。总体上说，步进电机有如下优点：1. 不需要反馈，控制简单。2. 与微机的连接、速度控制（启停和反转）及驱动电路的设计比较简单。3.

5、 没有角累积误差。4. 停止时也可保持转距。5. 没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。6 即使没有传感器，也能精确定位。7.根据给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。但是，这种电机也有自身的缺点：1 难以获得较大的转矩2. 不宜用作高速转动3. 在体积重量方面没有优势，能源利用率低。4. 超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。2.1.3永磁步进电机的控制原理在本设计以常用的永磁式步进电机为例，用单片机控制步进电机。图2-1是 CZ-2801型永磁步进电机的外形图，图2-2是该电机的接线图。4 oCDMOxoo o o B COM B图2-1 CZ-2801型永磁步进电机外形

6、图图2-2 CZ-2801型永磁步进电机接线图从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出， 这样一共有5根引出线。要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。 将COM端标识为C,只要AC、BC或/AC、/BC，轮流加电就能驱动步进电机运转, 加电的方式可以有多种，如果将COM端接正电源，那么只要用开关元件（如三极 管），将A、B或/A、/B轮流接地。不难设计出控制电路，因其工作电压为12V，因此用一块开路输出达林顿驱 动器（这里用ULN2003,关于ULN2003将在后面介绍）作为驱动，通过P1.0、P1.3 来控制各线圈的接通与切断。开机时，P1.0、P1.3均为

7、高电平，依次将P1.0、 P1.2 （或P1.1、P1.3反向）切换为低电平即可驱动步进电机运行。如果要改变 电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间。改变转速，只要改变P1.0、P1.2 （或P1.1、P1.3反向）轮流变低电平的时间即可达到要求，因为不会影响到其 他功能的实现，这个时间可以用延时来实现，。这里以定时的方式来实现。下面首 先计算一下定时时间。按要求，最低转速为20转/分，而上述步进电机的步距 角为7.5,即每48个脉冲为1周，即在最低转速时，要求为960脉冲/分，相 当于62.5ms/脉冲。而在最高转速时，要求为100转/分，即48000脉冲/分， 相当于12.5ms/脉冲。

8、可以列出下表：表2-2步进电机转速与定时器定时常数关系转速单步时间（ms）TH0TL02062.5IF02159.5238095229B62256.8181818233742354.347826093C592452.08333333448025504C02648.0769230852EC2746.296296359552844.642857145F49 9313.44086022CF9C9413.29787234D0209513.15789474D0A19613.02083333D1209712.88659794D19B9812.75510204D2149912.62626263D28B100

9、12.5D30表中不仅计算出了 THO和TLO,而且还计算出了在这个定时常数下，真实的 定时时间，可以根据这个计算值来估算真实速度与理论速度的误差值。表中THO 和TLO是根据定时时间算出来的定时初值，这里用到的晶振是12.000M。有了上 述表格，程序就不难实现了，使用定时/计数器TO为定时器，定时时间到后切换 输出脚即可。2.2步进电机控制系统的组成步进电机控制系统共分为五个模块：单片机最小系统模块、键盘控制模块、 数码显示模块、测速模块、步进电机驱动模块。1.单片机最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。复位电路为单片机系统 提供可靠复位，使单片机能正常启动。时钟电路采用外部时钟方式，保证

10、单片机 个功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。2键盘控制模块包括方向控制键、加速键和减速键、启停键，分别与单片机 的P2.0、p2.1、p2.2和P2.3相连。实现对步进电机的控制。并且键盘上连接有 发光二极管，以指示键盘状态。3.数码显示模块采用共阴极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度。利 用I/O 口为数码管的com端提供低电平。二号单片机的P1 口提供数码管的段选信 号，P2.6和P2.7控制数码管的位选信号。4测速模块采用开关霍尔片对安放在步进电机转盘上的小磁片的磁信号进行 检测，步进电机转盘每次带动小磁片经过霍尔片时，其都将有脉冲信号从霍尔片 输出。单片机外部

11、中断口对信号进行采集。5. 步进电机驱动模块选用七个NPN达林顿连接晶体管ULN2003为步进电机提 供脉冲信号，驱动步进电机转动。该模块与单片机的P1.0P1.3相连。6. 电源模块是通过将市电220V转变为直流12V和直流5V分别供给驱动模块 和单片机模块。2.2.1单片机最小系统AT89C51单片机优点：超低功耗超强抗干扰，超强抗静电输入输出口多，最多有40个I/O速度快，1个时钟/机器周期，可用低频率晶振2.2.2键盘控制电路键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人 工干预单片机的主要手段。键盘实质是一组按键开关的集合。键盘所用开关为机 械弹性开关，利用了机械

12、触点的合、断作用。一个电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为510ms；两次抖动之间为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定；第一次抖动 前和第二次抖动后为断开状态。按键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或低电平。通过对输 出电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。在本设计中，高电平表示按 键断开，低电平表示按键闭合状体。并且，为了能直观形象的表示按键闭合与否, 还为每个按键相应增加了发光二极管，按键断开时，发光二极管灭，当有键闭合 时，相应的发光二极管变亮。为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。消 除按键抖动通常采用硬件、软件两种方法

13、。由于硬件消抖电路设计复杂，本设计 中没有采用，在此不再详细叙述；软件消抖适合按键较多的情况，方便简单。其 原理是在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后在确认该键电 平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从 而消除了抖动的影响。其原理图如图2-3所示：+3V4R1 |R2 RjAr4P2.0R8 R7 R6 R5DS1 IDS2 IDS3 IDS4图2-3键盘控制模块原理图P2.1P2.2P2.3223 LED数码显示电路发光二极管LED是一种通电后能发光的半导体器件，其导电性质与普通二极 管类似。LED数码显示器就是由发光二极管组合而成的1种新

14、型显示器件。在单 片机系统中应用非常普遍。LED数码显示器是1种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用 了 8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点。LED数码 显示器有两种连接方法：（1）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共 阳极接+5V,每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平 时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。（2）共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共 阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平 时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则

15、不点亮。在本设计中所采用的是共阴极LED数码显示器，其内部结构如图2-4所示:夬朋图2-4 LED数码管结构图这里用四位一体数码管SM420361K：型号：SM420361K-12P类别：4位一体共阴规格：长X宽X高-30.1 X 14.1 X 7.3mm管脚标号：12-9-8-6 公共脚、A-11、B-7、C-4D-2、E-1、F-10、G-5、DP-3在本设计中采用数码管动态显示转速，数码显示电路通过交替向P2.6和P2.7 输出低电平，使得与这两个端口连接的数码管公共端交替为低电平，从而为数码 管提供导通回路，通过对交替时间的控制实现数码管在视觉上的不间断显示。通 过P1 口输出段选信号，控制了数码管显示的内容。如图2-5所示：图2-5数码管显示电路2.2.4测速电路介绍开关型霍尔传感器的原理及应用开关型霍尔传感器可分为单稳态和双稳态，内部均有5个部分，即由稳压源、 霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。双稳态传感器具 有